Учебник Химия 10 класс Буринская Величко

Н. Н. БУРИНСКАЯ, Л. П. ВЕЛИЧКО Учебник общеобразовательнАх учебных ее ^ ных заведении 2-е издание, переработанное идополненное эра науки Украины КИ1В ХРПШЬ 2003 ОПЫТЬ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВЪ, основанном на ихъ атомномъ в^кск и химичсскомъ с.ходств-к Ti = 50 Zr = 90 ? = 180 V = 51 Kb = 94 Та = 182 Cr = 52 Mo - 96 W = 186 Mn = 55 Rh = 104.4 Pt = 197,4 Fc = 56 Ru = 104,4 Ii = 198 Ni = Co = 59 Pd = 106,6 Os = 199 Н = 1 Cu = 63,4 Ag = 108 Hg = 200 Вс = 9,4 Mg = 24 Zii = 65,2 Cd = 112 В = 11 A! = 27,4 ? = 68 Ui = 116 All = 197? С = 12 Si = 28 ? = 70 Sn = 118 N = 14 P = 31 As = 75 Sb = 122 Bi = 210> О = 16 S = 32 Sc = 79,4 Tc = 128? F = 19 Cl = 35,5 Bi = 80 1 = 127 Li = 7 Na = 23 К = 39 Rb = 85,4 Cs = 133 Tl = 204 Ca = 40 Sr = 87,6 Ba = 137 Pb = 207 ? = 45 Cc = 92 ’Er = 56 La = 94 ?Yt = 60 Di = 95 Mn = 75,6 Th = 118? Д. Мендел'кевъ Первый вариант системы химических элементов Д. И. Менделеева (1869 г.) СОДЕРЖАНИЕ Как пользоваться учебником.........................5 Правила поведения учащихся в кабинете химии........8 Правила техники безопасности при работе в кабинете химии .......................................* . . 10 Глава /. Общие сведения об элементах-неметаллах и их соединениях Кислород и сера § 1. Общая характеристика ю1слорода и серы ... 13 § 2. Понятие об аллотропии. Озон..............16 § 3. Химичеекие евойства ю^слорода и ееры как проетых веществ . ........................23 § 4. Оксиды серы.............................25 § 5. Рещение задач на избыток................29 § 6. Серная киелота ...........................35 § 7. Производство серной кислоты.............41 § 8. Рещение задач на выход продукта 44 Азот и фосфор § 9. Общая характеристика азота и фосфора ... 47 § 10. Химичссюю свойства азота и фосфора .... 53 §11. А.ммиак .............................. 55 § 12. Соли аммония...........................59 § 13. Промышленный синтез аммиака............62 § 14. Оксиды азота и фосфора.................65 § 15. Азотная и фосфорная кислоты............67 § 16. Нитраты. Азотные удобрения.............72 § 17. Круговорот азота в природе ..............77 § 18. Фосфаты. Фосфорные удобрения...........79 Углерод и кремний § 19. Общая характериетика углерода и кремния . . 82 § 20. Химичееюте евойства углерода и кремния . 88 § 21. Оксады углерода и кремния............ 92 § 22. Угольная кислота и карбонаты......... 96 3 § 23. KpyroBOixDT углерода в природе. Кремний в природе.................................. 101 §24. Кремниевая киелота и силикаты..............104 §25. Строительные материалы................... 106 § 26, Углерод в природе.........................108 Глава II. Органические соединения § 27. Что такое органические соединения , . , . 109 §28. Метан..................................... 114 §29. Гомологи метана............................119 § 30. Теория химического строения органических соединений.................................126 §31. Непредельные углеводороды..................134 § 32. Выведение молекулярной формулы пио- образного вещества.........................142 § 33. Полимеры..................................144 §34. Бензол.....................................150 § 35. Понятие о химических средствах защиты растений................................. 154 § 36. Взаимосвязь и взаимопревращения углеводородов ....................................... 156 § 37. Природные источники углеводородов. Природный газ............................ 159 § 38. Нефть и продукты се переработки...........163 § 39. Уголь и продукты его переработки..........171 § 40. Углсводо1юднос сырье и охрана окружающей среды .....................................173 Практические работы ................................176 Приложения..........................................180 Ответы к заданшем ..................................182 Именной указатель................................. 183 Предметный указатель................................183 КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ УЧЕБНИКОМ Юные друзья! Вы стали уже дес5гтиклассниками. Что же ожадаст нас в курсе химии? В 10 классе будет продолжаться систематическое изучение химичссюгх элементов и их соединений, начатое в 9 классе. Вы уже ознакомились с элементами-металлам и, а теперь станете изучать элементы-неметаллы и некоторые их соединения, имеющие важное значение в промышленности, сельском хозяйстве и в быту. Важно, что при изучении элемента-неметалла углерода вы узнаете, что именно его атомы способны соединяться друг с другом и образовывать цепи либо кольца, свойственные органггческим веществам. Это означает, что вас ожидает ознакомление и с органическими веществами. Вы узнаете об их разнообразии и значении в окружающем мире. Поймете роль органических веществ в жизнедеятельности организмов и убедитесь, что принципиального различия между органическими и неорга-нщюскими веществами нет. Чтобы облегчить понимание материала учебника и способствовать лучшему его усвоению, авторы советуют вам: 1. При работе с учебником последовательно изучаггте учебный материхд, нс проп>'Ская параграфов, чтобы не пару шоть логику излагаемых знаний. 2. Максимальное внишнис уделяйте теоретическим закономерностям, тогда вам будет лспс усваивать описательный материал. Ведь изучение теории —не самоцель, а с1к:дство, облегчающее понимание материала. 3. В зсксте учебника встречаются вопросы, направленные на использование в познании ранее полученных знаний. Не стоит ими пренсбрспггь даже тогда, когда в дальнейшем тексте можно найти озвет. Постарайтесь отвечать на такие вопросы самостоятельно. Это поможет вам понять и лучше усвоить новые знания, которые вы приобретаете. 4. Изучаемый химический элемент стремитесь всегда характеризо1^ать по определенному плану, например: а) символ элемента, его относительная атомная масса (округленная), место в периодической системе: протонное число (порядковый номер), номер периода, номер группы, главная или побочная подгруппа; б) строение атома элемента: заряд ядра, общее число элект|юнов, число электронных слоев и нуклонное число; в) электронная конфигурация атома и графическая электронная формула; г) возможные степени оюгеления элемента; д) формула высшего оксида, характер его свойств, уравнения реакций, подтверждающих прогнозируемые свойства оксида; е) возможность образования летучего водородного соединения, его формула и степень окисления элемента в этом соединении; ж) содержание и распространение элемента в природе, известные вам аллотропные модификации его. 5. Изучая органические вещества, обращайте внимание на их строение, наличие функционхльной группы как главного факто1К1, определяющего свойства органического соединения. 6. Простое и сложное вещество также характеризуггте по определенному плану, например: а) название вещества, хи.мичсская формула; б) относительная молекулярная масса (где шзможно); в) структурная и электронная формулы (где возможно); г) тип хгтмической связи; д) тип кристаллической решетки, пространственное ст^юенис (где возможно); с) физические сюйства; ж) химические свойства; з) применение вещества; и) получение в лаборатории и в промышленности; к) влияние на здоровье человека и окружающую среду. 7. Овладевая содержанием учебника, обратите внима- нис, что химизация (использование веществ, химических процессов, химических методов) даст возможность решать многие хозяйственные проблемы и она же, химизация, порождает новые проблемы, связанные с отрицательными факторами для здо1Ювья человека и состояния окружающей природной среды. Постарайтесь разобраться в том, что Х01ЮШ0, а что плохо. Учебник вам в этом поможет. 8. Учебник содержш’ дополнительную информацию, которая тесно связана с изучаемым материалом. Она способствует более глубокому рассмотрению некоторых вопросов, но дастся петитом, так как эти сведения необязательны для усвоения. Они мог>т быть использованы только по вашему усмотрению. Нс лишайте себя воз.можности ознакомления с дополнительной информацией, если вы заботитесь о расширении своего химического кругозора. 9. В конце параграфов приводятся вопросы, упр;окне-ния, задачи (звездочкой * отмечены задачи и упражнения повышенной сложности). Старайтесь выполнять как можно больше из них. С их помощью вы сможете проверить, правильно ли понят учебный материал, ус1юен ли он и умеете ли вы им пользоваться. Правильность решения расчетных задач проверяйте по ответам, пршюдснным в конце учебника. 10. Если вам необходимо вспомнить то, что забылось, ил>1 повторить изученное, обращайтесь к именному и предметному указателям, расположенным также в конце учебника. Желаем вам успехов в учебе! Авторы ПРАВИЛА ПОВЕДЕНИЯ УЧАЩИХСЯ В КАБИНЕТЕ ХИМИИ Учащиеся обязаны: 1. Входить в кабинет химии и лаборантскую только с разрешения учителя. 2. Входапъ в кабинет и выходить из кабтета спокойно, чтобы случайно не опрокинуть химическую посуду, оборудование либо находящиеся на столе реактивы. 3. Занимать в кабинете всегда одно и то же рабочее место, не переходить на другое место без разрешения учителя. 4. Поддерживать чистоту и порядок на своем рабочем месте, мыть после себя химическую посуду. 5. Во время работы на лабораторном столе не должно быть ничего лишнего. На нем могут находиться учебник, задачник, справочник, тетрадь и письменные принадлежности. 6. Все опыты вьтолнять самостоятельно, за исключением тех, которые по указанию учителя выполняются парами или группами из 3—4-х учащихся. 7. Не начинать работу, пока не проверено, есть ли для опытов все необходимое, и не продумана последовательность выполнения каждого из них. 8. Работать сидя, быстро, но без излишней поспешности, во время работы соблюдать тишину. 9. Записьшать в тетрадь ход вьшолнения работы, наблюдения, уравнения проведенных реакции и делать вьшоды сразу же после вьшолнения опыта. 10. Бережливо относиться к оборудованию кабинета. 11. Придерживаться правил пользования водопроводом, 8 газом, электричеством, не открывать краны и не включать электрические приборы без необходимости. 12. Соблюдать правила обращения с реактивами, химической посудой, лабораторным оборудованием. Знать меры предосторожности при работе в кабинете химии. 13. Знать, где в кабинете находятся аптечка, противопожарные средства и уметь ими пользоваться. ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ В КАБИНЕТЕ ХИМИИ 1. В кабинете химии работайте обязательно в халате. 2. Будьте максимально осторожны при выполнении любых практических работ, помните о том, что неаккуратность, невнимательность, недостаточное знание свойств веществ, с которыми проводится работа, могут привести к несчастному случаю. 3. Выполняйте только те химические опьпы, которые согласованы с учителем, под его присмотром или наблюдением лаборанта. 4. Внимательно читайте этикетку на банке с веществом, которое бер)ется для опыта. Открыв банку, не кладите пробку на лабораторный стол боком, а поставьте так, как изображено на рис. А. 5. Реактивы для опьпов берите в количествах, которые указаны в инструкции. 6. Если в инструкции не указано, какую массу или объем вещества надо взять, то сухое вещество берите в таком количестве, чтобы оно только покрыло дно пробирки, а раствор чтобы занял нс более 1/6 объема пробирки. 7. Остаток взятого реактива нельзя сливать (ссьтать) обратно в сосуд, где он хранился. Его следует сливать (ссьтать) в специальную банку. 8. При наливании жидкостей сосуд с реактивом берите так, чгобы этикетка была направлена в сторону ладони. [неё I А Рис. А. Так следует ставить проб ку, открыв сосуд с реактивом 10 снимайте каплю с края горлышка сосуда (рис. В), иначе жидкостъ будет стекать по стеклу, портить этикетку, может повредить кожу рук. 9. Сосуд, из которого взяли реактив, сразу же закройте пробкой и поставьте на место. 10. При нагревании растворов в пробирке пользуйтесь деревянным держателем. Внимательно следите за тем, чтобы отверстие пробирки было направлено в сторону от лица работающего, так как жидкость в результате перегрева может быть выброшена из пробирки. Рис. В. Снятие капли жид кос 111 с горлышка сосуда Рис. С, 1\'и6{)ьпгиванне жидкости при шиивапии в сосуд и. При нагревании жидкостей следите, чтобы не перегрелись стенки пробирки над жидкостью (особенно, когда жидкости мало), потому что при попадании на перегретое стекло капель жидкости пробирка может треснуть. 12. Чтобы избежать перегревания, никогда не нагревайте пробирку только снизу, а равномерно прогревайте всю пробирку, все ее содержимое. 13. Не заглядывайте в пробирк>', в которой нагревается жидкость, и не наклоняйтесь над сосудом, в который наливают какую-либо жидкость (особенно едкую), потому что мельчайшие капли могут попасть в глаза (рис. С). 14. Никакие вещества не пробуйте на вкус. 15. Нюхайте все вещества осторожно, не наклоняйтесь 11 Рис. D, Так следует ню хать вещества над пробиркой и не вдыхайте полной грудью, а направляйте к себе пар или газ движениями руки (рис. D). 16. Особую осторожность проявляйте при работе со щелочами. Попадание даже разбавленного раствора щелочи в глаза может привестт! к необратимой потере зрения. При попадании раствора щелочи на руки немедленно смойте его большим количеством воды до исчезновения ощущения мылкости. 17. При работе с кислотами также следует проявлять осторожность. Особенно надо беречь глаза. При попадании кислоты на руки следует немедленно смыть ее большим количеством воды. 18. Будьте особенно осторожны при работе с нагревательными приборами. 19. Горячие предметы ставьте на керамическую плитку или специальную подставку. 20. Отработанные реактивы сливайте в раковину (после их нейтрализации), а ценные реактивы—в специальные сосуды. 21. После окончания работы уберите свое рабочее место, выключите электронагревательные приборы, обязательно тщательно вымойте руки, проверьте, закрыты ли краны с водой. 22. Не кладите свои завтраки на лабораторные столы и никогда не употребляйте пищу в химическом кабинете. Если произошел несчастный случай, немедленно обратитесь к учителю! 12 гпава I ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ЭЛЕМЕНТАХ' НЕМЕТАЛЛАХ И ИХ СОЕДИНЕНИЯХ КИСЛОРОД и СЕРА § I. ОБЩАЯ ХЛРАКГЕРИСТИКА КИСЛОРОДА И СЕРЫ Исторические сведения. С историей открытия кислорода вы ознакомились в 8 классе. Теперь предлагаем вам некоторые исторические сведения о сере. Сера известна чсловек>' с незапамятных времен. Легендарный древнегреческий поэт Гомер, живший между XII и VIII ст. до и. э. и считающийся автором эпических поэм «Илиада» и «Одиссея», отмечает, что сера применялась для курений по время 1юлигиозных обрядов. Она входила в состав знаменитого в истории древнего мира греческого огня. Сек1?етом его изготовления владели греческие цари в течение четырех веков. В 941 г. под стенами Царьграда был уничтожен флот киевского князя Игоря. Летописец, описывая это событие, отмечает, что греки использовали огонь, напоминающий нсбссн>ло молнию, который сжигал воинов Игоря, поэтому они нс смогли одолеть греков. О древнейшем знакомспзе человека с серой свидетельствует и происхождение ее названия (от санскритского* сло1Ш «сира», что означает «светло-желтый»). Кислород и сера—элементы VI группы периодической системы, входет в состав главной подгруппы. * По положению, кото|Х)С занимают ю1слород и сера в периодической системе, обоснуйте слроение их атомов и занишшс элскгронные формулы. Санскрит —древний язык Индии. 13 Электронное строение. Что же показывают электронные форлтулы кислорода \^2^2р^ и серы \^2^2p^3£bjA, которые вы только что записали? Они показывают, что в атомах кислорода и серы на внешнем электронном слое содержится по 6 электронов (см. подчеркнутое в электронных формулах, п—номер слоя) — п!?пр^. В атомах кислорода эти шесть электронов располагаются на орбиталях двух типов—s и р (одна s- и три /?-орбитали); гО /7=2 и ti t t За счет двух неспаренных /^электронов атом кислорода, как правило, образовывает две ковалентные связи с атомами других элементов. При этом кислород проявляет степень -2 -2 -2 -2 окисления —2, например Н2О, FejOj, HjSO^ , NaOH. в соединениях с наиболее электроотрицательным элементом — ())гором кислород проявляет положи!ельпую степень окисления, например •2-1 во (1ггорилс кислорода О F,. Известны соединения, содержащие связь кислород-кислород (О —О), 4 1 -1 >2 -1 например пероксид водорода Н2 или пероксид бария Ва О, . Степень окисления кис;юрода в таких соединениях равна, как счшается, -I. KucjKiptifl может проявлять степень окисления +4, например в озоне Oj •4 (ОО,). В отличие от кислорода, который находится во втором периоде и электроны в атомах которого расположены на двух электронных слоях (электроны второго слоя —на 5- и /?-орбит1Ц1Ях), сера находится в третьем периоде. Это значит, что электроны в атомах серы расположены на трех электронных слоях, а электроны третьего слоя могут размещаться на S-, р- и ^/-орбиталях (если атом находится в возбужденном состоянии). Следовательно, в отличие от атома кислорода атом серы (изолированный, химически нс связанный) на внешнем электронном слое имеет свободные орбикиш, на которые могут переходить электроны во время возбуждения атома, 14 когда при затрате некоторой энергии происходит разъединение электронных пар для образования химических связей с другими атомами. Таю1м образом, в атоме серы электроны на внешнем электронном уровне могут располагаться так: d 16^ /7=3 .V ti р t t ti основное состояние атома 1б‘- /7=3 /7=3 s t p t t t s t p t t t t t возб>ок- денные состояния атома Атом серы, в котором имеется 2, 4 или 6 неспаренных электронов, может проявлять в соединениях степень окисления -2, +4, +6. —2+4 (6 *6 Например: H2S ; SOj ; SO3 ; H2SO4 ; Na2S04-Атом серы по сравнению с атомом кислорода имеет больший радиус (почему?) и проявляет меньшую электроот-ри цатсл ьность. • Объясн1гге, как011 смысл вы вкладываете в понятие «радиус атома». От чс1'о зависят размеры атомов? • BcnoMiQiTc, что такое элекфоотри цатсл ьность. Сравшггс элементы кислород и серу по элекгроотрицатслыюсти. Обос1гуйте сс различие. Задания для самоконтроля 1. Какое место в исриодшгеской системе элсмс1ггов занимают кислород и сера? Как это связано со строением их атомов? 2. Чем отличается основное сосгоянис атома серы от его иозбу аде иного состояния? 3. Сравниггс сфосние атомов элеме1иов кислорода и серы, укажите их общие и отличительные признаки. 15 4. Почему степень окисления -2 способны проявлять игомы кислорода и серы, а степень окисления +6 —тчэлько aTONn>i серы? 5. Нагтшпитс 4>ормулы соединений кислорода и серы с кальцием, калием, алюминием. Укажите степень окислсьшя каждого элемента и назовите соединсьшя. § 2. ПОНЯТИЕ ОБ АЛЛОТРОПИИ. ОЗОН Химические элементы в свободном состоянии существуют в форме простых веществ. Так, элемент кислород образует два простых вещества — кислород О2 и озон О3. • Вспомните, что представляет собой кислород О2, каковы его химические свойства, для чего он применяется и какую роль играет в природе. Озон. Если на кислород подействовать электричссюш разрядом, то появляется характерный запах свежести — образуется газообразны!! озон: ЗО2 ^ 2О3; Aff = 283,6 кДж. Кислород поглощает энергию и превращается в озон, а озон самопроизвольно разлагается, образуя Ю!слород. Оба простых вещества —кислород Oj и озон О3 —образованы одним и тем же химическим элементом — кислородом, а свойства у них различны (табл. I). 11 Явление существования химического элемента в виде двух или нескольких простых веществ, различающихся по свойствам и строению, называется аллотропией, а сами простые вещества — аллотропными формами (модификациями). Следовательно, ююлород О2 и озон О3—аллотропные формы элемента кислорода. Сравнен!!с свойств кислорода О2 и озона О3 показывает, что окислительная активность озона значительно выше, чем кислорода. Например, уже при обычных условиях он окисляет многие М!июактивныс простые вещества (серебро, ртуть и пр.): 8Ag + 2О3 = 4АкзО + О2 t 16 Габлица 1. Свойства кислорода и озона Свойства проел ых веществ Простые вещества КИСЛ01Х>Л озон 1 Агрегатное состояние при ' стандартных условиях Газ Газ Цвет Бесцветный Оший 1 Запах Без запаха Резкий, своеобразный 1 Растворимость (в 100 объемах 1 Н^О при 20 "С) 3 объема 49 объемов j Плотность iTiaa при н. у. 1,43 г/л 2,14 г/л 1 Температура кипения -193 'С -112 "С Температура 1и1авлеиия -219 ”С -192 “С Физиологическое действие Нс ядовит Очень ядовит Химические свойсгва 1 Окислитель Очень СШ1Ы1ЫЙ окислитель Реакционная способность Высокая Оче1гь высокая Повышенная окислительная способность озона (в сравнении с кислородом Oj) объясняется низкой энергией отрыш атома кисло1Юда О от молекулы озона О3. В реакциях оююления принимает участие именно этот атомарный кислород. Обратите внимание на физиологическое действие озона; он адовит для человека, животных и растений. Небольшие концентрации озона в воздухе создают ощущение свежести II вместе с тем вдыхание шздуха даже с со1юем малой концентрацией озона вызывает раздражение дыхательных путей, кашель, рвоту, головокружение, утомляемость. Озон может быть не только вредным, но и полезным. Применение озона обусловлено его исключительными окислительными свойствами. Озон используется для озонирования воздуха и питьевой воды, что значительно эффек-IIIBHCC, чем хлорирование; для обезвреживания промышленных сточных вод; отбеливанш! тканей, минеральных масел; как дезинфицирующее средство в медицине; как окислитель ракелного топлива. 17 Роль озона в сохранении жизни на Земле. Возле поверхности Земли озона мало. Его концентрация в воздухе колеблется (ночью ниже, днем выше). Летом и весной его в воздухе в 3,5 раза больше, чем зимой и осенью. Над полярными частями Земли содержание озона в воздухе выше, чем над экватором, в атмосфере городов выше, чем в сельской местности. С удалением от поверхности Земли концентрация озона увеличивается и достигает максимума на высоте 20—^25 км. Там образуется так называемый озоновый слой. Озоновый слой играет важную роль в сохранении жизни на нашей планете. Он задерживает наиболее губительную для человека, животных и растений часть ультрафиолетовой радиации Солнца, вызывающей онкологические (раковые) заболевания кожи. Кроме того, озоновый слой наращу с углекислым газом COj поглощает инфракрасное излучение* Земли и тем самым препятствует ее охлаждению. Так озоновый слой обеспечивает сохранение жизни на Земле. Возникает вопрос, откуда же берется озон в агмоаЦзере и как именно он защищает нас. Озон образуется в верхних слоях атмосферы вследствие поглощения кислородом ультрафиолетового ихлучения Солнца: 0~ + Л\> 0 + 0 О + 02 О, Кроме того, логлощая лучистую энергию Сол>ща (фотоны), молекулы кислорода переходят в возбужденное состояние (помечено звездочкой) и при лальт!ейшсм взаимодействии с обычным кислородом также образуют озон: О., + /?v —^ О., От + От О3 + О о "Ь О2 —^ О3 Образовавшийся озон окугывает Землю со всех сторон. Но его молекулы супюствуют недолю. Происходит обратная реакция фотохимическо- Инфракрасиое их1учение — это не видимые электромагнитные волны, испускаемые iiaiperbiM телом (тепловое излучение). 18 lo' раз;[0жения озона, которая собственно представляет собой поглощение озоном фотонов; О3 + Лу 0^ + 0 Следовательно, в атмос(^)ере существует цикл озона — сбалансированное образование и рапожения его. Результатом существования этого цикла является П11еобразование ультрафиолетовою излучения Солнца в гспловую энергию. Но для нас основ}юй <<заслугой» озона является то, •по он, «жертвуя собой*, поглощает УФ-излучение и тем самым не допускает высокоэнергетические фотоны Солнца к Земле. Озоновый слой не является стабильным. Он может са.мопроизвольно то увеличиваться, то уменьшаться над какой-либо местностью по нескольку раз в год. Под влиянием природных факторов (фотохимического разложения, извержения вулканов, значительного перемещения огромных воздушных масс), но большей частью под влиянием .загрязнения окружающей среды он разрушается, вследствие чего образуются так называемые «озоновые дыры». Они-то и увеличивают ультрафиолетовую нагрузку на все живое на Земле. Причиной техногенного^ разрушения озонового слоя является загрязнение атмосферы оксидами азота, присутствие которых в 20 раз увеличивает токсичность озона. Например, массовый выброс в атмосферу выхлопных газов реактивных самолетов, содержащих оксиды азота, разрушает озоновый слой. Кроме того, использование хлор- и фторсодержаших веществ (фреонов) в холодильных машинах также способствует разрушению озонового слоя. Ведь фреоны, попадающие в атмосферу, взаимодействуют только с озоном, потому что по отношению к другим веществам они инертны. В результате этого над местностью может образоваться «озоновая дыра». Над Украиной (кроме южной части) общее содержание озона за последние 20 лет уменьшилось на 6 %, и образовалась аномальная*^ зона. Вам следует помнить об )том! Особенно опасна «озоновая дыра» летом. В этот Фотохимический — это процесс, происходящий под влиянием света. Техногенный — связанный с производственной деятельностью челове- Лномапьный — неправильный, имеющий отклонения от нормы. 19 период сильно страдают глаза, поэтому надо пользоваться солнцезащитными очками. Стоит воздерживаться и от загара, чтобы не причинить вреда коже. • Как вы думае'ге, почему кислород и озон, состоящие из одною и того же химического а!емента, имеют различные свойства, то есть в чем заключается суть аллотропии? Аллот}юпия кислорода и озона обусловлена различным числом атомов кислорода в молекулах веществ—О2 и О3. Однако может быть и другая причина аллотропии — различная структура кристаллов. С этим типом аллотропии вы ознакомитесь на примере серы. Сера при стандартных условиях —хрупкое кристаллическое вещество желтого цвета. Плохо проводит теплоту и нс проводит электрический ток. В воде не растворяется, лучше растворяется в некоторых растворителях (в сероуглероде CS2, бензоле, эфире и ДР-)- И в растворах, и в кристаллах сера состоит из которые по форме напоминают Рис. I. Форма мо.зекул серы цикзических молекул Sj^, корону (рис. 1). Но в кристаллах эти молекулы могут быть упакованы по-разному. Если молекулы упакованы плотно, образуется аллотропная форма—ромбическая сера. Менее плотная упаковка молекул вызывает появление другой аллотропной формы —моноклинной серы (рис. 2). Различное строение кристаллов ромбической и МО- Рис. 2 ноклинной серы обусловли- серы; вает различные их физические свойства. Некоторые из них приведены в таблице 2. Кристаллические формы а — ромбическая; б — мо-иокзипная 20 Габлит 2. Свойства ромбической и моноклинной серы Свойства простых веществ Сера ромбическая моноклинная Цвет Л ИМ011но-желтый Бледно-желтый, почти бесцветный Плогпость 2,07 r/cNf' 1,96 г/см^ Температура плавления 112,8 'С 119,3 'С Если серу расплавить и быстро охладить, образуется еще одна аллотропная форма; пластическая сера — кор№шевая резиноподобная масса. Ей можно придать любую форму, даже растянуть в нить. Это свойство пластической серы объясняется тем, что она нс содержит молекул Sj<, а состоит из длиннььх цепочек атомов серы. Эти зигзагообразные цепочки беспорадочно переплетены между co6oii. При растяшванин они распрямляются, а если отпустить—снова скр>^иваются. Эпгм объясняется эластичность такой (^юрмы. Но пластическая сера неустойчива, быстро густеет, твердеет, становится хрупкой и превращается в ромбическую. Следовательно, у серы имеются две основные аллотропные формы; ромбическая и моноклинная. Обе они состоят из молекул Sj^, а различаются кристаллическим строением. В природе встречаются наиболее стойкие аллотропные с1юрмы. Так, в состав земной атмосферы входит кислород, поскольку его молекулы более устотивы, чем молекулы озона. • Вспомните, как образуется в атмос<1)ерс озон и o6ociiyin'e его значение. В чем вы усматриваезх; двойственную роль озона в природе —его пользу и пред? Сера вст1)ечается в природе в свободном состоянии (самородная сера), а также в виде различных соединений — сульфидов металлов, сульфатов и т. п. 21 Лабоиаторнал работа I Ознакомление с образцами серы и ее природнык соединений Рассмотрите выданные вам образцы серы и ее природных соединений. Для <аждого из них запишите в тетрадь: 1) название; 2) химическую формулу; 3) агрегатное состояние; 4) цвет; 5) твердость Вы узнали, что в природе очень распространены соединения серы с различными металлами. Многие из них являются ценными рудами: IPbS — свинцовый блеск, ZiiS — цинковая обманка, CU2S—медный блеск, РеЗз—железный колчедан, или пирит. (Распространены в природе и другие минералы серы, в основном сульфаты кальция и магния. Мсстороадсния соединений серы имеются в Украине (Львовская область), Туркмении, Италии, Японии, США и др. Задания для самоконтроля 6. Что такое iUciOTi^Knn^ и чем объясняется существование различньгх аллотропных форм? 7. Что собой представляет озон при стандартных ус:ювиях? Где он применяется? 8. OxapaKTepii3>TiTe известные вам аллотропные формы серы и отметьте, какая из них наиболее устойчива. 9. В результате разложения бертолстошй соли KCIO3 (хлорат калия) в присугствии оксида маргаица(ГУ) МПО2 получен кислород объемом 6,72 л (и. у.). Масса израсходованной при этом бертолетовой соли составляет (а) 24,5 г; (в) 245 г; (б) 2,45 г; (г) 0,245 г. 10. Ю1слород выделяется при термическом рстожснии ряда соединений. Если взять по 0,5 моль таких соединений, как оксид ртути(П), перманганат калия, бертолетова соль, нитрат калия (образуется Н1ггрит калия KNO2), то наибольшее количество вещества кислорода выделтся при разложении (а) HgO; (в) KCIO3; (б) КМПО4; (г) KNO3. 11. Максимальная масса озона, которая может образоваться из 16 г кислорода, равна (а) 12 г; (в) 24 г; (б) 16 г; (г) 32 г. 22 § 3. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КИСЛОРОДА И СЕРЫ КАК ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ Вы уже знаете, что кислород —очень реакционноспособный газ. Он взаимодействует со многими металлами, неметаллами и многими сложными веществами, проявляя свойства сильного окислителя. • Какие вещества образуются при взаимодействии с кислородом: а) водорода; б) алюминия; в) метана СН4? Напишите >равнения реакций, укажите в каждом случае степень окисления элементов, окиаштсль и восстановитель. Химическая активность серы также довольно высока. При нагревании она взаимодействует почти со всеми хими-ЧССЮ1МИ элементами (в форме простых веществ) и со многими сложными веществами, проявляя при этом свойства как окислителя, так и восстановителя (сравните с кислородом), потому что для нее характерны как положительные степени окисления (+4, +6), так и отрицательная (-2). 1. Взаимодействие с металлами. Сера как типичньп! неметалл взаимодействует со многими металлами (кроме золота), образуя сульфиды. Так, если всыпать порошок меди в расплавленную серу (рис. 3), то произоадет реакция с образованием черного сульфида мсди(1) и выделением большого количества теплоты; 2Си + S = CU2S Рис. 3. Взаимодействие меди и серы Сера пепосредственио соединяется с железом, цинком, натрием, алюминием. Напишите уравнения этих реакций VI укажите названия образовавшихся веществ. 23 2. Взаимодействие с неметаллами. Сера непосредственно взаимодействует со всеми неметаллами (кроме иода и азота). Реакции происходят при нагревании: S + Оз = SO2 Т Нз + S = H2S t Применение. Больше всего серы и природных сульфидов расходуется на производство серной кислоты. Сера применяется и в другах отраслях химической пролшшленности: для получения сульфитов Na3S03 и Са(Н50з)з, используемых в легкой промышленности, сульфидов N338, CaS, BaS для кожевенного производства, изготовления люминофоров (веществ, способных светиться). Серу применяют в производстве красителей, (Х^зины, черного пороха, спичек, лекарств; используют се и в сельском хозяйстве для борьбы с вред щелями. Задания для самоконтроля 12. Каю1с химические свойства хараюерны для кислоро1щ и серы? Напишите уравнения соотвеаствующих реакций. 13. Сравните взаимодействие водорода с кислородом и серой. В чем сходство и отличие этих реакций? 14. Напишите уравнения реакций серы с К11слородом и цинком. Какую роль играет сера в одной и другой реакциях? 15. Какого типа химическая связь в соединениях серы с мс-таллахш? 16. Почему кислород проявляет окиелтельные свойства, а сера как окислительные, так и восстановительные? 17. Напшшпс несколько уравнений реакций, eвид,cтeльcтl^yю-[цих о том, что у кислорода окислительные свойства проявляются сильнее, чем у серы. 18. Если 31 г железа взаимодействует' с серой при ус;ювии, что массовая доля использования железа сосгавляст 90 %, то в ^хзуль-тате реакции образуезх:я сульфад железа массой (а) й 12 г; (в) «44 г; (б) й 22 г; (г) й 88 г. 19*. Имея аналогичную электронную конфигурацию внешнего cJ[oя, атомы химических элсмещов кислорода и полония резко отличаются друг' от друга по ыюйствам. Как вы думаете, чем эт.о можно объяснить? 24 § 4. ОКСИДЫ СЕРЫ Сера образует два кислотных оксида: оксвд серы(Г/) SOj и оксид ccpbi(VI) SO3. Различный количественный состав молекул (и различное их строение) обусловливают и различные свойства этих веществ. Оксид серы(1У) SO2 (диоксид серы, сернистый газ) — бесцветный тяжелый газ (в 2,2 раза тяжелее воздуха), с резким запахом, вызышющим кашель. Негорючий. Очень легко растворяется в воде (в 1 л воды при 20 “С растворяется 43 л SO2). Нараду с «физическим» растворением одновременно происходит химическое взаимодействие — присоединение молекул воды (гидратация) к молекулам оксида серы(IV) SO2, в результате чего образуется сернистая кислота. Водный раствор SO2 называется сернистой кислотой, упрощенная формула которой H2SO3. В действительности же основная масса растворенного SO2 находится в растворе в гидратированной форме SO-, - ИН2О. При ох;гаждении раствора выделяются кристаллы примерного состава SO2 • 7Н2О. И лишь только небольшая часть молекул растворенного SO2 взаимодействует с водой по схеме: SO2 + HjO H2SO3 (Зернистая ююлота H2SO3 —очень нестойкое соединение. Существует только в водных растворах. При попытке выделить ее разлагается на оксид серы(Г\0 и воду. Легко поглощает из воздуха кислород и медленно ою1Сляется в серную Ю1слоту: 2H2SO3 + О2 = 2H2SO4 Сернистая кислота H2SO3 двухосновна. Относится к кислотам средней силы. В водном растворе диссоциирует ступенчато, в основном по первой ступени: I ступень H2SO3 Н* + HSOj II ступень HSO3 ^ Н' пыросул ьфит-ион + sof сульфит-ион По второй ступени диссоциация происходит незначительно. 25 Буду'Ш двухосновной, сернистая кислота H2SO3 может образовывать два ряда содей: а) средние соли —сульфиты и б) кислые соли —гидросульфиты (продукты неполного замещения водорода кислоты на металл). Если в раствор едкого натра NaOH пропускать сернистый газ SOj, то в зависимости от соотношения реагирую-uHfx веществ образуется либо средняя, либо кислая соли: NaOH + SO2 = NaHS03 I моль 1 мош. г кдросульфит иат1)ия 2NaOH + SO2 = Na2S03 + Н2О 2 моль 1 моль Сульфит нач^ия Это следует иметь в виду при выполнении опытов и решении з;щач. Все сульфиты—нсрастворил^ыс соли, за исключением еульфитов щелочных металлов и аммония. Получение. Оксид ccpbi(IV) получают сжиганием серы, а также как побочный продукт обжига сульфатных руд цветных металлов, например: S + О2 = SO2 t 2PbS + 30, = 2PbO + 2SO, t В лабораторных уеловиях оксид cepbi(IV) получают действием киелот на сульфиты. При этом вместо неустойчивой сернистой кислоты выделяется оксид серы(1У); N02803 + H2SO^ = Na2SO^ + H2SO^ ^ ■ н,о SOjt Применение. Важнейшая область применения океша cepbi(IV) SOj—это производство серной кислоты H2SO4. Его используют также в производстве сульфитов и гид}Х)-сульфитов. Сернистый газ SO2 способен уничтожать микроорганизмы и вредителей сельскохозяйственных культур, поэтому его применяют для окуривания овощехранилищ и при перевозке ягод и фруктов. Сернистый газ обссцвечи- 26 васт многие естественные красители, поэтому с его помощью отбеливают солому, шелк, шерсть и другие материалы. Применяют также для консервирования фруктов и ягод jn как дезинфицирующее средство (для уничтожения плесени в подвалах, погребах, винных бочках, бродильных чанах). Физиологическое действие. Оксид ссры(1У) SOj токсичен. Небольшая концентрация его в воздухе вызьшаст раздражение слизистых оболочек дыхательных органов и глаз. Продолжительное воздействие даже малых концентраций оксида ccpbi(lV) приводит к возникновению у человека бронхита, гастрита и других заболеваний, в том числе, возможно, и рака легких. Оксид ccpbi(IV) считается наиболее опасным для здоровья человека, поскольку вызывает общее ослабление организма и вместе с другими загрязнителями окружающей среды приводит к сокращению средней продолжительности жизни. Влияние на окружающую среду. Диоксид серы SO2 один из основных загрязнителей воздуха. Он отравляет окружаю-щук^ среду. Откуда же берется в воздухе диоксид серы? Естественным источником SOj являются процессы окисления сероводорода H2S атмосферным кислородом и озоном: 2H2S + ЗО2 = 280з + 2Н2О HjS + О3 = SO2 + Н2О Основными антропогенными источниками оксида серы (IV) SO2 являются сжигание топлива, выплавка металлов (дымовые газы), работа автомобильного транспорта (выхлопные газы). Диоксгщ серы SO2, попадая в воздух, вызывает образов;!-нис «кислотных дождей», вредных для всего живого. Как же образуются «кислотные дожди»? В атмосфере диоксид серы SO2 под влиянием незначительных количеств металлов в вгщс пыли и их солей (главным образом Ее и Мп), окисляется до триоксида серы SO3: 2SO2 + О2 —> 2SO3, который взаимодействует с каплями влаги, образуя посто-jxiHHce для воздуха вещество —серную кислоту': SO3 + Н2О = H2SO4 27 Лн;ц1отчным образом вносят свою «лепту» в появление «кислотных дождей» и оксиды азота: 2NO + 02 = 2NO2 2NO2 + Н2О = HNO3 + HNO2 KvICЛoтныe осадки (дождь, град, снег и др.) вредно влияют на водные экосистемы, рост и развитие деревьев и сельскохозяйственных культур. Влияние кислотных осадков на живые организмы, в том числе на человека, еще недостаточно изучено. Однако известно, что в условиях загрязнения атмосферы (дымовыми газами, образующимися в процессе сжигания топлива, или oтxoдящи^ги газами переработки сырья, содержащего серу, либо выбросами металлургических предприятий) не следует ходить под дождем с непокрытой головой (может вызвать выпадание волос). Оксид серы(У1) SO3 (триоксид серы) —бесцветная жидкость, которая при температуре ниже 17 °С кристаллизуется, превращаясь в длинные щелковистые кристаллы. Очень летучее вещество, сильный окислитель. Токсичный, поражает слизистые оболочки и дыхательные пути, вызывает тяжелые ожоги кожи, акзивно разрушает органические вещества. Сохраняют его в запаянных стеклянных сосудах. Оксид серы(У1) на воздухе дымит, активно взаимодействует с водой с выделением большого кол1П1еств;1 теплоты, образуя серную кислоту; SO3 + Н2О = H2SO4 Он может даже поглощать влагу из воздуха, образуя белый туман, состоящий из мельчайших капелек серной кислоты. Оксид cepbi(VI) растворяется в концентрированной серной кислоте H2SO4, и этот раствор называется олеумом. • Зиая, что SO-.—типичный кислогньга оксид, напишите уравнения pcaKJHiii, которые для него характерны. Получают оксцд серы(У1) в результате окиеления SO2 кислородом воздуха (напишите уравнение реакции). При стандартных условиях эта реакция происходит очень медленно. Значительно быстрее и легче она идет при 28 и и прис>тствш1 катализатора температуре 450—600 'С оксида ванадия(У) V2O5. Применяется оксвд ссры(У1) SO3 в производстве серной кислоты H2SO4, В лабораторной практике он используется li качестве водоотнимаюшего средства. Задания для самоконтроля 20. Ох^фактеризуйте оксил ccpbi(IV). Для чего он применяется? На каких свойствах основано сш применение? 21. Вычиелте плотность по воздуху и массу 1 л сернистого газа (н. у.). Cдeлa^^тc вывод, можно ли собирать SO2 в цилиндр вытеснением возд^гха. 22. PacKpoi-ire физиологическое воздействие оксида ссры(ТУ). 23. Что вам известно о сернистой кислозс? Почему ее раствор слс;1ует оберегать от доступа воздуха? 24. Почему в результате пропускания диоксида серы через известковую воду она тоже мутнее г, как и в результате щюгсуска-ния углекислого газа? Ответ щюилл10СТ11иру11те уравнениями реакций. 25. Напишите уравнеште реакции получения сульфггга бария U.J растворимых cojcch. 26. Какой объем диоксида серы (н. у.) можно получить вследствие разложения при нагревании сульфита магния массой (>50 кг с массовой долс1ч^ иримссей 20 %? 27. Хватит ли 14 м' кислорода (н. у.) для окисления 30 шоксида серы гфи нормальнь1Х условиях? 28*. Онределте обьемные доли оксида ccpbi(IV) и кислорода в смеси (н. у.), если из 200 Ш1 ее после реакции образовалось 0,438 г оксида серы(У1). Обратите внимание, что SO2 про^я^агиро-IUUI полностью. § 5. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НА ИЗБЫТОК Вы знаете, что вещеетва взаимодейетвуют в определенных соотношениях. Но часто одно из реагирующих веществ бс1хггся с избытком, чтобы обеспечить полноту взаимодействия друтого вещества. Реакция между веществами прсис-ходит до тех пор, пока одно из них прореагирует полностью. Избыток другого вещества остается. Он нс принимает участия в реакции. Вот почему, решая задачи этого типа, необходимо: 29 1) выясноть прежде всего, какое из исходньк веществ взято с избытком, так как избыток не будет реагировать; 2) дальнейшие вычисления производить по тому веществу, которое прореашровало полностью. Обратите внимание; при решении задач возможны различные варианты. Для примера рассмотрим рещснис конкретных задач. Задача 1. К раствору, содержащему 35 г азотно11 кислоты, добавили 10 г оксида магния. Определтгге массу соли, об-разовавщсйся при этом. Дано: /и(НЫОз) = 35 г | /n(MgO) = 10 г m(Mg(N03)2) = ? Составляем уравнение реакции, производим необходимые записи и расчеты, чтобы увидеть пропорциональную зависимость между величинами: 10 г MgO + V = 1 моль л/ = 24 + 16 = = 40 г/мапь 35 г 2HNO3 V = 2 моль Л/ = 1 + 14 + 48 = 63 г/моль Mg(N03>2 + Н2О V - 1 МОЛЬ л/ = 24 + 28 + % = = 148 г/моль По уравнению реакции определяем мольное соотношение реагирующих веществ: v(MgO) : v(HN03) = 1:2 Вычисляем какое количество 15ешесгва составляктг 10 г MgO и 35 г HNO3 по формуле ^ • v(MeO) = .7. *- = 0,25 моль; v(HNO,) = — = 0,55 мать, “ 40 г Моль ’ ' 3/ 63 г мать т. с. если MgO 0.25 моль, то HNO3 надо 0,5 моль, а у нас 0,55 моль. Значит, HNO3 взята с избытком. Это означает, что дальнейшие вычисления следует производить нс по азотной кислоте, а по оксиду магния, поскольку он прореагировал полностью. Затем находим массу образовавшейся соли, как обьишо. По уравнению реакции ввдно, что 1 моль MgO взаимодей- 30 ствуст с аютной кислотой с образованием 1 моль Мз(КОз)2, а если юаимодействует 0,25 моль MgO, то и соли должно образоваться 0,25 моль. Следовательно, масса соли равна: т = М • v; w(Mg(N03)2) = 148 г/моль • 0,25 моль = 37 г. Ответ: если 35 г азотной ктгслоты взаимодействует е 10 г оксида магния, то при этом образуется 37 г Hirrpara магния. Задача 2. Вычислите объем оксида серы(1У), образующегося при взаимодействии сероводорода количеством вещества 5 моль и кислорода количеством вещества 6 моль. 1 Дано: v(H2S) = 5 моль \'02) = 6 моль KSO2) = ? 5 моль 6 ма1ь 2H2S + ЗО2 X л 280^ V = 2 моль V = 3 моль = 22,4 л/моль К=44,8л /и ^ моль » , v(H2S) = 2Т.^:Г = 2,5, . 6 моль - \'(02> = о____= 2, следовательно. моль ' ■ ' 3 моль сероводород юят е избытком, поскольку 2,5>2. Вычисляем объем оксида серы (ГЧ^. Раечеты производим по кислороду, так как он прореагироват полностью: 3 : 44,8 = 6 :х 44,8 л • 6 моль ^ л-= \ =89,6 л (SO,). 3 моль ^ Ответ: RSO,) = 89,6 л. Задача 3. К раствору, содержащему 1.42 г еульфата натрия, добавили раствор, содержащий 2,8 г нитрата бария. 06-paзoвilвшийcя осадок отфильтровали. Какие вещества содержатся в фильтрате? Дано: /«(ЫдзЗОД = 1,42 г т(Ва(ЫОз)2) = 2,8 г вещества в фильтрате = 9 Анализируя условие задачи, обращаем внимание на то, что указана масса для обоих реагирующих веществ. Она может бьггь стехиометрической, но, как правило, это 31 признак того, что задача на избыток, а он реагировать не будет. Поэтому прежде всего определяем, какое из исходных веществ взято с избытком. Для этого составляем уравнение реакции: 1,42 1 2,8 г Na-,SO. + Ba(NO:^)2 — BiiS04 i + 2NaNO, ^f = 46 + 32 + 64 = 142 г/моль m — 142 г М = 137 + 28 + 96 = = 261 г/моль т = 261 г Из уравнения реакции видно, что 142 г NajSO^ взаимодействует с 261 г Ba(N03)2, а если Na2S04 взято 1,42 г, то сеть в 100 раз меньше, то и масса Ba(N03)2 также должна быть в 100 раз меньше—2,61 г. Следовательно, нетрат бария Ва(КОз)2 взят с избытком. Этот избыток составляет: 2,8 г - 2,61 г = 0,19 г. Он будет содержаться в фильтрате вместе с нитратом натрия NaNOj, который остадся в растворе после того, как осадок сульфата бария BaSO^ отфильтровали. Ответ: в фильтрате содержатся нитрат натрия NaN03 и избыток нитрата бария Ва(ЫОз)2- Задача 4. В раствор, содержащий едкий натр массой 20 г, пропустили оксид серы(Г''/) объемом 15 л (н. у.). Определить массу образовавшейся в результате реакции соли. Дано: т (NaOH) = 20 г Г(802> = 15 л /и(соли) = ? Признаком того, что эта задача может быть на избыток, является указание в условии данных для двух реагирующих друг с другом веществ. Значит, необходимо выяснить, какое из этих веществ дано с избытком. Для этого надо составить уравнение реакции. Но в данном случае, как это сделать, если мы нс знаем, какая соль образовалась? Ведь может образоваться либо средняя, либо кислая соль. Если в избытке находится сдю1Й натр, то образуется средняя соль, а если в избытке оксид ccpbi(IV), то—ююлая соль (почему? Обоснуйте). I Предположим, что образовалась средняя соль, тогда... Первый способ 1) Какое из исходных веществ взято в избытке, если образовалась средняя соль? 32 2NaOH V = 2 моль Л/ = 40 г/мопь SO. — Na.SO. + Н.О V = I моль к = 22,4л/моль Узнаем, какое количество вещества составляют 20 г NaOH: v(NaOH) = — — =0,5 моль. 40 I' моль Выясняем мольные соотношения реагирующих веществ. Из уравнения реакции следует, что v(NaOH): vCSOj) = 2:1, то есть количество вещества SO2 вдвое меньше. Следовательно, если взаимодействует 0,5 моль NaOH, то SO2 должно быть вдвое меньше, значит, 0,25 моль: 2:1 = 0,5 : 0,25. Вычисляем, какое количество вещества составляют 15 л SO2: v(S02) = - =0,67 моль; ^ 22,4 л моль 0,67 > 0,25, следовательно, SO2 в избытке. А мы уже знаем, что если SO2 в избытке, то образуется кислая соль (почему?). Составляем другое уравнение реакции и на его основе проверяем, действительно ли соль кислая, и вычисляем ее массу: NaOH V == 1 МШЬ М - 40 г/моль + SO. NaHS03 V = I моль л/ = 104 г/маль = 22,4л/моль v(NaOH): v(S02) =1:1; I : 1 = 0,5 : 0,5; x'CSO,) = __ — = 0,67 моль; ^ 22,4 Л моль 0,67>0,5, следовательно, SOj в избытке, соль—кислая. Это значит, что последующие расчеты следует производить по едкому натру, поскольку он прореагировал полностью. 33 2) Какова масса образовавшейся соли? т - М • v; /«(NaHSO,) = 104 г/хюль-0,5 моль = 52 i. Ответ: /«(NaHS03) = 52 г. Второй способ !) Какое из исходнььх веществ в избытке, если образуется средняя соль? 20 I 15 л 2NaOH + SO2 = V = 2 моль V = 1 моль л/ "= 40 г/моль V„, = 22.4л/мо.|Ь ш = 80 I У = 22.4 л Na2S03 + up I1j уравнения реакции видно, что 80 г NaOH полностью взаимодействуют с 22,4 л SOj, а 20 г NaOH —с х л SO2, слсдои1Тсльно: 80 : 20 = 22,4 : л", X = 20 г 22,4 л 80 г = 5,6 л (SO2) Согласно условию хиачн пропускай 15 л SO2, а njxD-рсаги1ювало лишь 5,6 л. Значит, оксид ссры(ТУ) взят с избытком. Это означает, что образовавшаяся соль кислая. В таком случае необходимо составить друтос химическое уравнение и на его основе проверить, действительно ли образоишась кислая соль: NaOH -ь SO. = NaHSO. V = 1 мочь л/ = 40 г/моль = 40 г т \> = I МОЛ1. = 22.4 |7моль V = 22.4 л Л/ = 104 г/моль т = 104 г 40 : 20 - 22,4 : а“. X = 20 г • 22,4 л 40 г = 11,2 л (SO2) Соль кислая NaHSO,, и в данном случае SO2 в избытке. 2) Теперь можно вычислить массу образовавшеиез: соли. Вспомните, что расчет следует производигь по всшсству, которое прорсагиров:ию полностью, то есть по гидроксиду натрия NaOH. 34 уравнение ^х^акцин показывает, что если взаимодействует SO, с 40 г NaOn, то образуется 104 г соли NaHSO-„ а если SO2 imuMoaeiicTBye'r с 20 г NaOH, то —х г соли 111Л1юсульф1Гга натрия NaHSO^ 3f) г ■ KW I' 40:20 = 104 :а-; х = - ^ = 52 г (NaHSO,) 40 г Ответ: /w(NaHSO-.) = 52 г. Задания для самоконтроля 29. В раствор, содержащий гидроксил бари>1 массой 350 г, iti>oiiycTn;iH oKcuii ссры(ГУ) обтлмом 44,8 ji (н. у.). Какая соль образовалась в jxjayjib'raTc реакции и како«за ее масса? 30. Смеш^ыи оксид кальиия массой 300 г и оксид ссры(М) массой 400 г. Какие вещества остапись после [Х^акиии и какова их масса? 31*. Оксид ссры(ГУ), иолучспиый в результате сжига1шя серо-1и)до1Х)ла обт^смом 44,8 л (и. у.), пропустили через 0,5 л раствора елкою натра с массовой долей NaOH 25 % и плотностью 1,28 г/см . Какая соль образовалась? § 6. СЕРНАЯ КИСЛОТА с'ерная кислага HjSO^j (безводная, 100 %-ная) —тяже-чая бесцветная маслянистая жидкость. Плотность се концентрированного раст1юра (b(H2SO,j) = 98 %) при стандартных условиях 1,84 г/см\ Она нелетуча, запаха нс н.мсст. Чрезвычайно гигроскопична. Активно поглошаег влагу. Смситвается с водой в любых соотношениях ^*астворсннс еерной кислоты в воде сопровождается вьщелением большого количества теплоты, что может привести к закипанию воль1 и разбрызгив41нию кислоты. (.’ерная кислота —едкая жидкость, поэтому необходимо и {()сгать попадания ее иа кожу и одежду. А если это случится, необходимо быстро смыть СС большим КОЛИЧССТ1ЮМ впчы, после чего нейтрализовать раствором соды и снова LMi.m. водой. Мес>б\одимо помнить следующее правило: 35 нельзя воду приливать к концентрированной серной кислоте! Для разбавления необходимо кислоту приливать небольшими порциями к воде Химические свойства серной кислоты во многом зависят oi 'ce концентрации. В лабораториях и в промышленности применяют разбавленную и концентрированную серную кислоту, хотя такое деление несколько условно. Разбавленная серная кислота проявляет все химические свойства, характерные для кислот4 1. Изменение цвета индикатора. Вспомните, какой цвет приобретают известные вам индикаторы в кислой среде. 2. Диссоциация кислоты. Серная кислота двухосновная, относится к сильным ююлотам. В водных растворах она диссоциирует на ионы по двум ступеням (по первой — практически полностью): ^ + HSOj — гидросульфат-ион ^ Н' + S04~ — сульфат-ион I ступень H2SO4 II ступень HSO4 Поэтому в процессе нейтрализации растворов ccpHoii кислоты H2SO4 образуются два ряда солей: средние соли — сульфаты и кислые соли —гидросульфаты. 3. Взаимодействие с основаниями. Если в пробирку с разбавленной серной кислотой добавить две-три капли фиолетового лакмуса, раствор окрасится в красный цвет (кислая среда). Затем в эту же пробирку будем доливать по каплям раствор пщроксвда натрия до тех пор, пока содержимое пробирки нс станет фиолетовым (нейтральная среда): 2NaOH -ь Н,80л = Na,SO^ + 2НоО 2 моль 1 мсхль Сульфат натрия Но если же раствора щелочи не хватит для нейтрализации всей кислоты, то в результате образуется кислая соль: NaOH + H2SO4 = NaHS04 -ь Н2О 1 маль 1 моль Г'идросульфат натрия Следовательно, пщросульфаты образуются тогда, когда кислота берется с избытком. 36 Большинство сульфатов хорошо растворяются в воде. Малорастворимым является сульфат кальция CaS04, еще меньше растворяется сульфат свинца PbSO^ и практически нерастворимым является сульфат бария BaS04 (см. таблицу растворимости). 4. Взаимодействие с оксидами мепгаллов. Серная кислота реагирует с основными и амфотерными оксидами, образуя соли, например: MgO + H2SO4 = MgSO^ + Н2О ZnO + H2SO4 = ZnS04 + H2O 5. Взаимодействие с солями. Серная кислота сильная и нелетучая, наиболее устойчивая из известных минеральных кислот. Она может вступать в реакцию обмена с солями, (образованными более слабыми или летучими кислотами и даже сильными ююлотами, если они менее устойчивы: Ыа2СОз + H2SO4 Na-iSO^ + СО-) Т + НоО 2KNO3 + H2SO4 = K2SO4 + 2HNO3 Т 2КСЮ4 + H2SO4 = K2SO4 + 2HCIO4 BaCl2 + H2SO4 = BaS04 i + 2НС1 Т Последнее уравнение отображает качественную реакцию на серную кислоту и сс соли, поскольку образуется нерас-мморимый в воде сульфат бария BaS04. Серная кислота мож<гт взаимодействовать со своими солями — (улы|к1гами. При этом средние соли—сулыраты превращаются в кислые сани —I идрсюулы^аты: N3250^ + = 2NaHS04 ♦ Вес реакции, ^^равнения которых приведены в пункте 5, являются реакциями ионного обмена. Напишите их в полной и еок1)ащенной ионных формах, за исключением последнего. Лабораторная работа 2 Определение сульфат-ионов в растворе Налейте в одну пробирку немного разбавленной серной кислоты, в другую — раствора сульфата натрия, в третью — раствора нитрата натрия. К каждой пробирке прилейте не-( копько капель раствора хлорида бария (или нитрата бария). 37 Что наблюдается? К белому осадку, образовавшемуся в двух пробирках (почему?), добавьте по несколько капель разбавленной азотной кислоты Если осадок не растворяется, то это — сульфат бария EaSO^. Он свидетельствует о том, что растворы в этих пробирках содержали ионы S04~. Напишите уравнения выполненных реакций и изобразите их в полной и сокращенной ионных формах. Слсдот1Тсльно, о присутствии в растворе серной кислоты или сс солен можно еудить на осно1шнии образования белого осадка BaS04, который практически нс растворяется ни в воде, ни в азотной кислоте. Таким образом, 1юактивом на сулы}>эт-ионы SO]~ елужат ионы бария Ва^'*': Ва2‘ + SO^“ = BaSO^ i 6. Взаимодействие с металлами. Разбавленная серная кислота взаимодействует с активными мет^плами, например. с магнием, цинком, железом с выделением водо[юда: Mg + H2SO4 = MgSO^ + Н21 Zn + H2SO4 = Z11SO4 + И21 Fe + H2SO4 = FCSO4 + H, t Малоактивные .металлы (медь, серебро, золото и др.) с разбавленной серной! кислотой не реагируют. Концснтрирошшная серная кислота—сильный окислитель. Она может взаимодсйство1К1ТЬ с малоакгивными мс-тылами, например с медью; о т. i-2 .4 Си + 2ICSO4 = C11SO4 + SO, t + 2НоО окислсиие Си-2е - Воссганоиитель 2 Си •6 _ iKKCTauoR'icHMc +4 S + 2е-------------------> S Окис.1Кгель 2 ! I 38 Обратите !Ш11Манис: при взаимодействии концентриро-haiiHoii ccpHOii кислоты с дкитоактивными металлами вос-c ianananiiacTCJj нс водород кислоты, а сера, поэтому газооб-ра}ный водород Н2 нс выделяется! При пзаимолсйствии с акгивными мстагшами —иинком. магнием и др>|||ми - коицептрироиапная серная кислота восстанавливается чаще всею до сероводорода H,S: 4Zn + 5H7SO4 = 4ZnS04 + H2S t + 4H2O С железом KOHUcHTpnjXDiiaHHaii серная кислота (массовая /юля H2SO^ свыше 75%) нс в.з(шмолсйствует. Это позволяет Ч))аиить и nepcBOjTiTb се в стальных цистернах. Применение серной кислоты и сульфатов. Серная кисло-ia—важнейши!! продукт химической промышленности. Ома в огромных количествах применяется в произ1Юдствс MiiHcpiUlbHbix удобрений, волокон, пластмасс, красителей, взрывчатых веществ, в мецылургии при получении меди, никеля, урана п других металлов. Применяется также как осушитель газов. С(х:дн сульфаДов большое практическое значение имеют медный и железный купоросы C11SO4 ■ 5Н2О и l\'S04 • 7Н2О. Они используются в сельском хозяйстве для (юрьбы с вредителями растений, в произшдствс красителе!!, чля п^xэпитыыiния Д|эевссины как антисептическое средство. Купоросы —техническое название кристаллогидратов сульфатов некоторых тяжелых металлов. ( лсдоштсльно, купоросы—это соли серной кислоты, кристхчлы которых содержат крнст;итлизац1!онную воду. В «киовном это соли железа, меди, никеля, кобальта и ц!шка. I line C'aSO^ • 2Н2О к Kynojxx/ам не относится, поскольку кальции не является тяжелым мстхтлом. I ипс СаЗОд - 2Н2О —кристаллоп1драт сульфат к/шьция — ючиотак же, как и безводн1>1Й сульфегг кальция OaSO.i псполь-IVIOI в ст|юитсльствс, медишшс и других отраслях. ('улы1>ат натрия NajSO^ применяют в произволстве стс-к'1.1. Он входит в состав природного минерала 39 N02804- 1ОН2О —глауберовой соли, используемой в медицине как слабительное средство. Сульфаты калия K2SO4 и аммония (N1^4)2804 применяют как удобрения. Сульфат бария Ва804 используют в производстве бумаги, резины и белой минеральной краски, а также в медицине для рентгеноскопии желудка («бариевая каша»). Задан1/я для самоконтроля 32. Охарактеризуйте физ1тческие и химические свойства серной КИСЛ01Ы. Напишите соответствующие уравнения реакций. 33. В чем состоит сходство и отличие свойств серной и соляной кислот? Назовите прщшны сходства и отличия. 34. Серную кислоту нейтрализуют раствором гидроксида кальция. Как пойдет процесс нейтрализации при избытке: а) гидроксида калышя; б) серной кислоты? Напишите соответ-етвующие уравнения реакций и укажите названия образовавшихся солей. 35. Чтобы получить кислую cojuj — 1'идросульфит натрия, с едким натром массой 20 г должен прореагировать оксид серы(ГУ) объемом (н. у.) (а) 11,2 л; (в) 33,6 л; (б) 22,4 л; (г) 44,8 л. 36. Напишите >раииеш1я реакций, с помощью которых можно осуществитъ следующие превращения: H2SO4 i ZnS SOn KHSO3 37. В одной пробирке содержш'ся раствор серной кислоты, в другой — соляной. Как их распознать? 38. Для получения оксида углерода(1\0 на карбонат кальция действуют соляной кислотой. Почему для этой цели нельзя использовать серную кислоту? 39*. Как осуществить следующие преврапгсния: S -> SOo -> PbS J SO3 Na2S04 H2SO4 ^ Fe2(S04)3 NaHS04 ? Напишите уравнения реакций. 40 40*. Напишите уравнения реакций, с помощью которых мож-I ю осуществить атсдующие превращения: S FeS -> H2S SO2 Na2S03 Na2S04 -> BaS04- 41*. Опредслоте массу раствора хлорида бария с массовой долей BaCl2 10 %, необходимого для осаждения сульфат-ионов, содержащихся в 5 г раствора сульфата натрия с массовой долей Na2S04 6 %. Определите массу образовавшегося осадка. 42*. К раствору сульфата меди(П) массой 62 г с массовой долей CUSO4 5 % добавили раствор хлорида бария массой 31,2 г с массовой долей BaCl2 20 %. Оеддок отфильтровали. Какие вещес-1IW содержатся в фильтрате? Определите их массу. § 7. ПРОИЗВОДСТВО СЕРНОЙ КИСЛОТЫ Наиболее современный способ получения серной кисло- 11.! в промышленности — контактный. В качестве сырья используется пирит FeS2 (железный, или серный, колчедан). Первая стадия процесса — обжиг колчедана и получение диоксгща серы: 4FcS2 + 1102 = 2Рс20з + 8SO2T; АЯ= -13476 кДж. '•>1от процесс осуществляется в колчеданных печах, из которых выходит обжиговый газ. Он содержит, кроме диоксида серы SO2, еще кислород, азот, водяной пар и другие и|)имсси. Обжиговый газ очищают, высущивают и подают иа следующую стадию производства в контактный аппарат. Ипюрая стадия — окисление диоксида серы и получение [риокетша серы: v,o 2'^5 2SO2 + О2 2SO^, АН = -197,9 кДж. Окисление происходит в контактном аппарате в присут-сгвпи катализатора и при высокой температуре. 11о вы можете спросить, зачем применяют высокую темпера гуру, если реакция экзотермическая. Мы ведь знаем, •но согласно принципу Ле Шательс смещению равновесия и сторону образования SO3 будет способствовать низкая icMHcpaiypa и высокое давление. 41 Это справедлшо, но деле в том, что высокое давление применить почти невозможно, поскольку SOj сразу же перейдет в жьдкое состояние. И низкие температуры применить нельзя, потому что скорость рсакшш станет нсдоста-ючной. Поэтому и пзименяют катализатор оксад в^ша-дия(У) VjO^, чтобы ускорить процесс. Но катишзатор сам становится активным лишь при 450 “С. Вот почему, несмотря на экзотсрмичн'ость [зеакдии, используется дополнительное HarpeiiaHiie. Теплоту, выделяемую в процессе реакции, отводят и используют для нагрс1И1Н11я обжигового газа, который, проходя 4qDC3 сложную систему очистных сооружений перед поступлением в контакгный аппарат, успевает охладиться (см. схему производства серной кислоты на с1юрзаце). Следовательно, процесс окисления SO2 в SO- осуществляется сложно, поскольку эта реакция обраш.мая и экзотермическая. Условия сс осуществления определяются в основном согласно принципу Лс Шатсльс. • CclxjpNtyjiHpyi-ne иршшип Ле Шательс так, как вы его понимаете. Какие \ч;ло»ия окисления SO2 в SO3 cjrenycT соблюлагь, чтобы увеличить 1Л1ХОД оксил,а cepu(IV)? Обоыцчггс эти условия. Третья стадия производства—поглощение оксида ссры(У1) и образование серной кислоты H2SO4. Образовавшийся в контактном аппарате т1)иоксид серы SO3 пост^щает в поглотитсльнукт башню—абсорбер^, где поглощается концснтриро1ынпо1« серной кислотой (массо-1Я1Я доля H2SO4 96—98 %). В абсорбере SO3 взаимодс!!-ствуст с водой, содержащейся в концентрированном растворе cepHoii кислоты, образуя безводную, 100%-ную серную кислоту, называе.чтую моногидратом: SO3 + Н2О = H2SO4; ДЯ- -130,6 кДж. Чистой водой поглощать триокшщ серы SO3 нельзя, поскольку образуется очень устойчивый «туман» из мельчайших к:шель серной кислоты, который плохо конденсируется. Аосориция (от лаг. ahsorpHo — поглощение) — иоиющеиие газов а-ти жидкосгсп всем объемом (а по поверхнгк гыо) другого веигсатга. 42 Конечный продукт производства—омум (распюр окси-la ccpbi(VI) в моногпдразе). Его разбавляют 1ЮД0Г1 до cepHoit кислоты нужной концентрации. ' ОЗьясите, как следует, исходя из концешрировштной серной кислогы, иолучшъ се разбанлеиный раствор. Обосггу'йте ЛС11СТВИЯ, исобходихшс при этом. Охрана труда и окружающей среды в производстве серной кисдоты. Защита биосферы от загрязнения выбросами \пм1гчсских производств — шжнейшая проблема сов|х;мен-шкти. В производстве серной кислоты могут быть потери некоторого количества диокегша и триоксгща серы (SOj и .SO-,) и шлброс их в атмосферу, что вызглваст кислотные южди. Они способствуют повышению кислотности почв и снижению урожаев, повышению кислотности водоемов и пгбелн их обитателей. Кислотные дожди вызывают корро-нио металлов, разрушение лакокрасочных покрытий. Под их 1уби1сльным действием розруопаются строительные материалы, памятники архтсктуры и пр. Чтобы предотвратить образование кислотных дождей и «|<к‘С11Счить охрану здоровья работников, стараются нс шиускать выбрасывания оксида ccpbi(IV) SOj в атмосферу и в цеха завода. С этогг целью сгюсврсменно ремонтируют аппаратуру, устанавливают филыры, поглотители, вентиля-IHIK), строго пргщсржшдгются технологического режима, используют срсдстш индивидугшьной защиты работающих, < 1игершснствуют и авто.матизируют п^юизводственные процессы, герметизируют оборудование и аппаратуру, внедряют ириицип бсзотходности и эффективные методы очистки от-холяших газов. Из них теперь уланлишгют SOj и снош воз-пращают его в п^юнзводстгю. Используют также .методы по-.'|\чсн11я ценных побочных продутогов из промышленных < и ходов. Над проблсмогг полной утилизации ‘ и переработки отходов 11|)Оизводства серной кислоты сегодня трудятся инженеры и техники. Дело в том, что рсапизацня принципа безот-чодкости даст возможность нс только существенно увсли-чии> выход кислоты, повысить эффективность производ- тшюация (от лат. utUis U.IIIIIC 0|ХОЛО){. полезмыи) — целесообразное использо- 43 ства, но и охранять здоровье люден и чистоту окружающей среды. Задания для самоконтроля 43. Напишите уравнения реакции, происходящих в процессе промышленного получения серной кислоты. Обоснуйте оптимальные условия их осущеетвтсния. 44. Объяените термины «моногидрат» и «олеум». 45. Как вы думаете, почему перед посчуштением смеси газов в контактный аппарат ее тщательно очищают. 46*. Какую массу моногидрата можно получить из 5 т серного колчедана, массовая доля серы в котором 45 %? 47*. Вычислите массу раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 20 %, который можно получить из 50 кг олеума с массовой долей SO-i 10 %. § 8. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ НА ВЫХОД ПРОДУКТА В основе производства серной кислоты (и любого другого хи1у1ико-технологического процесса) лежит химическое превращение веществ—химические реакции. Их сущность выражают химическими уравнениями, которые составляют на основании закона сохраненш! массы веществ. • Сс^юрмулируйтс закон сохранения массы веществ и объясните его сущность с точки зрения атомно-молекулярного учения. Знание закона сохранения массы позволяет не только составлять уравнения реакций, но и производить на их основе расчеты, в том числе вычислять выход продукта. Выход продукта — важный показатель эффективности производственного процесса. На его основании делается вывод о полноте использования сырья и пр. Дело в том, что в реальных производственных условиях из-за обратимости многих ргсакций и производственных потерь выход продукта реакции всегда меньше того, который должен был бы получиться в соответствии с уравнением реакции (на основании 44 {акона сохранения массы). Следовательно, практический выход продукта всегда меньше, чем теоретический. Выход продукта —это отношение фактически полученного продукта к максимально возможному, вычисленному по уравнению реакции. Выход продукта выражают в частях единицы или в процентах. Обратите внимание; для решения задач на выход п^юдукта не имеет значения, как его вычислять—по отно-«иснию масс, объемов или количества вещества. Во всех )тпх случаях будет навдено одно и то же значение искомой величины. Рассмотрим конкретные примеры. Задача 1. Из 320 т серного колчедана, массовая доля серы в когором 45 %, получена серная кислота массой 405 т (в пересчете на безводную). Вычислше выход серной кислоты. Дано: т (FeS2) = 320 т w(S) = 45 % = 0,45 _m(H^4) = 405 т выход (H2SO4) = ? {. Вычисляем массу серы, содержащейся в 320 т серного колчедана: /w(S) = 320 т - 0,45 = 144 т. 2. Находим массу серной кислоты, которую можно было бы получить теоретически из 144 т серы: H2SO4 Л/ = 32 г/моль т = 32 т М — 98 г/моль /п = 98 г Между серой S и серлой кислотой HjSO^ (по количеству олемеита серы) существует взаимно однозначное соответствие, которое будем обо-тлчать знаком <—>. 45 Запись показывает, 'по 32 г (32 кл', 32 т) серы соответ-стзуют 98 г (98 кг, 98 т) cepHoii кислоты, а 144 т серы — А' т серной кислоты, следовательно; п1(ЩЬО^)= - = 3. Находим выход серной кислоты. Мы видим, что тсореппюсю! можно было бы получить 441 т серной кислоты, но фактически полу^чено тоЛ!>ко 405 т. Следовательно, отчошснис массы практически полученного продукта ь. тсо|хтнчески возможной массе и будет выходом продукта; выход (H2SO4) = = 0,918, или 91,8 %. Ответ; выход серной кислоты равен 91,8 %, Задача 2. Вычислите массу оксида серы(1У), получаемого из ! т серного колчедана с массовой долей серы 45 %, если 1ШХОД SOj равен 98 %. Дано; wlFcSj) = 1 т = 1000 кг u;(S) = 45 % = 0,45 выход (SO2) = 98 % т (SO2) = ? 1. Находим массу серы, содержащейся в 1 т колчедана; w(S ) = 1000 кг • 0,45 = 450 кг. 2. Находи.\! .массу SO,, которую можно получить теоретически из 450 кг серы; <—-> SO-, М =32 г/молг> т = 32\ Л/ = 32 + 32 = 64 г/моль m = 64 г Теоретически полу'чается, что из любой .массы серы S обрзазуется вдвое больше диокевда серы SO2, а это значит, что из 450 кг S может образоваться 900 кг SO2; 32 кг S 450 кг S 64 кг SO, - X X = 900 кг (SO2) 46 3- Находим массу диоксида серы SOj, которьп! образо-IKL3CSI фактически. Гсоретичсски!! выход SO,, составляющий 900 кг, принимаем за 100 %, пли за единицу, тогда практический выход, который мы ищем, составляет 98 %, или 0,98, отсюда: /7/(80,) = 900 кг • 0,98 = 882 кг. Ответ: масса SO2 при выходе 98 % сосгаазяст 882 кг. Задания для самоконтроля 48. Вычислите массу Gcanoanoii серной кислоты, которую можно бьию бьг полу’шть из 800 т серного колчедана с массово/! долей серы 45 %, если бы выход кис-югы был стоироцекгным. 49. Из 100 т серного колчедана с массовой долей cepi>i 48 ^ получают 132,3 т серной кислоты. Нашцпе выход кислоты. 50. Вычиелте выход ссрно/i кнелогы, если из 800 з серного колчедана с Maccoiioii долей серы 46 % получили ее массой 1000 т. 51. Какош! масса сожженной серы, если в результате получен токсид серы объемом 89,6 м' (н. у.), чго составляет 80 % от тсо-регически возможного выхода. 52*. Вычиелте массу растгюра серной кислоты с массовой юлей H2SO^ 80 9с, ко'горы// можно нолучть, исно:[ьзуя 2 кг руды, содержащей иирггг и примеси. Массовая доля примссс/i в р\дс состаззляст 40 %. Выход кислоты из рудь( равен 90 АЗОТ И ФОСФОР § 9. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АЗОТА И ФОСФОРА Исторические сведения. Открытие азота приписывают шотландскому учсно\ту Даниэлю Резерфорду, который в 1772 г., исследуя часть воздуха, оставщуюся под колоколом, 1ДС нсскачько дней жила .мышь, установил, что этот «воздух* не поддерживает ни дыхания, ни горения. Резер-<|юрд считач, что он насыщен флогистоном, и назвал его V51д<чи 1ТЫМ воздухом»>. 47 Почти в это же время азот получили К. Шееле, Дж. Пристли и Г. Кавендиш. Однако все эти известные ученые бьши убежденными сторонниками теорир! флогистона и с ним связывали свойства «ядовитого воздуха». Только А. Лавуазье, который последовательно вел наступление на флогистон, в 1776 г. исследовал этот газ и доказал, что он — простое вещество, а со временем и предложил для него название азот, что значит «безжизненный» (от греч. «аь —отрицание и «зое» —жизнь). Фосфор бьы открыт в 1669 г. Хеннингом Брандом, алхимиком из Гамбурга, который стремился найти философский камень, с помощью которого старые люди будто бы молодеют, больные выздоравливают, а неблагородные металлы превращаются в золото. Во время одного из опытов X. Бранд выпарил мочу, остаток смешал с углем и песком и продолжал выпаривание. Вскоре в колбе образовалось вещество, обладающее способностью светиться в темноте (фосфор—от грсч. светоносный). Азот и фосфор —типичные элементы V группы периодической системы, входят в состав главной подгруппы. • Вспомните строение атомов азота и фосфора на основании их положения в периодической системе и запишите схемы строения их атомов и электронные формулы. Электронное строение. Электронные формулы азота 15^25^221 и фосфора показывают, что в их ато- мах на внешнем электронном слое содержится по 5 электронов. В атоме азота они расположены на орбиталях следующим образом: ,N /7 = 2 и Степень окисления азота в соединениях может быть от —3 (когда атом оттягивает 3 электрона от атома менее электроотрицательного элемента) до +5 (когда I, 2, 3, 4 или все 5 валентных электронов оттягиваются к атомам более элек-т|юотрицательного элемента, чем азот). 48 • Напишете (1х)рм>'лы соедш1с1Т1ш азота с водородом и кислородом, где азот проявляет рахтичные степени окисления, и в КХ1ЖДОМ случае o6bHCHtne, чем обусловлена данная степень окислею1я азота. Атом фосфора имеет подобное электронное строение внешнего электронного слоя; W = 3 основное состояние атома Отличие заключается в том, что в атоме фосфора на внешнем электронном слое имеются свободные fi-орбитали, что дает возможность ему переходить в юзбужденное состояние (сравните с серой): п = 3 возбужденное состояние атома В соответствии с числом неспаренных электронов в основном и возбужденном состояниях атом фосфора в соединениях может проявлять степени окисления -3, +3, +5. Напишите формулы соединений фосфора с водородом и кислородом, где ({юсфор проявляет рахптгные степени окисления, и обьясЕИтге, чем они обусловлены. Как вы можете объясни'гь тот факт, что для атома азегга возбужденное состояние невозможно? Поче\Еу? Элемент азот в свободном виде существует в форме н|Юстого вещества —азота. Молекула азота двухатомна N2. Люмы азота объединяются друг с другом при помощи трех шсктронных пар и образуют прочную тройную связь (три коыЕлентные связи): :n. + .n: -> :n = n: Физические свойства. При стандартных условиях азот — пи без цвета и запаха. Молекулы его неполярны, поэтому 49 межмолекулярное взаимоде|'|ствие между ними выражено слабо, оно не может помешать их хаотическому движению. Этим объясняется rajoo6pii3Hoe состояние азота при стандартных условиях. В этом же причина того, что азот сжижается (—196 “С) и зат1юрдевает (—210 °С) при очень низких температурах. В TBepaovi состоянии имеет молекулярную крист:1ллическую решетку. Неполярностью молекул азота объясняется его низкая р^ютшри.мость в воде (в 1 объеме воды при 20 “С растворяется 0,0154 объе.ма азота). Он немного лепс 1юздуха: масса 1 л азота равна 1,25 г. Химический элемент фосфор, в отличие от азота, образует несколько простых веществ, которые заметно различаются по своим свойствам. Это—белый, красный и черный фосфор. Белый фосфор—мягкое кристаллическое вещество, в чистом виде совсем бесцветное н прозрачное, но обычно желтоютого цвета (похоже на воск), летучее, с запахом чеснока, легкоплавкое = 44 “С) и легковоспламеняющееся. Имеет молекулярную кристаллическую решегку, в узлах KOTopoii расположены тетраэдрические молск>'лы 1%. В воде нс растворяется. Расчворяется в сероуглероде С$2 и бензоле. В темноте на воздухе светится зеленовато-желтым светом (люминесценция), при этом В1>1дсляется теплота (химическая энергия превращается в снеговую). Это явление B03HIHCICT в |юзультатс медленного окисленгш. Теплота, выделяющаяся при этом, может расплавить фосфор и вызы1ть его воспламенение. Поэтому (Зельн! фосфор хранят под водой. При HarpciiaHini либо на cijery он пс^хгходит в KpacHian фос^юр. Белый фосфор — чрезвычайно ядовитое вещество, даже в малых дозах (50 мг) действует смертельно! Красный фос([юр — порошок темно-корггчневого до красного и фиолетового цвета, кристаллтгческая решетка аюм-ная (структура еще не до конца выяснена), без запаха, нс ядовитый, на воздухе окисляется лгедленно, в темноте не светится, загорается лишь при 260 °С. Легко поглощает влагу (гпгроскопичны11), но в 1юдс и в сероуглероде CSj не Рис. 4. Строение viaic-ку.ты белого <1х)С([ю^та 50 растворяется. При нагрсшнии без доступа воздуха испаряется, а при охлаждении его паров пе^х:ходит в бсльш фосфор. Черный (1юсфор — встество, похожее па графит, имеет слоистую с ipvKiypy, McTajXTHMCCKuM OjIcck. обладает полупроподниковыми свойс1в;г-\ц|. не ядовитый. Это наиболее устойчивая алло1рогшая форма. Образуется из белого фос<1юра при ллтслыюм иа1т>сианни (200 °С) под oipov!iii,iM глвлеиисм (1220 МПаГ ^ Свойства аллотропов фосфора /V'ljujTjJoiii.i I (1кк(|х)ра Признаки для сра1П1ения Цвет Запах 1всрдость Характер юсютропа I cviiiepaiypa нлавдепия -4 Белый фосфор белый чесночный Красный (^сфор 03 коричневого до <1)иолетового Черный фос<1юр серо-черный без запаха ' V I 1Юскообразнь[и I твердый ' отностелыю мягкий немезахипсскии ме1ал.,птческии ^ 44 “С п.завится только под давлепием, при зехшерату!» t > 280 ”С переходиз в пары белого (|)осфора Растворимость мало в Н,0. хороню в~CS, нерастворимы Реакционная способность С1)СЛНЯЯ Люминесценция Крисзатличссю»я решетка зеленоватое свечение_____^ I молск\лярная | Р, ! Образование фосфором нескольких аллотропных фор.м объясняется различным расположением атомов относительно друг друта в кристаллHMccKoif рсгисткс. В природе азот встрсчаезея как в свободном состоянии, К1К к в связанном. В стюбодном состоянии азот входит в счктав воздуха (объемная доля Nj составляет 78 %, массовая — 75,6 %). Посказъку азот из воздуха мало используется, его запасы в ат.мосфсрс остаются постоянныхти. В составе неорганических соединений ;ыот в небольших количс- 51 ствах имеется в почве. Но в сложных органичесю1х веществах— белках—он входит в состав всех живых организмов, принимая у»тстне в их жизнедеятельности. В отличие от азота фосфор встречается в природе только в соединениях (почему?). Важнейшие минеразы, в состав которых входит фосфат катьция Саз(Р04)2,—это фосфориты и апатиты. Самое большое в мире месторождение апатитов на Кольском полуострове в Хибинских горах. В Украине месторождения фосфоритов встречаются в Пргщнестровье, на Харьковщине, в Черниговско11 и Запорожской областях. Элемент фосфор — важнейший составной элемент организма человека, животных и растений. Среди растений наиболее богаты фосфором бобовые, подсолне^шик и орехи. В организме человека фос()юр выявлен во всех тканях, но особенно в нервной и костной. Он входит в состав некоторых ферментов, содержится в зубах. Фосфор—жизненно необходимый элемент для всех организмов. Задания для самоконтроля 53. Какое место в периодической системе элементов занимают азот и фосфор? Как это связано со строением их атомов? 54. Напишите электрогшую формулу атома азота. В чем сходсгво и отличие атома азота и атомов киаюрода и фтора? 55. Покажите графически строение внешнего электронного слоя атома азша и атома фосфора. В чем вы усмгггриваете сходство и различие между ними? 56. Какие степени окисления свойственны азоту? Как вы это обьясните? Какова валентность и сте1теш> окисления азота в молекуле N2? 57. Какого типа кристшишческая решетка у азота? На основании каких физических свойств азота можно об этом судить? 58. Докажите с помощыо вычислений, ллю азот немного личе воздуха. 59. Вычислите плотность азота по вод01ЮДу. 60. Что такое аллотропия? Охарактеризуйте важнейшие аллотропные формы фосфора. В чем причина отличия 1лх свойств? 61. Как вы думаете, почему азот—газ, а фосфор—TBepi(oe вещество? 62. Сравните аллотропию кислорода и <1юсфора? Что здесь общего и в чем отличие? 63. PacKpoiire физиологическую роль азота и фосфора. 64. В каком виде азот и фосфор встречаются в природе и почему? 52 § 10. ХИМИЧЕСКИЕ свойства АЗОТА И ФОСФОРА Вы уже знаете, что в молекуле азота N2 за счет трех неепаренных электронов каждого из атомов образуется тройная связь: :N::N: n=n Этим объясняется большая прочность молекулы азота. Необходимо затратить большое количество энергии на разрушение связи, чтобы азот стал реакционноспособным. Поэтому молекулярный азот, как правило, вступает в химическое взаимодействие при высоких температурах. Фосфор химически более активен, чем азот. Химическая активность различна у разных аллотропных форм фосфора. Так, наиболее активен белый фосфор. Вы знаете, что он легко окисляется на воздухе и светится в темноте, может самопроизвольно воспламениться. Красный фосфор менее активен. Он окисляется при нагревании. Еще менее активен черный фосфор. В уравнениях химических реакций белый фосфор обычно обозначают форщлой Р4, которая соответствует составу его молекулы. Красную и черную аллотропные формы (})осфора обозначают символом Р. Этот же символ используют, когда форма неизвестна шли может бьггь какой угодно. Это и будет химическая формула фосфора, условная для всех его аллотропных форм. Поскольку азот и фосфор в соединениях могут проявлять как положительную, так и отрицательную степени окисления, их простые вещества в реакциях могут выступать в роли как окислителей, так и восстановителей. Азот и (фосфор проявляют себя в качестве окислителей по отношению к наиболее активным металлам и водо^юду. При этом о N. +6е ^ 2N .Зр 1. Взаимодействие с металлами. Азот и фосфор при на-г|ювании реагирует со мношми металлами, образуя соответственно нитриды и фосфиды: 3Mg + N2 = Mg3N2 3Mg + 2Р = Mg3P2 53 Только с литием азот вза1т\юде11ствуст при обычно!! темпсрату1)с, образуя нитрид лития: 6Li + N2 = 2Li.N 2- Взаимодействие с неметаллами: а) с водородом азот соединяется в присутствии катсшизатора, при высоком давлении и высокой температуре, образуя аммиак: N2 + ЗН2 2NH3, а фосфор с водородом практически нс взаимодействует; б) с кислородом азот соединяется при темпсрату1х: электрической дуги (свыше 2000 °С), образуя оксид азота(П): N2 I О2 2NO Фосфор акгивно взаимоде^ютвуст с кислородом. При поджигании он сгорает в кисло^юдс ослепительно ярким пламенем, образуя оксид фосфора(\^); 4Р 1- 5О2 = 2Р2О5 При медленном окислении образуется оксид фосфо-ра(1П): 4Р + ЗО2 = 2Р2О3 Применение. Азот в больших количесты1х применяется дли пол>'чения аммиака и вля наполнения электроламп (образуется инертная среда). Белый фосфор ишрокого пpи^^cнeння нс находит. Pro используют для получения других Ш1ЛОТ1ЮПНЫХ форм, фосфорных кислот, как боевое зажигательное вещество, а также лля образов:1НИЯ дымовых завес. Красный! фосфор применяют для производства спичек. в 1831 г. фраш^узский изо01к;гатель спичек Шарль Copnd впервые примехии белый фосфор /шя изготовления спичечных головок. Гакие спички легко восппамсиялись при трении о любую поверхпосп). но были ядовиты, вредны д,чя здорош>я и ошсопаспы. Вскоре от них отказ,ъшсь. Современные безопасные спички изобретеш.! в 1855 г. в Швеции. 1юлый (1кк<1юр заменен красным. Он вхо.тт не в состав головки снимки, а в сосчав намазки, которая ианосичея на коробку (вместе с сулм1)Идом сурьмы(111) Sb,S,. железным суриком Ве,0,. примесью кварца SiO, н клея). Головки жс спичек сосгояч 1лавиым образом из бертолетовой соли KCIO,. молотого счекла. серы и Ю|с'я. Во время Т1)ения головки по намазке спичечной коробки красный <|юс<1юр н(К1шамеиястся, зажигает головку. а от нее загорается дерево. 54 Фосфор также npiiMenjjKxr n металлургии. Иепользуют его и для изготовления полупроводников, фое(|юрорганн-чсеких препаратов—ередетв уничтожения наеекомых, вредителей сельскохозяйсттенных культур. Задания для самоконтроля 65. Наииингге уравнения 1х:акций, характеризующих химические ciiOiicTLia азота и (|юсфора. Какое из этих веществ хим1псски более активно и почему? 66. На KiUbunii количсспюм nctuecTiui 1,5 моль при высокой температуре полсйствовал1г азотом количеством вещества 1 моль. Какие вещества и в каком количестве мoжJ[o обнаружшь псх;лс окощгаиия реакции? 67. Вычислше, хватит jni 100 л кислорода (и.у.) Д1Я сжигания 100 г фосфора? 68. Из 5 т фосфаза кальция при выходе прегтукга 90 % от тео-рсппсского можно nojryrirrb фос(1юр массой (а) 0,9 т; (в) 4 т, (б) 2 т; (г> 0.4 т. § 11. АММИАК Строение молекулы. Молекула аммиака NH3 представляет собой dunojib\ общие электронные пары сильно смешены к атому азота (почему?); NH, И: N: н н /t\ н н и Запишите электронные (}>opNf>^H атомов азота и водорода. Покажите 1рафичсски размсгценис эдекфонов на орбшатях и обьясгнгге, KiiKne элскгроны образукуг ковалсгггную связь li молек>'ле аммиака и почему эта связь иолярна. Укажите вален-гность и степень окислсшт азота в амштакс. Физические свойства. Аммиак NH3—бссцвстньп! газ, с |)сзким запахом, намного лепе воздуха, очень хорошо рас-гворяется в воде (при 20 'С в одном объеме воды раство-нястся 700 объемов NHr,), при температуре —33,4 '^С пс|.х;хо- 55 дит в жидкое состояние. Аммиак поражает слизистые оболочки глаз и дыхательных путей. Химические свойства. Для аммиака характерны реакции окисления и присоединения. 1. Окисление аммиака. Аммиак, имея низкую степень окисления азота, равную —3, ведет себя как восстановитель. Восстановительные свойства аммиака прюяв-ляются при горении его в кислороде (рис. 5); 4NH, + ЗОо = 2N- + 6Н2О В присутствии катализатора (Pt) реакция оююления аммиака идет по-другому; вместо свободного азота N3 образуется оксид азота(П) NO; NH3 Рис. 5. Горение аммиака 4NH, ^ 50з = 4NO Т + 6Н2О • Составьте для приведенных уравнений электрошлый баланс, обоснуйте расстановку' козффициег-ггов и докажите, что аммиак в обоих случаях — воесгановитель. 2. Взаимодействие с водой. Аммиак хорошо растворяется в воде, образуя аммиачную воду. Высокая растворимость аммиака объясняется тем, что он реагирует с водой. Если сухую колбу, заполненную аммиаком и закрытую пробкой со вставленной трубочкой с оттянутым концом, опустить в воду, к которой добавлено несколько капель раствора фенолфталеина, то из бесцветной воды начинает б1пгь малиновый «фонтан» (рис. 6). Окр<1шивание аммиачной воды свидетельствует о том, что водный раствор аммиака имеет щелочную о , _ реакцию. Рис 6 Растворсис асшиа- ^ О&ЬЯСНИТЬ? ка в воде 56 в воде концентрации ионов водорода и гидрокеид-ионов ОН~—одинаковы: ЩО + он- поэтому среда нейтрапьна, ц фенолфталеин бесцветный. При растворении аммиака NH3 в воде концентрация гидроксид-ионов ОН“ увеличивается, поэтому образуется щелочная среда, и фенолфталеин становится малиновым. Возникновение щелочной среды объясняется тем, что в растворе молекулы аммиака присоединяют ионы водорода, образуя ионы аммония NH4: NH3 + Н' кш При этом освобождаются из воды гидроксид-ионы ОН , что и обусловливает появление щелочной реакции раствора. Каждый ион аммония NH^ имеет чепяре ковалентные связи. Три из них образуются за счет неспаренных электронов, которые имеются на р-ор6италях внешнего электронного слоя атома азота. Четвертая связь образуется по донорно-акцепторному механизму между атомом азота (донор) и ионом водорода (акцептор): Н I н —N: + I н н I Н —N — Н I н Все четыре связи азот — водород N —• Н в ионе аммония равноценны, несмотря на разлшшые механизмы их образования. Взаимсде11ствие аммиака с водой происходит в соответствии с уравнением: NH3 + Н2О ^ NH3 Н2О NH; + он- Но в FKicTBope только незначшельная часть молекул аммиака превращается в ионы аммония NH4. Поэтому аммиачная 1юда пахнет аммиаком. Ее условно обозначают формулой NH3 • Н2О и называют гидроксидом аммония, или нашатырным спиртом. Он относится к слабым и нестойким основаниям: NH3 ■ ЩО NH3 • Н2О . NH^ + ОН- NH3 Т + Нр 57 3. Взаимодействие с кислотами. Если смочить одну стеклянную палочку концентри^юшнным раствором аммиака, а другую — KOHUCHTpHpoBiiHHOHi соляной клслотой и поднести их одну к друго11, то появляется бельЙ1 дым — мелкие кристаллики хло})Ида аммония (нашатыря): NH3 + на = NH4CI Следоштсльно, аммиак при влшмодсмствии с ктюлотамн образует соли аммония. • Напипгитс урашюиия реактшй между аммиаком и; а) азагиой; б) серной кислота\ш. Ь^кис соли аммония при этом образуюгея? • Что обшего и ОТЛ1ГШОГО между всшесгвами, налвлния Korropf>rx «нашатырь» и «1гашатырный спирт»? Получение. В лаборатории аммиак получают из смеси Т1юрдых 1ЮЩССТВ—нашатыря NH^CI и гашеной извести Са(ОН>2 (рис. 7) по уравнению; 2NH4CI + Са(ОН>2 = Caa2+2NH, t + 2Н2О • Почему ;|дя полу»гсния аммиака 6cpyi сухие вещеетшг, а мс itx растворы? Почему собирают аммиак в 1фобирку, перевсрн>'тую Biicpx дном? Применение. Ашииж — Ш1жньн1 продукт химической п^ю^^ышлcннocти. Его применяют как удобрение и для производств;! азотных удобрений, а также азотног! кислоты, взрывчатых веществ, соды. В качсст1!е хладоагентл axiNtMaK исполь-зукэт в холодильниках. В виде аммлачно!! воды он используется в медицине под пазышнсм «нашатыр-Hbiii сп!цуг». Вдыхание малых доз аммиака стимулирует работу' сердца ц Hcpii-ной системы, поэтому нашатырный спирт дают нюхать при обмо^юках и 58 отравлениях (например, угарным газом СО). Как елабую щелочь аммиачную воду широко применяют в химических лабораториях и в быту; при стирке белья, для выведения пятен, чистки ковров и ювелирных изделий. Задания для самоконтроля 69. Кх1Ковы физические С1Ю1Чства 11ммиака? Как его получают в jraooparopfnjx условиях? Напишите соответс'гвуюшее урависиие реакции. 70. Можно ли еобрать аммиак способом: а) вытесненшг возлу-ха; б) вытеснения шды? Почсм>'? 71. Заишаите электронные ко1и}>И1ураш1И атомов азегга и водорода и объясните, кшатми элскгроггами образуются ковалсьггныс связи в vioj[eK>'jie амштака и почему они иолярны. Какова 1яыеит-иость и какова степень окисления азота в амштакс? 72. Какие реакции аммиака с другими веществами веду! к об-pa30BitHHio ионов аммония*’ 73. В како.м папращ1сиин (с точки цюиия ирмпцииа Ле Ша-тел1>е) смссттггся равновесие реакции аммиака с водоГ! при: а) иа-1ре>яшии; б) охлаждении; в) добаадеиии кислоты, г) лобащ1сиии щелочи? 74. На каталитическое окислсчшс аммиака количеством bcuicc-TTia 2 моль расхо/тустся киcлo^x>д объемом (и. у.) (а) 11,2 л; (в) 28 л; (б) 22,4 л; (г) 56 л. 75. При взаимо;1сйствим (сашатыря с rauicfron известью массой 370 кг выделяется аммиак объемом (н. у.) (а) 11,2м\ (в) 224 м\ (б) 22,4 м^; (г) 448 м1 76*. Прокииятшш 200 г раствора с массовстй долей аммиака в нем 25 %. При этом 20 г аммиака улетучилось. Какой стала массовая доля аммиака в растворе? Оиределите массу xjiopoBOitopoaa, исобхо;шм>то лля его испгрщчизгвши. § 12. СОЛИ АММОНИЯ Соли амхгоиия —это кристаллические вещества с ионным типом связи. В состав солей аммония входят один или несколько катионов аммония и анион кислотного остатка. • Напишите формулы трех со^гей аммония и укажите иаз1кшие каждой из них. 59 Физические свойства. Соли аммония представляют собой твердые кристалличесю1е вещества, которью по внешнему ваду напоминают соли щелочных мет^шлов. В воде хорошо растворяются. Химические свойства. Соли аммония проявляют типичные для всех солей свойства и некоторые специфические. 1. Диссоциация на ионы. Как сильные электролиты соли аммония в водном растворе хорошо диссоциируют на ионы: 2NH.: + sof 2. Взаимодействие с другими солями. Если в пробирку с раствором хлорида аммония прилить раствор нитрата серебра, то выпадает белый творожнетьп! осадок хлоргща серебра: NH4CI + -^gNO, = NH4NO3 + AgCl i • Вы убедились, что соли аммония вступают в реакции ионного обмена с другими солями. Напиппггс привсде1^шое выше уравнение в полной и сокращегаой ионных формах. Вспомните, какие условия необходимы, чтобы реакция обмена между двумя солями произоиыа до конца, то есть бьыа бы практически необратимой. Выдержашд ли такие условия в данном случае? 3. Взаимодействие со щелочами. В результате взаимодействия солей аммония со щелочами образуется аммиак, из-за чего данную реакцию используют как качественную на соли аммония: NH4CI + NaOH = NaCl + NH31 + HjO Выделение аммиака NH3 —характерный признак для распознавания солей аммония. Лабораторная работа 3 Обнаружение ионов аммония в растворе Налейте в пробирку 2 мл раствора сульфата аммония и добавьте столько же раствора гидроксида натрия. Нагрейте жидкость в пробирке до кипения и осторожно понюхайте выделяющийся газ. Поднесите к отверстию пробирки влажную красную лакмусовую бумажку. Что наблюдается? Почему? Напишите уравнения реакций. 60 Следовательно, качественной реакцией на соли аммония является действие щелочей при нагревании с выделением аммиака, который обнаруживают по запаху или посинению влажной красной лакмусовой бумажки. • Докажю^е с помощыо ионного >т)авнения, что гидроксид-ионы ОН” служат реактивом на ионы аммония NH4. 4. Разложение при нагревании: нафевание NH4C1 ^ NH3 + на охлаждение NH4NO3 -> N2O+2H2O Получение. Соли аммония получают в результате взаимодействия аммиака или аммиачной воды (NH3 • Н2О) с кислотами: NH3 + HNO3 = NH4NO3 Лабораторная работа 4 Образование солей аммония К отверстию пробирки с концентрированным раствором аммиака поднесите стеклянную палочку, смоченную концентрированной соляной кислотой. Как объяснить образование белого дыма? Опыт повторите, взяв вместо соляной концентрированную азотную кислоту. Напишите уравнения выполненных реакций. Применение. Нитрат аммония NH4NO3 и сульфат аммония (NH4)2S04 применяются главным образом как удобрения. Нитрат аммония NH4NO3 (в смеси с алюминием и углем) применяют для изготовления взрывчатого вещества—аммонала. Хлорид аммония NH4CI под названием «нащатырь» применяют в процессе паяния для очистки поверхности паяльника. Когда нагретый паяльник опускают в нашатырь NH4CI, то соль раала-шстся (см. выше). Выделяющийся аммиак восстанавливает оксиды на 61 поверхности мечалыа, а хлороюло1ЮД HQ п;чач1модейс1вуот с оксидом меди(П) СиО, покрьплющим поверхность паяльника, в ^х;зультате чего 11оив.'Ь1стся вторил ме/Ш(11) CuCI,. который не препятствует смачиванию мс'пиьта припоем. В резу:1ьтате поверхность паяльника освобождается от оксидов, и расгыавлснпое ачово пристает к очищенной меди. Задания для самоконтроля 77. Какие соли мазыпают солями аммония? Шиигиитс уранис-пия реакции, отражаюших их харакггерные химические сиойст1$а. Укажите специфические с1Ю11спта. 78. Напишите уравнения взаимодействия аммиака с серной кислотой. Учтите, могут образотгп>ся как средняя, так н кислая соли aNLMOHim. Объясните, от чего это зависш'. 79. Карбонат аммония (NH^)2CO^ применяют в когциггерском лслс в качестве pacHyiiiHTc;w теста. На каком свойсптс основано такеж нримеиенне соли? Ответ прошыкхтрнруйтс уравнением реакции. 80- Напишите утзявиепия реакций, с помоидло которых можно осуществить слсдуаошие преврашения; ,2 NHj (NH4bP04 -> NH^ -> NO NOj 81. Ha сульфат аммония Maccoii 33 г iroiieiicTBOBajiii расттюром щелочи. При этом выл,слился аммиак обтлмохч (ц. у.) (а) 11,2 л; (в) 33,6 л; (б) 22,4 л; (г) 44.S л. 82. Иа 6,8 г аммиака нолсйствовщш хлор01ЮЛоро.чом. Полученный хлорид аммония растворили в 200 i' во/1Ы. Массовая долм NH4CI в HOJtyMCHHOM растворе равна (а) 9,7 (в) 21,4 %; (б) 10,7 (г) 53,5 %. 83. Аммиак объемом 11,2 л (н. у.) ироиуспии в раствор, со-держаишй 35 г азонюй кислоты. Определите массы веществ, па-ходяингхея в растворе после окончания рсакнии. § 13. ПРОМЫШЛЕННЫЙ СИНТЕЗ АММИАКА В промышленности аммиак синтезируют in простых пс-шссти—азота N-.ii 1юяо}.юда Н2: N2 + ЗН2 ^ 2NH3, ДЯ- -92 кДж. 4 моль 2 миль 62 При каких условиях осуществляется этот синтез, можно определить на основании уравнения реакции. Но для производства этого мало, поскольку основная задача — нс просто получить аммиак, а пол>т1ть его наиболее экономически выгодным способом. Для этого необходимо выяснить опппшальиые условия синтеза, то есть такие, при которых достигается максимальный вы.чод аммиака и процесс адст с большой скоростью. Обратимся к уравнению реакции. Что оно нам показы-в;1ст? Мы видим, что: i) эта реакция —обратима, следовательно, до конца не доходит, в процессе реакции устанавливается химическое равновесие; 2) pejuauiH происходит между газами с уменьшением объема; 3) реакция экзотермическая, происходит с выделением теплолы. Как же управлять такой реакцией, если, как мы помним, производство аммиака должно быть экономически выгодным? Вспомни.\« теорию, а именно — принцип Де Шатсльс: если система находится в состоянии равновесия, то в П1юцессс действия на нес сил, вызывающих сдвиг равновесия, система nepexoam" в такое состояние, в котором эффект этого влияния ослабс1зает. Исходя из принципа Л с Шатсльс, расс>окдасм так: если реакция экзотермическая, то следует понизить температуру, чтобы аммиак не разложился. Но при понижении температуры скорость реакции снизится. Это, казалось бы, нс важно, поскольку можно применить катализатор. Но ведь известно, что катализатор проявляет свою активность только при нагрс1заиии до оп1>сдслснной температуры. Слсдозяз-тсльно, понижать температуру надо только до определенного предела. Далее обращаем внимание, что реакция между газами идет с уменьшением объема. Значит, равновесие будет смещаться в сторону образования аммиака при условии повышенного давления. Однако даже при очень высоком давлении связать весь азот и водород нс удастся. К тому же применение высоких давлений приводит к утзеличению стоимости оборудования и у1зеличснию затрат энергии на сжатие газовоз! смеси. Слсдоштслыю, приходим к выводу, что необходимо: 63 1) применять не очень большое давление (30 МПа), которое даст возможность сместить равновесие в сгорону образования аммиака; 2) использовать катализатор (губчатое железо с примесями AI2O3 и KjO); 3) повышать температуру (до 450—500 ‘’С). Эти условия считаются оптимальными для экономически целесообразного синтеза аммиака. Реакция происходит в коште синтеза (см. форзац). Колонна состоит из теплообменника (нижняя часть) и ката-лизаторной коробки (верхняя часть), диаметр которой несколько меньше, чем внутренний диаметр корпуса колонны. Следовательно, между катализаторной коробкой и корпусом образуется шель. Холодная смесь азота и водорода поступае1)у в колонну через эту’ шель и прсдотврашает перегрев корпуса. Газовая смесь идет вниз, проходит между горячими трубками теплообменника, нагревается и попадает в катализаторную коробку. Здесь на катализаторе пpoнcxoд^п' синтез аммиака. При этом вьщсляется много теплоты. Горячая смесь аммиака, азота и водорода поступает в трубки теплообменника, поэтому они горячие. Происходит теплообмен, теплота реакции утилизируется — это один из важнейших принципов современного производства. Газ, выходяший из колонны синтеза, содержит только 12—15 % а.ммиака. В таком случае непонятно, почему синтез считается экономически целесообразным. Дело в том, что в дальнейшем в процессе производства используется принцип циркуляции, в результате чего непрореагировавшие азот и водород отделяются от сжиженного аммиака и снова возврашаются в колонну синтеза. Благодаря принципу циркуляции на современных заводах выход аммиака достигает 96—98 %. В Украине первый завод по производству синтетического аммиака вступил в строй в 1933 г. в Горловке Донецкой области. Позднее появились заводы в Днепродзержинске (1938), Северодонецке (1958), Черкассах (1962), Ровно (1965) и пр. В настояшее время продолжается работа по дальнейшему совершенствованию технологии аммиачного производства. 64 Задания для самоконтроля 84. К акпс химические процессы лежат в основе лабораторного и iiixmiuinjjcMMoio способов получения аммиака? 85. Иаюв1гге оптимальные условия промышленного синтеза аммиака. KiiK они согласуются с пршщипом Лс Шателье? Дайте об<х;1Ю1и1ппый ответ, исходя из уравнения реакции. 86. Полшуясь схемой на цветной вклейке, попытайтесь объяс-пить назначение каждого аппарата технологической схемы сингеза аммиака. Поясните принцип действия колонны синтеза. 87. Корпус колонны синтеза аммиака сделан из стагги. Известно, что при высокой температуре и высоком давлении водород и аммиак разр>чиакуг сгаль. Какое инженерное решение позволяет защитить колонну от химического разрушения? 88. Какой объем водо1юда (н. у.) необходим для производс'пш аммиака массой 5 т, если выход аммиака благодаря использованию циркуляции равен 95 %? § 14. ОКСИДЫ АЗОТА И ФОСФОРА Азот с Ю1СЛородом образует пять оксгщов, в которых он проявляет степень окисления от +1 до +5; ^l ‘2 +3 ЩО, NO, N2O3, NO2, N2O3 Различный количественный состав оксидов азота (и различное строение их) обусловливает различие в их cвoйcтв^lx. Все оксиды азота очень ядовиты, за исключением N2O. Из них рассмотрим оксид азота(П) NO и оксад ajoTa(rV) NO2. Оксид азота(И) NO —бесцветный газ, без запаха, в воде не растворяется. Относится к нссолеобразующим оксидам. На воздухе легко окисляется, превращаясь в бурый газ — оксид ii30Ta(IV) NO2: 2NO + 02 = 2NO2 Оксид азота(1У) NO2 — бурый газ с характерным запахом. Отпсюится к солсобразук1Щим (кислотным) оксидам. Хорошо распюрястся в воде, потому что взаимодействует с ней, образуя смесь двух кислот —азотной и азотистой: 2NO2 + ЩО = HNO3 + HNO2 65 в присутствии избьп'ка кислорода в воде образуется только азотная кислота: 4N02 + 2НзО + Оз = 4HNO3 Бурый газ NO2 ядовит, раздражает слизистые оболочки глаз и дыхательных nyreii. Он я1зляется вредным отходом химического производст1Ш. В виде «лисьего хвоста» бурый газ выбрасывается заводами, производящими азотную кислоту, в атмосферу. Он вреден для всего жшюго. В настоящее время найден ряд химических способов борьбы с «лисьими хвостами» и защгггы окружающей среды. Например, оксид азота(Г/), содержащийся в отходящих газах, разлагается с помощью катализатора (шшлад про ванный оксид алюминия) на iiaor и кислород: 2NO2 - Л1,0,. Ptl —> N2 + 202 Этот способ борьбы с загрязнением атмосферы применяется на многих современных предприятиях. Оксид азота(1) N,0 —бесцветный газ с приятым запахом. Ошосится к !Гесолеобраз>т<)Ши\1 оксидам. Под названием «веселящий газ» N,0 применяется в медииипс для наркоза. Не ядовит,- Оксид азота(П1) N,0^ — неустойчивая темно синяя жюткосгь при низких температурах, сблеобразуюший (кислотный) оксид. При растворении в воде образует азотисгую кислоту N2O3 + Н2О = 2HNO2 Лзотис1ая кислота HNO,—слабая одноосновная кис.юта. Ьс соли — нитриты (например, NaNOj"— нитрит наджя) ядовиты. Оксид a3ora(V) N,0.; — белые кристаллы, также солеобразуюший (киаюлный) оксид, взаймодействуст с nofloii с образованием азотной кислоты HNOj: N2O5 + Н2О = 2HNO3 Лзот1Гая кислота HNO,—сильная одноосновная кислота. Ее соли — нитраты (например. NaNO^ — питрач нацтия) также ядовиты. Из ОКСИДОВ фосфора (Р2О5 и Р2О3) наибольшее значение имеет ОКСИД фос(1юра(У). Оксид фосфора(У) Р2О5 —белый мелкокристаллический порошок, очень п1гроскопнчнь[й, поэтому применяется для осушпкшия газов. Представляет собой тишгшый кислотный оксид. Энергично взаимодействует с водо11, образуя 66 |К1 uin'iHbic фосфорные кислоты, в зависимости от соотно-шсмпя II температуры воды: Р-)Ос + нр = холодная 2НРО3 метас}юс<{к)рная кислота Р3О5 + зн.о = 2' юрячая 2Ы3РО4 ортофос(}юриая кислота НРО^ — простейшая <{юрмула, Kcnropoii условно выражают состав мс-|:н|)ос(|юр|1ых кислот с общей формулой (НРО^)^. В данном случае при II ишмолойс'пши OKCH/ia фос<1юра(\/) с халолпой водой иОрааустся гелраме-|.|<|«к<|)ориая кислота: 2Р2О5 + 2НзО = (НРОз)4 • Оксид фосфора(\') и оксид ajcna(V) —типичные кислотные оксиды. Напишите уравнения взаимодействия их с типичными основными оксидами и щелочами. § 15. АЗОТНАЯ И ФОСФОРНАЯ КИСЛОТЫ (1>изические свойства. Безводная азотная кислота UNO,—бесцветная летушя жидкость, с резким запахом, па воздухе «дымит», очень хорошо растворяется в воде, смешиваясь с ней в любых соотношениях. С)ртос1)осфорная кислота Н3РО4, которую обычно называют просто ({юсфорной,—твердое, бесцветное, кристал-иччсскос вещество. Она нелетуча, тоже очень хорошо |мстворястся в воле и смешивается с ней в любых соотно- 1МСНШ1Х. * Химические свойства 1. Действие на индикаторы. 2. Диссоциация на ионы. Азотная кислота—сильный • чсктролнт, в водном растворе практичсскн полностью iHcctnumpycT на ионы; HNO Н’ + NO:^ 67 Фос4кэрная кислота Н3Ю4—электролит средней силы. В водном растворе она диссоциирует ступенчато; НЗРО, .If Н + Н2РО4 ди гидро(}юсфат- ион Н2РО,- ^ + НРО^- щдрос]х)сфат-ион HPOf Н" + РО^- фосфат-ион Суммарное ионное уравнение диссоциации фосфорной кислоты: Н3РО4 ЗН' + РОЗ- Диссоциация происходит в основном по первой ступени, по второй —меньше, по третьей —еще меньше. • Какие кислые соли может образовывать фосфорная кислота с магнием? Напишите формулы тгах солей и укажите их назва-1ИШ. Почему азотная кислота не образует кислых солей? 3. Взаимодействие с оснбвными оксидами и основаниями. В данном случае 11зотная и фосфорная кислоты проявляют свойства, типичные для ююлот. • Напишите уравнения реакцией азотной и фосфорной кислот с оксидами натрия и бария и гидроксидами калия и кальция. • Как, с вашей точки зрения, взаимодействуют азеггная и фосфорная киезоты с амфотерными гидроксидами? Ответ обоснуйте, по;лвердив, где возможно, уравнением реакции. 4. Взаимодействие с солями. Азотная и фосфорная кислоты вступают в реакцию обмена с ограниченным числом солей. Это объясняется тем, что азотная кислота сильная, но летучая, а фосфорная кислота средней силы, но нелетуча. Взаимодействие азотной и фосфорной кислот с солями происходит при условии, что беретслсоль более слабой или более летучей кислоты: СаСОз + 2HNO3 = Са(КОз>2 + COj Т ч HjO 3Na2S03 + 2Н3РО4 = 2Na3P04 + 3SO21 + ЗН2О 5. Термическое разложение. Азотная] кислота при нагревании (и под влиянием света) разлагается с выделением 68 ()\'|юго газа NO2. Из-за этого при хранении она постепенно лслтсст; 4HNO3 = 2НзО + 4NO2 t + О21 При нагревании фосфорной кислоты из нее выделяется iwvia и образуется дифосфорная кислота: 2Н3РО4 = Н2О + Н4Р2О7 6. Взаимодействие с металлами. Азотная кислота реагирует с металлами иначе, чем другие кислоты. Это объясняется тем, что азотная кислота—сильный окислитель. Она окисляет почти все металлы (за исключением золота, IIлагины и некоторых других), превращая их в соли—ни- I |)а I ы. При этом водород не выделяется, потому что восста-навл1н«1стся в ней азот, а не водород. Причем азот восстанавливается тем полнее, чем активнее металл и чем более ра {бавлена кислота. Следовательно, продукты восстановления азотной кислоты могут быть различны. Но концентри-ро1и1Нная кислота при взаимодействии с тяжелыми металлами обычно восстанавливается до NO2. Рели на дно колбы опустить обрезки медной проволоки II прилить к ним концентрированной азотной кислоты (и вытяжном шкафу!), то сразу же начнет выделяться бурый lai NO2, а раствор окрасится в синий цвет: о +5 +2 +4 Си + 4HNO3 = Cu(N03)2 + 2NO2 Т + 2Н2О о Си - 2е *5 N + \е .2 Си ^ N И данном случае азот N восстанавливается до степени мкнелення +4, а медь окисляется. Значит, медь —восстано-ингсль, а HNO3—окислитель. в процессе взаимодействия концентрированной азотной кислоты с ЛК1111111ЫМИ металлами (щелочными и щелочноземельными) образуется iikiiiJi .iwvia(l) N^O, например; 69 о +5 .2 .( 4Qi + lOHNO, = 40i(N03)2 + NjO + 5H2O KOiUl. 0 -2 1 Oi -le -> Ca 2 4 '5 Ц 1 ' 2N + 8c ^ 2N i 8 1 Если же взять разбавленную азотную кислоту, то при взаимодс11СТ1зии с медью* вместо оксида азота(ГУ) NO2 выделяется оксид азота(П) NO: Си + HNO3 -> Cu(NO;.)2 + no t + Н2О разб. • В приведенной схеме реакции расставьте коэффиниеты на основе электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель. Ярко выраженные окислительные свойства азотной кислоты оказывают на некоторые металлы (алю.миний, хром, железо) пассивирующее влияние. Особенно это характерно для концентрированно!! HNO3. Под ее воздействием на по1зерхности металлов образуется очень плотн;1я 311щитная оксидная пленка, устоФшвая к действию ююлоты. Азотная кислота настолько сильный окислитель, что способна окислять различные органические вещества и материалы. Так, при дегютвии концентрированной азотной кислоты воспламеняются солома, бумага, опилки, скипидар (рис. 8). Она разрушает хлопок, разъедает кожу, окрашивая се в желтый цвет и образуя на ней долго не заживающие язвы. Поэтому с азотной кислотой нужно обращаться очень осторожно. киаюте 1^ В(х: пламенен ие в азотной В с;гу’гас вз;1имодсйствия с 11аз0аш1ешюй азотной киаютой акгивных металлов (Са, Mg, Zn) образуются соединения азота низших степеней окисления (N,0. N,. NH,, NH^NO^). 70 Ф(кс}юрная кислота Н3РО4, в отличие от азотной, ою1С-ппсаьныс способности проявляет значительно слабее, поэ-п»му вступает в реакции только с активными мст^шлами, пб|>азуя соль и водород: 3Mg + 2Н3РО4 = Mg3(P04)2i + ЗНзТ <1)<)С(})ат магния —нерастворимая соль, вызывает пасси-иаиик) металла, и реакция прекращается. А в избытке кис-101Ы рсакш!я происходит, но с образованием кислой сопи'; Mg + 2Н,Р04 = Mg(H2P04)2 + Н2Т Применение. Азотную кислоту используют для производ-ежа удобрений, красшелсй, пороха и других взрывчатых вешсств, пластмасс, искусственной пряжи, лекарственных препаратов (стрептоцид), кино- и фотопленю!. Она приме-ПЯС1СЯ и как сильный оююлитель в самовоспламеняющихся ракетных топливах. Фосфорная кислота также используется для производ-I I на удобрений, а кроме того —для производства кормовых |о();нюк, как катализатор в органическом синтезе, для прплания кисловатого привкуса безалкогольным напиткам, а'1я осветления сахара. Задания для самоконтроля Напишите уравнения реакций ко1шсш'риро1иш1ой и раз-t».iiuciiiioii азотной кислоты с серебром. ')(). Привсл1ггс по три способа получения: а) нитрата мсли(И); • >) f|xK<|)aia магния. 91. Папипппс у1зависние реакции между азотной кислогой и 1Н1]>оксидом кальция н выразите его в полной и сокращенной ионных с)х>рмах. 92. Нашшипс уравнения 1х:ак11ий, харакзеризуюнигх химичес-KIU* свойства фосфорной кислоты. 93. Обз>ем оксида азота(П), выделяю! це1тюя в рсзулыатс взаи-\в*к’йс1вмя меди и 2 моль разбавленной азотной кислоты, равен (И У ) (а) .^.б л; (в) 22,4 л; (О) 11,2 л; (г) 44,8 л. происходит также и слелуюпшй процесс; Mg.(PO^), + 4Н,РО^ = 1МкП1,РО^), 71 94. Масса азсугной кислоты, получаемой из 1 г аммиака при 70 %-иом выходе, равна (а) 1 г; (в) 2,6 г; (б) 1,3 г; (г) 3,9 г. 95. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: Р -> Р2О5 НзРО^ NajPO^ ^ Саз(РО^)з -> Н3РО4 96. Какая соль получется, если к раствору, содержащему 4,9 г орто<1юсфорной кислоты, прилить раствор, содержащий 2,8 г гидроксида калия? Вычиачитс массу образовавшейся соли. 97*. В концентрированную азсггную Ki^cncriy помесгили смесь меди с оксидом меди(И) массой 32 г, массовая доля меди в которой 20 %. Какой обч>ем и какого газа выделится при нормальных условиях? Ortpeделите количество вещества соли, обрггзовавшейся при этом. 98*. В1ЛЧИСЛИТС массовую долю ортофосфорной кислоты в раство15с, образовавшемся в рэезультате растворения 71 г оксида фосфора(У) в 600 мл раствора оргофос(1юрной кислоты с массовой долей Н3РО4 85 % и luioTHOCTbio 1,7 г/мл. § 16. НИТРАТЫ. АЗОТНЫЕ УДОБРЕНИЯ Соли азотной кислоты называют нитратами. Нитраты можно получить в результате действия азотной кислотой на металлы, оснбвные оксиды, основания, аммиак и некоторые соли, например: Си + 4HNO3 = Cu(N03>2 + 2NO2 t+ 2Н2О CaO + 2HNO3 = Ca(N03)2 + HjO Mg(OH)2 + 2HNO3 = Mg(N03>2 + 2H2O NH3 + HNO3 = NH4NO3 Ыа2СОз + 2HNO3 = 2NaN03 + CO2 t+ H2O Нитраты образуются также и при взаимодействии оксида азога(У) со щелочами, так как N2O5 —кислотный оксрш: N2O5 + 2КОН = 2KNO3 + Н2О Все нитраты —твердые кристаллические вещества, хо-рощо растворимые в воде, токсичны (ядовиты). Характерным химичссю1м свойством нитратов является их способность разлагаться при нагревании с выделением кислорода и других продуктов. Продукты разложения зави- 72 СИ! or положения металла соли в вытеснительном ряду MCliUL'IOir. левее Mg Mc(N02>„ + О2 Мс20^ + NO2 + О2 Me + NO2 + О2, In сеть соли тпюгх металлов, которые в вытеснительном ряду стоят левее магния Mg, при разложении образуют |1П1|)иты и кислород О2; от магния Mg до меди Си —оксид Mcnuuia, бурый газ NO2 и кислород О2, а правее меди Си — сиободный металл, бурый газ NO2 и кислород О2. • 11.чиш1ште уравнения реаюгий разложения при нагревании шпрагов калия, мели, серебра и ртуги. Лют—один из химических элементов, необходимых /1ЧЯ |юста и жизнедеятельности растенш!. Как правило, 1 одержание его в почве невелико, и растениям не xBiiTaCT .1 inia. Приходится вносить его в почву в виде азотных удоб- Вещества, которые содержат азот и вносят- I ся в почву для повышения урожайности, называются азотными удобрениями. Лютные удобрения делятся на две группы: 1) минеральные удобрения—селитры' KNO3, NaNO,, NlIjNO^, Ca(N03>2; аммония (NH4)2S04; жидкий аммиак NH3, аммиачная вода NH3 ■ Н2О и др.; 2) органические удобрения—навоз, компост^, помет и ic'icMi.ic удобрения (люпин, чечевица, горох, юювер, сера- ( гштро (от лат. sal — соль и nitnm — щелочь) — общее название imi|i.(iuii калия, натрия, аммония, кальция. Компост (ашл., франц. compost от лат. compositus — составной) — 1110C органическое удобрение, получаемое из различных органических III 1.11 КПП а |н:зультате их биологического разложения. 73 ЛИБИХ 1бСТУС (1803—1873) Выдающийся 11смсцю1Й химик, президент Баш1рской Академии наук (ISbO), один из основателей агрохимии. Разработш! теорию минерального питания растений, что способствовало развитию производства минеральных удобрений и внедрению их в зеьиюделие. Смита;! нрииципиатьно возможным синтез любых ахрохимическил соединений. Наряду с зтим допускал существование «жизненной силы». Открыл изомерию (1823). Автор химической теории брожения и 1ниения, один из создателей теории радикалов. Нолхчил многие opiaiiMMecKMe вещества. делла). Помимо азота, они содержат еще другие элементы, необходимые для питания растений. 1| Наука о питании растений и применении ! удобрений с целью повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения ка-; чества урожая называется агрохимией. Огромную 1юль в становлении агрохимии сыграли французский учены1( Ж. Буссенго, исследошшшпн круговорот веществ в земледелии и роль азота в питании растений, и немецкий химик Ю. Либих, который обосновал теорию истощения почв (1840 г.) вследствие выноса питательных веществ растения.ми и показал необходимость возвращения этих веществ в почву в виде минеральных удобрений. Лабораторная работа 5 Ознакомление с образцами азотных удобрений Рассмотрите выданные вам азотные удобрения и запишите в тетрадь их внешний вид. названия, химическую формулу и опишите Нитраты щелочных метатлов, кроме того, применяют в качестве компонентов ракетного топлива и пиротехнических смесей, для производства взрывчатых веществ, стекла, лекарств и для обработю! и консервирования пищевых продуктов. Так, нитрат натрия NaNO^ лри.мсняют (по стро- 74 ВУССЕНГб ЖЛН БАТИСТ (1802—1887) ‘Рракнузский ученый, один из осноыпе-и1» 311ЮХИМИИ. член Парижской /VH (1839). lkc ic;ion;m питание растений. Первым стал 1м\чац, круюворот веществ в земледелии, (мкакы. что все растения (кроме бобовых) ||\Ал<1ются в почвенном азоте, а бобовые «.IMII способны накапливать его. Доказа.,'!, 'По (сиержание углерода в урожае нс связано с I •|‘к рАанием его в навозе и что источником SI к-рода л;|я зеленых рас1сний является угле-мк Н.1Й 1ДЗ воздуха. Изучал газообмен у р.итсний и ЖИВОТНЫ.Х. влияние на развитие p.tcieiiiHi нитратов и ({хюфатов. 10 определенной норме!) для прнготош1ения колбас, ветчины. окорока, некоторых сортов сыра и рыбы. Он восстанав-ижастся микроорганизмами до нитрита натрия NaN02, i.oiopbiii препятствует окислению мяса н способствует ючранснню розового цвета мясных изделий, улучшает вкус t Ы1)0», облагораживает их запах. и домашшгх условиях применение нитратов и шпритов недопустимо. I. IK как даже нс(3олы11ое прсвьннсние нормы этих солей может привести к II. ipvтению ([пункций крови как переносчика кислоро/та и создать уфозу ич жизни. Нтраты вызывают отек ;icikhx, кашель, рвоту и сердечную III юсгаюч1нх.ть. Мтриты. например NaNOj. в желудочно-кишечном тракте образуют |||.коко1оксиЧ11ые вещества, которые поражают печень и вызывают разви-|ш- сюкачсственпьк опутолей. К сожалению, многие люди уже нахо.дятся гюл воздействием лих П1.1И1КОЯЛОВИТЫХ веществ, которые хоть и в iie6o;ii,iimx количест1шх. но нмеюгея в за1ряз11слном юздухс н сигаретном дыму. Нс помешает m iioMinm, о нигритах и друггсх токсических веществах, п^гежде чем закурю и очередную сигаре гу. ( лсдовательно, в сельском хозяйстве, п пищевой про-мытлсмностн с нитратами надо обращаться Г|)амотно; стро-|<> придерживаться норм внесения их в почву, не допускать 11 |()ытка нитратов, чтобы они нс накапливались в овощах, ijipVKiax и других продуктах. Предельно допустимое с>пгоч-IUK' потребление составляет 5 .мг на килограмм .массы тела. Уменьшить КОЛ1Р1ССТВО нитратов можно, если вес овощи, ||'Н)Д1,|, в том числе и цитрусовые, перед употреблением 1щл1сльно мыть горячей водой, после чего яблоки, огурцы чпемиь, а из моркови вырезать сердцевину. Уменьшению нрелмого влияния на организм нитратов и нитритов способ-« туе г употребление витаминов, особенно А, Е, Bq. 75 Задания для самоконтроля 99. Что такое шгц^аты? Как можно их получить? Напиаште соответствующие уравнения реакций. 100. Ччх) представляют собой азотные удобрения? Напишите (1юрмулы и назовите важнейшие из них. 101- Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осушестветь следующие превращения а) оксид азота(ГУ) -> азсугная кислота -> нитрат калия -► нтрет калия; б) N. в) г) -* NO Т NH3 - i NH4NO3 NO; HNO3 -> Ва(Ж)з)2 -> KNO3; NH4NO3 ^ N2 -> NH3 NO NO2 HNO, NaNO 102. Для приготовления жидкого минерального удоб1эен]ля аммиак o6i>cmom 20 л растворили в воде массой 400 г (объем газа приведен к нормальным условиям). Массовая доля аммиака в полученном растворе равна (а) 20%; (в) 7,4 %; (б) 10 %; (г) 3,7 96. 103. В результате нагреваьгая 40 г смеси, содержащей тгграт натрия, получен кисло^юд объемом 4,48 л (н. у.). Массовая доля NaN03 в исходной смеси составляет (а) 30 %; (в) 85 %; (б) 50 %; (г) 95 %. 104. Как осушсств1ггь следующие превращения; ^ NH3 -> N2 NO ^ (NH4)2S04 и ^ NO. ^NH4N03 <- HN03k^ Напишите соответствующие уравнения реакций. 105*. Назовите сосдинщтия х и у и напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить сле;^ующие превращения: а) HNO3 ^ X -► N2O; б) HNO3 у -> N02-Укажите условия прагекания этих реакций. 76 § 17. КРУГОВОРОТ АЗОТА В ПРИРОДЕ Химические элементы, как и вся природа, находятся в жктоянном движении во всех трех оболочках Земли — лигосфсре, гидросфере, атмосфере. Значительную ^юль в происходящих природных процессах играет биосфера —зона существования живых организмов. Вам известно, что азот входит в состав белков и определяет существование растений, животных, вообще жизни на Земле. Азота много в воздухе. Однако непосредственно п I воздуха азот могут усваивать только некоторые бактерии, а все другие организмы способны усваивать азот только в виде соединений. Растения получают азот из неорганических веществ, содержащихся в почве, в вгще ионов NH4 и NO3. В растениях щюисходит синтез белков. Они частично поедаются травоядными животными, и белковые вещества попадают в 1'ис. 9. Круговорот азота в природе 77 ПРЙНИШНИКОВ ДМИТРИЙ НИКОЛАЕВИЧ (1865—1948) Вылаюшийся русский ученый, академик, специалист в области агрохимии. физиологии растений и рас-теписводсгва. Разработал теорию азотного питания растений (1916), научные основы известкования кислых почв, гипсования солонцов, применения минеральных удобрений в земледелии. Доказал, что июратный азот (NO^ только после восстановления до аммиака может быть исполь зован растением для синтетического процесса. Разработал проблему использования фос())оритов непосредственно в качестве удобрений и доказал возможность переработки их на супер(1зосфат. Составил физиологическую характеристику отечсствепиьгх калийных удобрений. Разрабаллвал проблему размещения удобрений в севооборотах, вопросы норм, сроков и техники внесения удобрений в почву, производства сложных Х1инера.лы1ых удобрений. Организм этих животных. В процессе гниения остатков растений и животнььх под штиянием специальных бактерий П|х>исходят сложные биохимические процессы, в результате которых органические вещества, содержащие азот, превращаются в неорганические соединения азота, которые возвращаются в почву. Эти вещества снова усваиваются растениями, и цикл превращений замыкается (рис. 9). Кроме того, во время грозы атмосферный азот взаимо действует с кислородом воздуха, образуя NO, которьй окисляется кислородом воздуха до N<^2 и в конце концов превращается в азотную кислоту (кислые дожди). Последняя с дождем попадает в почву и там при взаимодействии с минералами переходит в нитраты. Связывание атмосферного азота N2 в основном П|эоисхо-дит в биосфере за счет жизнедеятельности клубеньковых бактерий, живущих на корнях некоторых бобовых растений (клевера, люцерны, люпина и др.). В природе происходят и обратные процессы: одновременно осуществляется разложение азотсодержащих веществ и выделение свободного азота в атмосферу (тоже работа специальных б^гктсрин). Превращение азота органических веществ в свободный азот происходггг и во время лссньтх пожаров. 71 liJlACIOK ПЕТР ЛНТИПОВИЧ (1905—1980) Иillccтllьrй украинский ученый, академик. 11юииал|1ст в области агрохимии, физиологии |).1С1сннй. почвопедсиия. Родился на Черкас-шиие. закончил Уманский, затем Ленинградский (Санкг-Петсрбургский) сеЛ1к:кохозяй-U пенные инсткгуты, с 1931 г.— профессор Vncihckoit) иистгпуга. С 1947 по 1956 г.— про-(licccup Киевского университета им. Т. Шевченко, :»агем — председатель Отделения ccwib- I ко\(13яйс п5еиньь\ наук ЛН Украины. Работал в 1111И сахарной свеклы. Институте богганики ЛИ Украины, свыше 20 лет бьш директором Института физиолшии растений ЛН Украии1я. Исследовал химические 11емснгы, необходимые растениям в микро- и ультрамикродозах, изучал II\ влияние на развитие н урожайность селтлкохозяйственных культур. /1оказал, «по при аммиачном питании марганец в растениях ведет себя K.IK сильный окислитель, а при нитратном — как сильный восстанови-1ель; что марганец как микроачемент способсгвует экономии в процессе <|>отосиитеза, а также отплыву продуктов ассимиляции из листьев к корням. Разработал новые вилы микроудобрсний. Таким образом, в природе постоянно происходят процессы образования веществ из атмосферного азота и разложение этих вешсств до С1юбодного азота, то есть происхо-ип круговорот азота. Собирая у1Х)жай, человек вмешивается в этот процесс, нарушая природное равновесие, обедняя почву. Поэтому и надо nocro^шнo внсх:ить азот в почву в виде азотных удобрений. Вы уже знаете, что изучение вопросов питания растений II повышения их урожайности с помощью применения \';1об1>сний является предметом специальной отрасли науки — агрохимии. Огромный вклад в развитие этой науки имссли французскш! ученьй! Ж. Б. Буссенго, немецкий химик К). Либих II русский ученый Д. Н. Прянишников. § 18. ФОСФАТЫ. ФОСФОРНЫЕ УДОБРЕНИЯ Соли фосфорной кислоты называют фосфатами. Фос-<1юриая кислота Н3РО4, будучи трехосновной, образует три ряда солей —средние соли и два В1ша кислых солей; Na^PO^; Саз(Р04)2 —средние соли —-фосфаты; Na^HPO^ СаНРО^ —кислые соли —гидрофосфаты; NaHjPO^; Са(Н2Р04)2 —кислые соли —дигнд1юфосфаты. 79 • Рассмотрите приведенные выше примеры и сделайте вывод о том, какие фосфаты Я1зля10тся средними, а какие кислыми солями (почему?). Как вы можете объяснить название «гидро-фосфаг» и «лигидрофосфат»? Фосфаты, как правило, в шде не растворяются, за исключением фосфатов щелочных металлов и аммония. Но кислые фосфаты растворяются в воде. Это свойство используется в сельскохозяйственной практике. Поскольку растения могут поглощать из почвы соли с питательны.ми элементами только в виде растворов, фосфаты, необходимые для их питания, могут усваиваться растениями только в вгщс растворимых веществ. Именно поэтому при производстве фосфорных удобрений полз'чактг кислые фосфаты из средних, встречающихся в природе в виде минералов фосфоритов и апатитов. Лабораторная работа 6 Ознакомление с образцами фосфорных удобрений Рассмотрите выданные вам фосфорные удобрения и запишите в тетрадь их названия, химические формулы, цвет и укажите внешний вид. Следовательно, вы узнали, что важнейшие фосфорные удобрения это: двойной суперфосфат—Са(Н2рЮ4)2; простой суперфосфат—Са(Н2Р04)2 с примесью гипса CaSO^; преципитат — СаНРО^ - 2Н2О; (1юсфоритная мука—Саз(Р04)2. В последнее В|юмя широкое распространение получили комплекаше удобрения, содержащие несколько необходимых растениям элементов. Например, азот вместе с фосфором входит в состав удобрений, называемых аммофосами,— NH4H2PO4, (NH4)2HP04. • Химические формулы аммофосов запишрпе в тетрадь и для каждого из них укажтгге химическое название. Если аммофосы смешать с калийной селитрой, то получится аммофоска—удобрение, содержащее одновременно азот, фосфор и калий. 80 ЗАИКЕВИЧ АНАСТАСИЙ ЕГОРОВИЧ (1842—1931) Известный украинский у'1еный-агроном, один из первых организаторов сельскохозяй-с1 венного опьггничества в России. Родился на Полтавщине, закончил физико-математический факультет Новороссийского (Одесскою) университета, с 1884 г.— профессор ■Харьковского университета. Научное насле-/|не многогранно, включает работы по агро-чимии, физиологии растений, а1|ютехнике, селекции, животноводству, пчеловодству. Он ткрвыс прешюжи-т способ рядк{)вого внесения минер:ыьных и органических удобрений. Сделал большой вклад в дело выведения отечественных сортов пшенины, кукурузы. сахарн<ж свеклы, определил самые э<]к{)ективные удобрения для этих культур. Развитие агрохимии связано с работами Д. И. Менделеева. Он исследо1зал роль гипсования почв, был инициатором тучения в почвенных условиях эффективности костной муки (содержит Саз(Ю4)2) и суперфосфата; предвидел, что «)ра фосфорных удобрений еще наступит». В Украине 1зажнейшие исследования по вопросам агрохимии, (})ИЗиологии растений и почвоведения связаны с работами профессора Харьковского университета Л. Е. Зай-ксвича и профессора Киевского университета, в дальнейшем п{юфессора Института физиологии растений АН Украины, академика П. А. Власюка. Задания для самоконтроля 106. Как совершается кругово1ют азота в природе? 107. Напшшпе уравнения следуюпцтх ^юакиий и выразите ifx в полной и сокращегшой ионных формах: а) фосфат калия + нитрат бария; б) фосфат кальция .+ серная кислота; ц)* фосфат кальция + фосфорная кислота. 108. Вследствие нейтрализации гидроксила натрия массой 20 г <|и»с({юрной кислотой массой 49 г образова;1ась соль (а) ({хюфат натрия; (б) гидрофосфат натрия; (в) днгидрофосфат нафия. Масса образовавшейся соли равна (I) 30 г; (д) 60 г; (е) 90 г; (ж) 120 г. 81 109*. Если известно, что_ массовая доля дипадрофосфата кальция в суперфосфате равна 35 то массовая доля оксида фосфо-pa(V) li отом удобрении составляет (а) 21, 2 9о\ (б) 42,4 %; (в) 68,6 %; (г) 50 %. УГЛЕРОД И КРЕМНИЙ § 19. ОБЩ/ЧЯ ХАРАКТЕРИСТИКА УГЛЕРОДА И КРЕМНИЯ Исторические сведения. Имя первооткрывателя углерода неизвестно. Неизвестно и то. какая из аллотропных форм элементарного углерода—алмаз или графит — была открыта раньше. История использования человеком этого вещества уходит в глубь веков, в доисторические времена. Определенно утверждать можно лишь то, что до алмаза и грас})ита человек уже был знаком с углем. А признание углерода химическим элементом произошло лишь в 1775 г., благодаря работам французскою ученого А. Лавуазье. Кремнии, несмотря на большую распространенность его в природе, открыли сравнительно поздно. В 1811 г. французские химики Ж. Л. Гей-Лкюсак и Л. Ж. Тенар получили чистый кре.мний. Новый элемент иазв;1ли силицием (от лат. silex — кремень), что означает «камень, дающий огоньл^. Так иазыв11ли очень твердый камень, который при ударе высеют искру II длительное в^юмя служил вместо спичек для добывания огня. Углерод и кремний —типичные элементы IV группы периодической системы, входят в состав главной подгруппы. • Вспомните сз^юсиис атомов у]'ле1Х)да и кремния на оенованиг положения этих элементов » ггсриод1ПСской сисгеме и запишите схемы строения их атомов и элсктрошгыс формулы. 82 Электрон1£ое строение. Электронные формулы углерода I и кремния показывают, что в их ато- мах на внешнем электронном елос содержится по 4 элск-Г1юна. Они расположены на орбиталях таким образом: /7=2 m t t Структура внешнего электронного слоя атома кремния аналогична структуре атома углерода. • Покажите графически расположение мл орбиталях элскцюнов пиешпего слоя атома кремния. Обратите внимание: в атомах углерода и кремния на иисшнсм электронном слое имеется свободная р-орбиталь. 11оэтому один 5-электрон внешнего слоя при возбуждении аюма может переходить на /7-орбиталь (возбужденное состояние атома): = 7 14 Si* /7 = 3 S Т 5 т г t d р т г t т В соответствии с такшм электронным строением атомов Г1СМСНТЫ углерод и кремний проявляют в соединениях cicncHb окисления —4, +2, +4. ^ I laiiiTuiiTTe 4юрм>'лы соединений углерода с кислородом н водо-1м>дом. Укажите сгенсни окисления элсмегггов и названия UCIUCCTB. Обьясшгге в каждом случае, чем обусловлена данная ciciicHb окисления. Аллотропия углерода и кремния. В природе встречаются ||И) аллотропные фор.мы углерода: алмаз, графит и карбин. 83 Основиыми и хорошо изученными аллотропами углерода являются алмаз и графит. Алмаз (ог Греч, adamas — несокрушимьи!, твердый) — KpMCTiirariHecKoe вещество, тугоплавкое, химически малоактивное, диэлектрик, практически электрический ток нс проводит. Кристаллическая решетка атомная (рис. 10). Кристаллы могут быть (бесцветны либо окрашены в желтый, коричневый, розово-сиреневый, зеленый, голубой, синий и черный цвет. Кристаллы могут быть прозрачны и непрозрачны, они обладают сильным блеском. В кристалле алмаза каждый атом углерода соединяется прочными ковалентными связями с четырьмя соседними атомами. Таким строением кристаллов объясняется исключительная твердость апмаза. Он самый твердый из всех известных веществ. Благодаря твердости алмаз широко используется для сверления твердых пород, изготовления шлифовальных дисков, резцов, сверл, стеклорезов (см. рис. 10) и пр. С этой целью используют технические алмазы, то есть таю1е, которые загрязнены различными примесями. Чистые алмазы—бесцветные прозрачные крис-Т11ллы. Их подвергают огранке, шлифуют (алмазным порошком) и изготовляют из них бриллианты. Прозрачные ал-Рис. 10. Кристаллическая решетка ;ш- мазы красивого синего, маза. Примеры применения алмаза зеленого, К])асноватого цвета чрезвычайно редкостны ц СТ05ГГ очень дорого. Чем больше граней имеет кристалл, тем луние он «играет». Масса бриллиантов измеряется каратами (1 карат = 0,2 г). Самый большой из когпа-либо natuienHbLx на Земле алмазов — это аамаз «Кулшинан». Lro нашли в 1905 г. Название он получил ио имени одного из владельцев. До огранки его размер бьш с женский кулак и масса 3106 каратов, то есть 621 г. В процессе обработки азгмаз раскололи 84 no направлению имевшихся в нем 1рсщин и вырезали 105 бриллиантов. Гамый большой га них назвали «Звездная Африка». У него форма кати II масса 530 каратов. Интересно, что среди индийских алмазов есть знаменитый «Шах» массой 89 каратов, которым персидское нравупельство. «умшюсгивляя 1>слого царя», расплатилось за кровь известного русского дишюмата и выдающегося писателя А. С. Грибоедова, павшего от рук разъяренной 1о.ты персидских фанатиков в 1829 г. в Тегеране — столице Персии. Разработано искусственное получение алмазов (1954 г., США) из графита в условиях высоких давлений и температур. Как правило, образуются мелкие К1)исталлы. Их используют для изготовления резательных инструментов и как опору для подшипников и других подвижных частей в Iочных измерительных инструментах. В настоящее время производятся синтсти-ЧССЮ1С алмазы ювелирного качества. Промышленный синтез алмазов — огромное достижение науки и техники. Графит (от грсч. gra~ pho — пишу) — кристаллическое вещество, жирное на ощупь, серого либо черного цвета с .металлическим блеском. Стр>тсгура графита слоистая (рис. 11); атомы углерода расположены слоями, состоящими из щестичленнььч колец. В пределах одного слоя каждый атом углерода образует три химщюские связи с 11)смя соседними атомами. Все атомы углерода объединяются в макромолекулы, которые представляют собой бесконечные слои из шестичленных колец. За счет четвертых электронов внешнего электронного слои каждого атома углерода, не принимающего учаетш! в образовании химических связей в плоскости, возникает общая связь, делокализоваинш! в пределах всей макромолекулы. Именно этим и обусловливается электрическая про- вис. II. Кристаллическая решетка графи-13. Примеры применения фафита 85 водимость Г1иафита, тсмно-ссрьп! цвет и мсталлимссю!» блеск. Слои атомов углерода объединяются в кристалл^г^ecкую решетку за счет межмолскулярных сил. В графите вн>три слоя связи между атомами ковалентно-металлические, довольно прочные, а между слоями — слабые (действуют межмолекулярные силы). Поэтому графит легко расслаивается. Это делает кристаллы графита непрочными, а cavi минерал мягким. Даже при слабом трении графита по бумаге на ней остается серый след. Графгп’ тугоплавкий = 3800 “С), химически очень ycToiniHB. Из него изготавливают тугоплавюю тигли, синтетические алмазы, электроды, обкладки для электролитических вапи, тр>'бы теплообменников, смазки (с.м. рис. I I). В ядерных реакторах графит применяют в качестве замедлителя нейтронов. Из графита делают грифель для карандашей. В промышленности. К1ЮМС природного, исполюуют искусствснньй! графит. Его получают из лучших сортов каменного угля (кокс, антрацит). Процесс происходит в электропечах при температуре 2600—3000 "С и давлении 250 МПа без доступа воздуха. Карбин — вещество белого цвета, химически инертное, обладает свойствами полупроводника. Харакгеризустся цепным сп^оеиием ма1ек\'л, причем атомы углерода связаны меж-ту собой чередующимися то одинарными, то трюйинми связями —— С —. то только двойными = С= С = С= С = С= С=. Встречается в природе в виде мииертала чаоита и получают его искусственно. При высоких давлениях (свыше 60 ГПа) синтезирована очень плотная модификация (плотность на 15—20% выше (пютксеги алмаза) лоисдей' лит. обладаюпшй металлической проводимостью. Лонсдейлит найден также в метеор ишх. Фуллсрсш.1 и C^Q — новая м<1лекуляриая форма существования углерюла в природе. Это мелкокристаллические вещества, мо.текуды которых представляют собой полые с<1)сры (С^^^ но форме напоминает ({)ут-больный мяч, а —дыпеобразный мяч для регби). Их поверхность образована пяти- и шсстиучххчьниками из атомов учлерода. Обладают с войст ва ми полут фовод н и коп. Существуют еще так называетмыс углеродные материалы (раньше называли «аморфный углерод»), К ним относятся уголь (кокс, древесный уголь), тсхничсски11 утлерод (сажа) и др. Они нс яштяются самостоятельными :1Ллотропными формами углерода, как это считалось раньше, потому что микрокристаллическая структура их такая же, как и у графита, но кристаллы расположены беспорядочно. 86 Огжу применяют как наполнитель лля jxj3hhli и пласт-Miicc, как черньш пигмент при изготовлении типографской краски, копировальной бумаги, лент для пишущих машинок. Кокс применяют в мст1ылургии как топливо и восстановитель. Применение древесного угля основано на его способности притягивать на свою поверхность молекулы веществ из окружающей среды (поглощение на поверхности). Такое явление называют адсорбцией. Понятно, что чем больше поверхность, тем сильнее адсорбция. Чтобы увеличить поверхность угля, его активируют—обрабатывают перегретым водяным паром лля уддчсния с его пор посторонних примесей и увеличения пористости угля. Такой уголь назы-в;1ют активированным. Активированный уголь—прекрасньи! адсорбент (поглотитель). Поэтому его применяют в промышленности для очистки газов, улавливания ценных органических растворителей, производства прютивогазов, в медицине —для очистки крови н поглощения вредных веществ из желудочно-кишечного тракта. Кремний как простое вещество имеет кристаллическое строение. Он хрупкий, темно-серого цттста, с металлическим блеском. Как химический элемент кремний в отличие от углерода существует лишь в одной форме, структура KOTopoii анапоп1чна структуре атмаз;! (см. рис. 10), поскольку графитоподобная форма очень неустойчива. Но в (пличис от ллмлзя кремний—полупроводник. Это объясняется тем, что некоторые коватентные связи между его атомами легко разрушаются, что и обусловливает заметную подвижность электронов в кристалле. Кремний применяют в электронике как полупроводник, а также при изготовлении диодов, транзисторов, солнечных (х1тарей, фотоприемников, детекторов частиц в ядерной (()изике. В мсталлурпш кремний применяют как восстано-визель и Д1Я удаления кислорода из расплавленных металлов. Кремний—компонент электротехничссютх сталей, чугунов, бронзы, стыуминов (сплавов с алюминием). Кремний —второй химический элемент после кислоро-;ia по распространенности в природе. Его массовая доля в «cMHoii коре 26,6 %. Но в сшбодном состоянии он не вст|)счастся, только в виде соединений. 87 Наиболее распространенным в природе соединением кремния является оксид кремния(1У) SiOj, или кремнезем. Это — минерал кварц и многие его разновидности (песок, горный хрусталь, кремень, яшма, опап, агат, аметист и др.). Кремний в виде силикатов и алюмосиликатов входит в состав таких минералов, как асбест, тальк, полевой шпат, каолин, нефелин, слюда и пр. Входит он и в состав растительных (хвощ, бамб>тс и др.) и животных организмов (скелет, соединительная ткань). Задания для самоконтроля ПО. Какое место в периодической системе химических элементов занимают углерод и кремгап!? Как это связано со строением их атомов? 111. CpaBHirre физические свойства алмаза и графита. 112. Как объяснить резкое отличие физ1гчсских свойств алмаза и графита? 113. Что такое активированный уголь? Почему его рекомеи-^[yloт прш^имать внутрь, если возникю расстройстш} желудка? 114. Охарактеризутпе физические свойства кремния. Назовите обласш его применения. 115. Как объяснить с точки зрения электронной теории CTjiyKTypy атома крс.миия? Почему нсметаллш1ссю1е признаки выяатсны у него в мет|ьшей степени, а металлические признаки в большей, чем у элемента ухлерода? 116. Кремний плавится при температуре 1420 'С, а белый (|х>с(|юр — при 44 'С. Как объяснить такое {Х^зкос отлшше температур плаа1сиш1 этих простых веществ? 117. Белая глина содержет каолин AI2O3 ■ 2Si02 • 2Н2О и посторонние примеси, массошя доля которьгх в глине составляет 10 9с. Вычислите массовую долю кремния в глине. § 20. ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УГЛЕРОДА И КРЕМНИЯ Для углерода характерна невысокая химическая активность: большинство реакций с его участием происходит только при высокой температуре. Кремний еще менее активен, чем углерод. При низких температурах он даже химически инертен, а при нагревании его реакционная способность резко возрастает. 88 Самое главное химическое свойство углерода и кремния— это их восстановительная способность. У углерода она выражена ярче, чем у кремния. Углерод—один из самых лучших восстановителей. 1. Взаимодействие с оксидами металлов. При нагревании углерод !юсстанавливает металлы из их оксидов. Те Г СиО + С = Си + СО t SnO + С = Sii + СО t При условии свободного доступа воздуха образуется оксид углерода(ГУ) COj: 2CuO + С = 2Cu + СО2 t 2SnO + С = 2Sn + CO2 t В металлургической практике, как правило, образуется смесь газов СО и COj. Такие процессы, основанные на восстановлении металлов из их соединений углеродом, называются карбо-термиеи. Кремний проявляет также восстановительные свойст1за, но они выражены значительно слабее, чем у углерода. Например, в процессе выплавки стали кремний ведет себя как восстановитель; при высокой температуре он восстанавливает металлическое железо из оксида жслеза(П), содержащегося в металлоломе нараду с другими веществами (FC2O3 • ХН2О): 4е 1 2FeO + Si = 2Fe + SiOj 2Fe203 + 3Si = 4Fe + 3Si02 2. Взаимодействие c кислородом. Углерод легко горит на воздухе. При этом выделяется большое количество теплоты, что свидетельствует о большой прочности связей в молекуле образующегося оксида утлерода(Р/): С + Ол = СО,; LH — -394 кДж. 89 Продукт реакции горенш! углерода зависит от температуры; при ср;1внительно нсвысоютх температурах горения образуется диоксид >тле1юда COj, а при высоких (выше 1000 °С) наряду с СО2 образуется значительное кол1Гчество оксида углсрода(П) СО; 2С + О2 = 2СО С + СО2 ^ 2СО Именно такая реакция (наря1гу с яругами) происходит п процессе сжигания кокса, угля, бензина при высокой температурке и недостатке кислоргода. Поэтому выхлопные газы автомобильных двигателей, отходящие газы печей при условии плохой тяти, табачный дым обязатс;1ьно содержат угаргный laa СО и за1рязняют воздух, KpcMHuii при стандартных условиях химически устойчив. Но при сильном нагревании (выше 400 "С) порошок кремния горггг, образуя оксид крсмний(Г\/); Si + О2 = S1O2 При этом также выделяется большое количество теплоты, что свидстсл1>ствует о большой прочности связи между атомами кремния и Ю1СЛОрода. 3. Взаимодействие с водой. Если на раскаленный уголь пода1ШТь 1ЮДЯНОЙ пар, то в результате реакции образуется так называемый водяной газ—смесь оксида углерода(П) и водорода; С 4 Н2О = cot + НзТ Водяной газ используют как сырье для синтеза химических продуктов. 4. Отношение к щелочам и кислотам. Углерод устойчив по отношению к щелочам и кислотам. Только концентрированные серная и азотная ю1слоты при температуре 100 “С окисляют его; С + 2H2SO4 = COjt + 280зТ + 2Н2О К01Щ. с + HNO3 -> C02t + N02t + Н2О конц. • В гфнвсдспиой схеме реакции расставьте коэффицие^ггы па основе электронного баланса. Укаж^гге окислитель и восстановитель. 90 5. Взаимодействие с металлами. При нагревании углерод может взаимодействовать с некоторыми металлами, образуя карбиды: Са + 2С = СаС2 4А1 + ЗС = AI4C3 Карбиды —твердые и т>топлавкие вещества. В этих 1х;акциях углерод выступает как оюсслитель, что для него нс характерно. KpCMHHii также проявляет ою1слитсльныс свойства по отношению к некоторым металлам, образуя силициды: 2Mg + Si = Mg2Si, что для кремни51 также не характерно. 6. Взаимодействие с водородом. Углерод может взаимодействовать с 1юдородом. Реакция происходит при narpcBii-нии до 500 “С в присутептвии порошка никеля в качестве KaTiunrjaTOjXi: С + 2Н2 ^ СН4 Об1)азуется органическое вещество—метан СН^ (основная составная часть природного газа). • Какую степс1и> окисления проявляет атом углерода в молекуле мешна СН4? По вашему мнению, окислетелем или восстапо-ви'гслем в данном случае валяется углерод. Почему для neio взаимодействие с водо|Х)дом нехарактерно? Кремнnil с водородом непосредственно не взаимодействует. Его 1юдородное соединение SiH^ —силан получают косвенным путем. Задания для самоконтроля 118. Сравни ГС химгпескис свойства простьгх bcuicctb—углерода и кремния. Напшшггс необходимые урависшгя реакций. 119. При сжигании угля массой 187,5 г образовался диоксид у1'лсрода обл>смом 336 л (и. у.). Массовая доля углерода в угле состаатяст (а) 12 (б) 24 (в) 48 %; (г) 96 %. 91 120. В С11сциальн1з1х УСЛ013Ш1Х окислили 120 г угля (тепловой эффект реакции 110,5 кДж/моль) до оксида yглqюдa(II). Количество !я>1делившейся при этом теплоты рашю (а) ПО, 5 кДж; (в) 1105 кДж; (б) 221 кДж; (г) 2210 кДж. 121. Масса меди, которую можно получить, 1юсстанавливая оксид меди(И) с помощью 24 кг угля, у^штывая, что производственные потери меди составляют 5 %, равна (а) 121,6 кг; (в) 134,4 кг; (б) 128 кг; (г) 64 кз'. § 21. ОКСИДЫ УГЛЕРОДА И КРЕМНИЯ Углерод об|Шзует с ююлородом дш оксида —СО2 и СО. СО2 —оксид углерода(1\0, диоксид углерода, углею1с-лый газ. СО — оксид у1Лсрода(11), монооксгщ углерода, угарный газ. Для элеменга кремния характерным является Si02 — оксид кремния(1У), диоксид кремния, кремнезем. Физические свойства Оксид углерода(1У), или углекислый газ, СО2 при стандартных условиях—бесцветный газ, без запаха, тяжелее воздуха в 1,5 раза, довольно хорошо растворяется в воде, особенно под давлением, легко сжижается даже при комнатной тсмпе|затуре и небольшом давлении (5 МПа). Сжиженный СО2 хранят в стальных баллонах. Если его быстро вылить из баллона, углекислый газ испаряется, в результате чего часть СО2 превращается в снегообразную массу. Твердый углею1слый газ называется сухшг льдом. Оксид углерода(И), или угарный газ, СО—это бесцветный газ, без запаха, ядовитый, плохо растворясия в воде, немного легче воздуха. Вычиаште относительные молекулярные массы углекислого и yinpHoro iruoB и срашипе их с усредненной относительной молскучгярной массой воздуха, равной 29. Зависит ли шчотность 1’аза от его молекуочярной массы? Углеююлый газ COj в больших количествах вреден для человека и животных, вызывает головокружение, может стать причиной удушья, поэтому помещение, где находятся люди, необходимо часто проветривать. 92 Упгрный газ СО—чрезвычайно ядовит. Он образует устойчивое соединение с гемоглобином крови, вследствие чего кровь теряет способность переносить кислород в организме, и наступает кислородное голодание. У человека появляются сильные головные боли, тошнота, он может потерять сознание и даже умереть! Особенно опасно завод1Пъ авТО]иобиль в |драже при закрьп’ых дверях... •>го равжх'ильно самоубийству! Заслонку в печке можно аакрывааъ тол1>ко югда, когда уголь уже не горит пламенем, а лишь слабо тлеет... Оксид кремния(ГУ) SiOj, или диоксид кремния,— это твердое вещество, кристаллическое, бесцветное, тугоплавкое = 1728 'С), в воде не растворяется (вспомните белый речной песок). Почему же такое большое различие в свойствах диоксида к|)смния Si02 и диоксида углерода COj (при стандартных условиях COj—газ, а SiOj—твердое тугоплавкое вещество), ведь по химическому составу эти оксиды аналоги? Чтобы понять причину различия их сшйств, вспомните, что свойства вещсств<\ зависят от его строения. Следовательно, причина различия свойств оксида углерода(ГУ) и оксида кремния(ГУ) состоит в ртоличном ст|Х)ении этих веществ. Оксид углсрода(1У) состоит из молекул СО2, то есть имеет' молекулярную кристаллттчсскую решетку, а оксид К|х;мния(Т\0 Si02 —атомную кристаллическ>то решетку, каждая ст^^уктурная единица которой представляет собой! тетраэдр с атомом кремния в центре и атомами кислорода по вершинам. Это можно объяснить тем, что у атома креьгния радиус больше, чем у атома угле1юда. Вокруг него Moiyr разместиться нс два, а четыре атома кислорода, каждь!й из которых соединяется с двумя атомами кремния. Такое расположение атомов можно передать на плоскости схемой: О О О О О О О О О О 93 Такое строение оксида крсмния(1У) и обусловливает его высокую твердость и тугоплавкость. Следовательно, различием в строении кристаллической решетки объясняется различие С1юйств диоксидов углерода и кремния. Химические свойства Оксид углерода(1У) COj и оксид кремния(1У) Si02 — солеобразующие кислотные окевды, а оксид углерода(И) СО —несолеобразующий оксид. 1. Взаимодействие с водой. Если в пробирку с водой (I—2 мл) добавить 1—2 капли раствора фиолетового лакмуса и пропускать туда углекислый газ, лакмус изменит свою окраску, и раствор покраснеет. Это объясняется тем, что COj взаимодействует с водо1'|, образуя непрочную угольную кислоту; Н,0 + СОп Н2СО3 • Зная закономерности смешения хим1Гчсского равно1я;сия, укажите, и каком направлении можно сместеть равновесие в реакции, уравнение которой записано выше, если; а) повышать даштсние; б) повышать температуру. Оксид кремния(1У) Si02 хотя н относится к кислотным оксидам, но с водой нс реагирует. Соответствуюи1,ая ему к|)емнисшя кислота Н28Юз образуется другим способом (будет изучаться позднее). 2. Взаимодействие с основаниями и оснбвными оксидами. Оксид углерода(1У) СО2 взаимодействует со щелочами в водных растворах и с твердыми щелочами и с оснбвными оксидами при стандартных услолпях, образуя соли —карбонаты: Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз i + HjO CaO + СО2 = СаСОз Оксид крсмния(1У) S1O2 взаимодействует с твердыми щелочами и оснбвными оксидами при сплавлении, образуя соли —силикаты; 2NaOH + S1O2 = Na2Si03 + HjO BaO + SiOj = Ва8'Юз 94 Оксид углерода(П) СО, будучи несолеобразующим оксидом, о™еченных выше реакций не даст (солей не образует). Для него характерны иные cBoiicTBa: а) способность горсть васильково-синим пламенем, выделяя большое количество теплоты: 2СО + О = 2СОз, = -572 кДж, из-за чего его используют (вместе с другими газами) в качест1ю газообразного тогшива (в доменном производстве); б) способность восстанавливать металлы из оксидов (при наг|)свании): Fe,04 + 4СО = 3Fc + 400^ t Указанное сшйство используется при выплавке металлов из руд. Получение оксида углерода(1У). В лабораторных условиях QOj получают действием соляной кислоты на мрамор: СаСОз + 2НС1 = СаОз + HjO + СО2 Т • Запишите уравнение данной реакции в полной и сокращенной ионных формах. В промышленности оксид углсродаПУ) получают прокаливанием известняка: СаСОз ^ Применение. Углекислый газ COj применяют в произ-1юдстве соды, сахара, для пгзирования воды, тушения пожаров (содовые огнетушители). Сухой лед используется для хранения скоропортящихся п|хздуктов. Диоксид кремния S1O2 в виде песка широко применяют в ст1юитсльстве, для получения стекла, керамики, фарфора, <|)аянса, кирпича, цемента, абразивов*. В виде кварца Si02 применяют в радиотехнике, акустоэлсктронике, оптическом приборостроении. Синтетический диоксид кремнш! Si02 («белая сажа») используется как наполнитель в производстве резины. Абразивы (сгг Франц, abrasif — шлис^ювальный. от лат. ahrado — с(ккаблив1<ю) — природные либо искусственные материалы высокой I псрдости 95 Задания для самоконтроля 122. Сравните физтпеские свойства диоксида углерода СО2 и монооксида углерода СО. 123. Охаракгеризугггс физические свойства диоксида кремния SiOo. 124. При сжигании оксида углерода(П) o6i>cmom 112 л (н. у.) образуется оксид углерода(1\0 объемом (а) 28 л; (в) 112 л; (б) 56 л; (г) 224 л. 125. При окислении кокса количеством вешес гва 4 моль образуется оксид углерода{11) обчлмом (н. у.) (а) 22,4 л; (в) 11,2 л; (б) 89,6 л; (г) 5,6 л. 126. Прокаливанием из1гестняка массой 250 кг, массовая доля примесей в котором 20 %, можгю получить углекислый газ объемом (н. у.) (а) 44,8 М-; (в) 89,6 м ; (б) 22,4 м^; (г)112м\ 127. В лаборатории для получения чисгого кремния применяют кварцевый песок и магтшй. При поджигании смеси образуется белый порошок оксида магния и KpHC'iarjiH^iecKT-nr кремний. Напишшс уравнение реакций и предложите способ очистки к;>см1шя от примеси оксида магния. 128. При восстаповлегши коксом в дуговых печах при 1800 *С 1 кг оксида крсмния(1У), массовая доля примесей в котором 10 %, можно получить кристаллический KpeN&mri массой (а) 28 г; (в) 840 г; (б) 280 г; (г) 420 г. 129*. Смесь оксида углерола(П) СО и оксида углерода{1У) COj объемом 16 мл (н. у.) сожгли в избытке кислорода, после чего объем смеси уменьшился tia 2 мл. Вычислите массовую долю СО в смеси. § 22. УГОЛЬНАЯ КИС10ТЛ И КАРБОНАТЫ Угольная кислота. Солеобразующему оксиду углерода(1У) СО2 соответствует угольная кислота Н2СО3. Угольная кислота Н2СО3 — неустойчивое вещеспю. Она существует только в водном растворе. При попытке вьще-лить ее из раствора она легко разлагается на воду и углекислый газ. В водном растворе устанавливается равновесие: СО2 + Н,0 ^ Н2СО3 ^ W + HCOJ ^ 2Н" + col- 96 Эгим объясняются кислотные свойства И2СО3. Угольная кислота принадлежит к слабым кислотам, то есть диссоциирует на ионы в незначительной степени. Будучи двухосновной, она образует два ряда солей: средние—карбонаты и кислые —гидрокарбоиаты. Например, Na2C03 —карбонат натрия, NaHCOj —гидрокарбонат натрия, СаСОз —карбонат кальция, Са(НСОз)2 —гид1хжарбонат кальция. Карбонаты — кристалл1Г1еские вещества. Мнопю из них в воде не растворяются, исключение составляют карбонаты щелочных металлов и аммония. В результате дейспшя кислот на твердые карбонаты либо их 1юдные растворы выделяется оксид утлсродаНУ), что вызывает вспенивание: СаСОз + 2HCI = CaCl2 + СО2 Т + Н2О ® Привсдснпос уравнение запишите в ионной форме и составьте clJ^c два уравнения реакций, и'шюстрирующие действие других кислот на карбонаты либо их раелворы. Лабораторная работа 7 Качественная реакция на карбонат-ионы В две пробирки всыпьте понемногу (лишь бы покрылось дно) карбоната магния и карбоната натрия. В обе пробирки добавьте по 1 мл разбавленной соляной кислоты и сразу же закройте каждую пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите в пробирку с известковой водой (раствор Са(ОН)2). Что наблюдается? Напишите уравнения реакций и выразите их в полной и сокращенной ионных формах. Сделайте вывод о том. что является реактивом на карбонат-ионы СО^“. Следовательно, для распознавания карбонатов (и гидрокарбонатов) применяют сильные ююлоты. При их действии происходит характерное «вскипание» вследствие бурного вьщелення углекислого газа СО2. Суть реакции выражается ионным уравнением; С01~ + 2Н^ = СО2 Т + Н2О • Объясните, почему карбонаты, как и основания, можно применять ДЛ31 нейтрализации кислот. 97 Практическое значение. Из солей угольной кислоты важное значение имеет ка1збонат кальция CaCOj. Он встречается в природе в виде мрамора, известняка, мела. Мрамор служит материалом для скульпторов и как отделочный материал в строительстве. Известняк используют для получения извести, его вносят также в почву для понижения кислотности и улучшения ее структуры. Мел используют для побелки, а также в стекольной, резиновой и других отраслях промышленности. Карбонат кальция СаСО^ в воде не растворяется. Поэтому известковая вода (раствор гадроксида кальция) при пропускании сквозь нее оксида углерода(1У) мутнеет: Са(ОН)2 + СОз = азСОз i + ЩО Но если долго пропускать COj, то муть исчезает. Это объясняется образованием растворимой кислой соли — гидрокарбоната кальция; СаСОз + СОз + НзО = Са(НСОз)з Пщрокарбонат кальция Са(НСОз)2 — вещество неустойчивое. При Ю1ПЯЧСНИИ раствора или длительном хранении на воздухе он разлагается с выделением СОз и образованием средней соли: Са(НСОз)з = СаСОз i + COj Т + HjO Гидрокарбонаты щелочноземельных металлов, в отличие от карбонатов, хорошо расттюряются в воде. Растворимостью пырокарбонатов в воде объясняется постоянное перемещение карбонатов в природе. Почвенные воды, содержащие оксид углерода(1У), проходя сююзь почву и особенно через слой известняка, |Х1Створяют карбонат кальция и уносят его с собой в виде гидрокарбоната в ручейки, реки и моря. Оттуда он попадает в организм мо}х:ких животных и используется на построение их скелетов или, выделяя угле-Ю1СЛЫЙ газ, снова превращается в карбонат кальция и отлагается в виде известняка и т. д. Карбонат натрия Na2C03 (кальцинированная сода) и его кристаллогидрат ЫазСОз • ЮНзО (кристаллическая сода) используют в произшдствс стекла, мыла, моющих средств, красителей и др. В больших количествах они применяются в целлюлозно-бумажной, текстильной, нефтяной и других отраслях промышленности. 98 Гадрокарбонат натрия NaHCOj (питьевая сода) широко применяется при выпекании хлеба, в пищевой п[Х)мы1Ш1ен-ности, медицине, быту. Питьевая сода входит в состав наполнителя для огнетутиителей. Kap6oFiaT катя К2СО3 (поташ) применяют в производстве стекла, мыла, в фотографии. Жесткость воды. Вода, бегущая по известковым горным породам, взаимодействует с углекислым газом и превращает карбонаты кальция и магния в растворимые кислые соли — гид^юкарбонаты. • Напишите соотпетстпуютис уравнения реакций и выразите их в ионной форме. Превращение нерастворимььх карбонатов в растворимые гидрокарбонаты вызывает вымывание ка1збонатов из земной коры, в результате чего обр1оуются пустоты — пещеры. А вода, которая насыщается растворимыми гидрокарбоиа-тамп кальция и магния, становится жесткой. I, Жесткость воды, обусловленная присут-jj ствием ионов и ионов называется |' общей жесткостью воды. Чем выше содержание в воде этих ионов, тем больше жесткость воды. Общая жесткость воды состоит из карбонатной (временной) и некарбоиатной (постоянной). Карбонатная жесткость обусловливается присутствием в воде гидрокарбонатов кальция и магния. Она устран.ястся кипячением. Нскар-боиатная твердость вызывается присутствием в воде суль<1)а-тов, хлоридов, нгггратов и лр. кальция и магния. Мы piiccMoT{DHM карбонатную, или временную, жесткость воды. Жесткая вода непригодна для промышленных и хозяйственных нужд. В ней плохо мьиштся мыло, невозможно вымыть волосы, трудно стирать белье, плохо развариваются овощи. При ncnojib30BimHH жесткой воды в паровых котлах образуется накипь. У нес плохая теплопроводность, поэтому 1юзникаст местное перегревание стеню1 котла, перерасход энергии и коррозия материала стенок. Случайное отлущи-ванис кусочка накипи от раскаченной стенки может вызвать быстрое испарение воды и взрыв котла. 99 в связи с этим жесткую воду перед употреблением умягчают, то есть удаляют из нес гидрокарбонаты кальц1ш и магния, переводя их в нерастворимое состояние. Это достигается, прежде всего, юшяченисм воды. При этом гидрокарбонаты кальция II магния рахтагаются: Са(НСОз)2 = СаСОз I + COj t + HjO Мё(НСОз)2 = MgC031 + СО21 4- H2O Мв(НСОз)2 = Mg(OH>2 i + 2CO2 T Карбонаты кальция н магния, а также гид|юксид магния выпадают в осадок, и вода теряет свою жесткость. В домашних условиях (при стирке, например) для смягчения воды можно добавлять соду Na2C03, в промышленных условиях чаще добавляют гашеную известь Са(ОН)2 и другас вещества: Са(НСОз>2 + Na2C03 = G1CO31 + 2NaHC03 Са(НСОз)2 + Ca(OH>2 = 2СаСОз I + 2ЩО • Напишите приведенные выше уравнения реакций в ионной ()юрме. Задания для самоконтроля 130. В одну фар^юровую чашку иасыиати карбонат кальция, в j^DyiyK) — тштрат калия, в третью—хлорид натрия и начали прокаливать, забыв отметить, в какой чашке-—^какая соль. Как можно, наблюдая процесс прокаливания и исслсду'я Н1ю;|укты реакции, распознать взятые соли? 131. Как осутисстнить следующие превряицения. а) Са -> Са(ОН)2 -> СаСОз СаО Са(ОН)2 CaCij; б) MgCl2 -> MgCO, Mg(HC03)2 -> MgC03 ^ CO2 -•> ^ Ыа2СОз? Напиште соотаетствующпе уравнения реакций. 132. Как, имея в своем распоряжении только соляную кис.то-ту, распознать карбонат бария, сульфат бария, сулы|)ит бария? Огест пр01Ш110СЦ7ируйтс уравнениями реакций. 133. Как из^виться от времешюй жесткости полы? Оп^ет проиллюстрируйте уравнениями реакций и выразите ilk в ионной ({юрмс. 100 134. Через раствор едкого натра пропустили 5,6 л (н. у.) окси-ла yuiepoHa(IV). Масса образовавшегося шдрокарбопага натрия равна (а) 21 г; (в) 84 г; (б) 42 г; (г) 22,4 л. 135. В рсзультсггс термического распа;лз I моль гидрокарбоната нтрия, массовая доля примесей в котором составляет 2 %, обра-»усгся yracKHCjibiH гвз о&ьемом (и. у.) (а) 5,5 л; (в) 22 л; (б) 11 л; (г) 22,4 л. 136*. Для анализа известняка на содержащее карбонагга ка.1Ь-1П1Я взяли навеску 5 г. На растворение карбоната, содержащегося и ной пробе, израсходо1зано 100 ,\ui 0,9 Af раствора хлороводорода. Какова массовая доля карбоната кальция в известняке? 137*. Смесь карбоната и гидрока^збоната натрия массой 146 г iiarpciuLTii до гсх пор, пока нс прекратилось уменьшение массы. Масса остатка, образовавшет'ося после нагревания, составляет ! 37 I'. Вычиатиге массовую долю карбоната натрия в зтой смеси. § 23. КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА В ПРИРОДЕ. КРЕМНИЙ В ПРИРОДЕ Природные вещества, в состав которых входит углерод, постоянно подвергаются изменениям, в результате которых «зеущсствляется круговорот углерода в природе. В;1жна51 роль в круговороте углерода принадлежит оксиду уг;1срода(1У), входящему в состав ат.мосфсры Земли. COj поступает в ат.мосфсру в результате многих пронессов: извержения вулканов, сжигания топлива, разложения известняка, дыхания людей, животных и растений, процессов ()рожсния If гниения. Из воздуха углекислый газ СО2 в больших количествах поглощается наземны.ми растениями и фитопланктоном Ми|Ювого океана. Процесс поглощения COj происходит кпи.ко на свету—фотосинтез, в результате которого обра-1укугся орган imecKHc вещества, содержащие угле}юд. В ре-«ультатс фотосинтеза в атмосферу выделяется кисло^юд О2: Лу I1CO2 4- niH-f) кио1>о<1)и;1л -> C„(H,0)„ + «0,t Из растений, служащих пищей для животных, углс1юд переходит в их организмы. Животные выделяют углерод в 101 Рис. 12. Круговорот упюрода в природе виде углекислого газа при дыхании. Со временем растения и животные отмирают, начинается процесс гниения, окисления, и углерод частично превращается в СО2, который возвращается в атмосферу и снова поглощается растениями. А частично растительные и животные остатки в почве превращаются в горючие ископаемые—каменный уголь, нефть, природный газ. Горючие ископаемые используют как топливо, при сгорании которого COj снова возвращается в атмосферу. Углекислый газ из атмосферы поглощается также водами Мироюго океана и взаимодс11Ствует с горными породами при их разр>тдении. В результате образуются известняки, доломиты и другие карбонаты. Такое многообразие процессов обеспечтшет постоянный круговорот углерода в природе (рис. 12), Однако из-за резкого увеличения сжигания различных видов топлива содержание углекислого газа в атмосфере 102 постепенно увеличивается, а содержание кислорода уменьшается. Нарушение равновесия между содержанием кисло-1мада и углекислого газа в атмосфере может привести к так iiajbiBacMOMy «парниковому эф^кту» (слой СО2 играет такую же роль, как стекло в теплице), ^о довольно угрожающее явление. Дело в том, что углекислый газ сшбодно |||юпускает на Землю излучение Солнца, но сильно задер-жшитст тепловое излучение Земли. Нарздцается нормальная теплоотдача Земли в кослшческос пространство, а это при-1ЮДИТ к погеплению климата. Потепление климата Зечити может вмз1ить таяние ледников и нривес-1И к повьпнению утювня Мирового океана. В результате произойдет (.iToiuicHHc всех низко расположенных частей материков — низменностей, ■ранимаших с океаном и густонаселенных. Начнется таяние вечной мерз-10ТЫ. что приведет к заболачиванию больших территорий, выпаданию (>|>1ыы1ьь\ дождей и песомиенпо скажется на сельском хозяйстве и др. Известно, что гл^шным регулетором соотношения углекислого газа и кислорода в атмосфере Земли является фотосинтез. Еще 50 лет тому назад это соотношение было оптимальным; объемная доля Ю1слорода в атмосфере 21 %, углекислого газа —0,03 %. Теперь же нормальное соотношение на1)ушсно. Хозяйственная деятельность человека, с одной сюроны, приюдит к усилению выбросов СО2 в атмосферу, а с другой—к уничтожению «природных лабораторий», в к<^торых ocyщecтвл^^eтcя фотосинтез, то есть поглощается углекислый газ (вырубка лесов, массовая гибель фитопланктона и др.). Следовательно, сегодня ослро стоит проблема охраны окружающей среды, в том числе и воздуха, без |кмисния которой человечество нс сможет выжить. Кремний в природе. Кремни»! —второй химический элемент после кислорода по распространению в земной коре, сю массовая доля составляет 27,6 %. В свободном состоя-нпн и природе нс встречается, только в виде соединений, |11)симущсственно в виде диоксида кремния Si02 и егшика- 10И. Диоксид кремния Si02 в природе встречается в виде кварца и многих его разнов1Щностей (кварцевый песок, юрный хрусталь, кремень, яшма, агат, а.мстист, опал и пр.). К|>смнсзсм Si02 —главный компонент любого песка. В земной коре содержатся силикаты и алюмосиликаты. К природным силикатам относятся минералы асбест и 1лл1>к, к алюмосиликатам — полевой шпат, каолин, слюда, 1кч|)слии. Алюмосиликаты встречаются в при|юде отдельно 103 и в смесях. Так, белая глина —это чистый каолин, а обычная желто-бурая глина—это каолин с примесями соединений железа. Горная порода гранит предстаапяст собой смесь кристаллов полевого шпата, слюды и кварца. Кремний в виде Si02 входит в состав растительных и животных организмов (диатомовые водоросли, губки, хвощ, бамбук, солома, части скелета и др.). Массовая доля Si02 в крови и плазме человека составляет 0,001 %. Но иск>'с-ствсннос проникновение пьыи Si02 в живые ткани вредно, вызывает раздражение бронхов, силикоз легких, за^лева-нис желудечно-кишечного тракта. Задания для самоконтроля 138. Как происходгп кругото^ют углерода в природе? Какую рол1, в этом процессе играет ^юггосинтез? 139. Что такое «парниковый э<1)фскт^? Какие меры необходимы, чтобы избежать этого явления? Отост мотивируйте. 140. В каком ввде элсме1гг кремний гкпречается в природе? § 24. КРЕМНИЕВАЯ КИСЛОТА И СИЛИКАТЫ Кремниевая кислота Н2510з относится к слабым двухосновным кислотам (слабее угольной кислоты). В воде практически не распюряется, но легко образует коллоидные распюры. Каалоидиыс растворы — это системы, состоящие из очень измельченных частиц, равиомерио размсщепш>1Х в о/щородпой с()сде. Они занимают П1К)меж>точ1Юс положение между истинными растворами и взвесями. К катлон;ц|ым pacTBOjWM относят, например, молоко, кровь, яичный белок. Кремниевая кислота при нагревании постепенно разлагается на оксид кремния(1У) Si02 и воду; H2S1O3 - Н2О + Si02 Кремниевую кислоту в стандартных условиях нельзя по-лучгпь взаимодепствисм се оксгща с водой (почему?). Ее получают дс11СТ1шсм кислот на силикаты Na2Si03 шли К25Юз: КзЗЮз + 2НС1 = 2КС1 + Н28Юз I 1(М KixrMHMcnyKi кислоту MOA'JCO синтезировать из SiO, и Н^О. ко только при ширсваиии и очень высоком давлении. Такая реакция щюисходит в I lyOHiiax Земли. ПояоОным способом в лабораториях получакгг монокрис-1Л1ЛЫ искуссгвенного кварца—«горного хрусталя». Силикаты—соли кремниевой кислоты (например, Na2Si03 —еиликат натрия, CaSiOj —силикат капьция). Г11>иродные силикаты—это довольно сложные вещес-гиа. Их состав, как правило, изображают как соединение нескольких оксидов. Так, состав силша1та кальция CaSi03 \|<^жно показать таким образом; СаО • Si02, а состав силика-la натрия Na2Si03 — NajO • Si02. Если в состав природных силикатов входит оксид алю-МНН1И1, то их называктг алюмосиликатами. Например, као-'1IIH—белая глина AljO, • 2Si02 ■ 2Н2О, полс1юй шпат К-.0 • AI2O3 • 6Si02, нефелин Na20 • AI2O3 - 2Si02- Силикаты, как правило, в шдс практически не растворяются. Искзюченис состаазяют силикаты натрия п казия, поэтому их назыв11ют еще растворимым стеклом^ а рас-I вор — жидким стеклом. Силикаты широко используются в технике. Растворимым стеклом пропитывают ткани и древесину, чтобы предотвратить их возгорание (противопожарное срсдстю). Ж»щкое стекло гаодит в состав огнеупорных замазок для склеивания стекла, фарфора, фаянса, цемента, бетона, кирпича и различных керамических изделий и применяется лзя приготовления сшикатного кзся (раствора Na2SiO^, или K2S1O3 в воде). Задания для самоконтроля 141. Охаракггернзутс кремниевую кислопгу. Какие хихшческие aioiiciiia характерны для нее? В чем зак-чючастся сходспю и отличие ее от угольной кислоты? 142. Как. исходя из диокешы кремния и имея в распоряжении псе ((собходнмыс всшссгоа, получить кремниевую кислоту? Наии-mme уравнения нсобход1ГМЫХ реакций. 143. Напишите у^завнения 1)еакций между; а) кремнеземом и iiMoii, б) крсмисзсмо.м и негашепой известью; в) сшплкаюм и.ирня If соляной кислотой. Укажите, при каких условиях нроис-40 игг каждая из этих реаюиш. 105 § 25. СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Из природных материалов, содержащих кре\гний, получают стекле, керамику, цемент. Стекло—это твердый прозрачный материал. Наиболее распространено силикагное стекло, основным компонентом которого янтяется окенл кремния<1У) SiOj. Сырьем для производства обычного стекпа являются сода Na2C03, известняк СаСО, и песок Si02. Все составные части очищакуг, смешивают и сплавляют при температуре около 1400 "С. Происходят следующие реакции (упрощенно); Na2C03 + Si02 = Na2Si03 f CO21 СаСОз + Si02 = CaSiO, + CO2 t Фактически в состав стекта входят силикаты натрия и кдтьция, а также избыток SiOj. Поэтому состав обычного оконного стекта можно выразить следующей упрощенной формулой; Na20 • СаО • 6Si02- Изменяя состав шихты, внося различные добавки, получают стекло с заранее заданными свойствами. Так, если вместо соды Ка2СОз взять поташ К2СО3, то мож.но получить высококачественное тутошавкое стекло, из которого изготовляют химическую посуду. А если взять поташ К2СО3, к|эемнезем Si02 и оксид свинца(И) РЬО, то получится хрусталь. Особый вш стекла—KBiipncBoe стекло. Оно представляет собой стеклообразную форму чистого кремнезема S1O2. Такое стекло совершенно нс чувствительно к резким колебаниям температуры. К тому же оно обладает ценными оптическими свойствами (пропускает ультрафиолетовые лучи). Стекло широко используется почти во всех отраслях промышленности и в бьпу. Из него изготовляют тру^ы, тару, лабораторную посуду, детали оптических приборов, художественные изделия, бытовую посуду. На основе стекла п]Х)изводят стекловолокно, которое применяется для изготовления спецодежды, а также стеклопластию!, в частности стеклотекстолит. Этот стеклопластик — прек1Х1сный ст1)оительный материал (очень прочный, не гнется, легко обрабатывается). Стеклотекстолит применяют в машино- 106 ci pocHUM как конструкционный материал, а в электронике — как изолятор. На основе стекла создают микрокрис-галличсскне материалы —сшпаляы. Это очень прочный материал, химичесю! и термически устойчивый, поэтому ситаллы применяют для изготовления аппаратуры химических производств, деталей машин и механизмов, труб, элек-I |юизоляторов и пр. Современная стекольная промышленность производит специальное стекло, стойкое к воздей-ствию радиоактивного излу'юния. Керамика. Изделия из глины называют керамикой, а прс^изводство керамических изделий—гончарным. Наиболее распространена керамика, состоящая из различных оксидов, в том числе —оксида крсмния{1У) Si02. Из керамических изделий наибольшее значение имеют фарфор и <|)аянс. Фарфор — один из ВИ.ХОВ тонкой керамики—белый MarepMaji, состоит в основном из SiO,. Al,Oj и К>0. В качестве сырья для получения фарфор-т испо;1Ьзуют "белую ' глину — каолин, кварцевый песок и нолевой шпат (KjO А1,0, • 6SiO,). Фа1х|)ср имеет небатьшую пористость , перемешивается и спекается при температуре в преде-нах 1400—1600 °С. Спскш>тося массу, основными компонентами которой являются OiO, Si02 и AI2O3, охлаждают и и {мельчают в по|ЮШок. Получают цемент различных сор-miii морозоустойчивый, быстротвердеющий и др. Цемент—важный строительный материал. Из смеси цемента, песка и воды готовят строительный раствор. 107 Цемент, смешанный с подой и наподннтслями (песком, шебнем, гравием пли шпаком), образует смесь, при затвердевании KOTopoii получается бетон. Если бетоном залить стальной каркас, образуется железобетон. Из него делают банки, панели для домсстроитсльства, трубы, мосты, перекрытия, шпалы и пр. § 26. УГЛЕРОД В ПРИРОДЕ Массовая доля элемента углерода на Земле сравнительно невелика, составляет 0,1 %. Но его значение в жизни природы исключительно велико. В отличие от кремния, углерод встречается в природе как в свободном состоянии в виде простых вспдсств (алмаз, графит), так и в связанном — в виде многочисленных минералов: карбонатов, нефти, торфа, природного газа, сланцев, угля и др. Углерод содержится в aXMOc(j)cpHovf воздухе в виде углекислого газа (объемная доля 0.03 %). Кроме того, все растительные и животные организмы состоят из веществ, в образовании которых главна51 роль принадлежит углероду. В гидросфере оксид утлсрода(1У) СО2 в растворенном виде содержится в некоторых минер:гльных 1юдах (Свалява, Лужанская, Ессентуки, Боржоми). Следовательно, этот элемент—один из наиболее расп}хх:траненных на Земле—в лгпосфере, атмосфере, гидросфере, хотя общее содержание его и невелико. Вещества, содержащие в своем составе углерод, принято нюывать органическими. Исключение составляктг оксиды углерода, карбиды, угольная Ю1СЛОта, карбонаты и некоторые другие соединения углерода, считающиеся неорганическими. Разнообразие и огромное количество органических веществ обусловили выделение химии соединений углерода то есть органической химии, в отдельный раздел современной химии, к изучению которого вы приступаете. 108 Глава II ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ § 27. ЧТО ТАКОЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Вы уже знаете, что среди соединений различных элемен-юн отдельную группу состаштяют те, которые образованы углеродом, так называемые органические соединения. Это слово не случайно имеет общий корень со словом «организм». Еще в начхпс XIX ст., когда был введен этот термин, cMUTiuiocb, что органгпеские вещества можно выделять из П1Юдутстов растительного и животного происхождения и II 1учать их в готовом виде, но невозможно получить в лаборатории из других веществ, то сеть химическим способом. С'у1Исствовала даже так называемая виталистическая теория, согласно которой органические вещества образуются под впиянисм «жизненной сгшы» (от лат. vis vitalis), дсйствую-iiicii только в организме. Действительно, живые организмы являются юзк бы хи-М11ЧССЮ1МИ лабораториями, в которых образуются и распадаются органичссюю вещества. Однако, как оказалось, их можно получить и в лабораторных условиях. Впервые это было доказано в 1828 г., когда немецкий химик Ф. Велер ciiiiTCJupoBiUi мочевину—продукт жизнедеятельности животных организмов. В последующие годы бьиш синтезиро-кшы уксусная кислота, жиры, сахаристое вещество, позднее — MoHCBiui ююлота (И. Я. Горбачевский). Так химическая наука |)а изснч11ла виталистические представления. Со временем бьию разработано множество способов по-зучения органичссюьх веществ путем синтеза, в том числе III неорганических веществ. Но название «органические 1зе-тсства» сохрангшось, и целая отрасль химической науки, КО101ХШ изучает соединения углерода, традиционно называется органической химией. 109 ГОРБАЧЕВСКИЙ ИВАН ЯКОВЛЕВИЧ (1854—1942) Украинский ученый, академик. Родился в Украине, работал в Вене, Праге, профессор, ректор Украинскою университета в Праге. Научные работы касаются органической химии и биохимии. Впервые синтезировал мочевую кислоту (1882 г.) и выяснил нуги ее образования в организме. Высказал мысль об аминокислеггном составе белков. Внес вклад в развитие украинской научной терминологии. Автор учебников по химии на украинском языке. Вокруг нас преобладают органические вещества: из них изготовлены мебель, одежда, обувь; пншевые продукты — жиры, сахар —также принадлежат к орган1тческим соединениям. Бумага для книжки, которую вы сейчас читаете, изготовлена из целлюлозы, являющейся органическим веществом. В основе строения растительных и животных организмов лежат органические вещеетш!, а жизненно важные биохимичесюю процессы, происходящие в них, являются реакциями между органическими соединениями. Люди издавна использовали органические вещества и реакции между нидми. Обработкой жиров растительной золой получали мыло—органическое соединение, вырабатывали красители растительного и животного проггсхожде-ния —индиго, пурпур и другие. Вино, уксус изготовляли брожением виноградного сока (при этом взаимодействуют органические всщесты!). В состав средств древней медицины и косметики также входили органичесютс соединения. Какие же особенности соединений углерода обусловли-шют изучение их отдельно от соединений других элементов? Прежде всего, соединений углерода во много раз больше, чем тех, которые его не содержат. В настоящее время известно свыше 10 миллионов органических веществ. Ежегодно их количество пополняется 200—^300 тысячами новых, полученных синтетичесюь За.метьте, что неорганических веществ известно всего лишь около 200 тысяч. Атомы углерода способны последовательно соединяться между собой, образуя молекулы разнообразной формы; линейные и разветвленные, длинные и короткие, цепочки и кольца. Например; 110 till — с—с—С—С — 1111 —с=с—с=с с—С—с— 1 I — С — — с —с I I — с—с Благодаря такому разнообразию строения вещества обладают разнообразными свойствами. Например, молекулы полиэтилена имеют форму неразвствленных >тлеродных цепей, а молекулы аспирина —форму шестичленных углеродных колец. Есть соединения, содержащие в молску'ле один атом углерода, а есть такие, в состав которых входят тысячи этих атомов. Кроме них, молекулы органических соединений могут содержать атомы водорода, кислорода, азота, галогенов, серы, фосфора и некоторых других элементов. В отличие от неорганических веществ качественный состав органических соединений ограничен, зато количественный — значительно богаче. BiUTCHTHocTb большинстш элементов в неорганических соединениях переменная (вспомните соединения, в которых сера, фосфор, ;гзот имеют разную валентность), а элементы органических соединений проявляют значительно меньше валентных состояний. Углерод в органичесю1Х веществах всегда четырех1илснтен. Более разнообразны и виды химической связи в неорганических веществах—ионная, ковалентная, металлическая. Органические же всщсст1Ш образуются в большинстве случаев посредством ковалентных связей, хотя есть среди них и ионные соединения. Кристаллические решетки большинства органических соединений молекулярные, поэтому они легкоплавки, многие из них имеют запах. В отличие от тугоплавких, устойчивых к нагреванию ионных неорганичесю1Х веществ (температура плавления хлорида натрия составляет 800 “С), органические сгорают с образованием воды, углекислого газа и вьщелением теплоты или раалагаклся при нагревании до 300—400 °С. Горючесть органических веществ обусловли- 111 васт их использование Г; виде топлши и горючего (уголь, древесина, керосин, бензин и цр.). Проводя реакции между неорганическими веществами, вы часто использовали их волные растворы. Органичссюте же вещества преимущественно не растворяются в воде. Для удаления с ткани пятен органического происхождения, например жирных, необходимо применить специальные органические растворители, а не юду. Изу^1ая химтсские свойства нсорганичссю1х веществ, вы наблюдали образование осадков, газов, изменение окраски и пр., при этом эффект проявлялся сразу же после смешивания веществ, то есть реакции происходили быстро, пракгшчсски мпновенно. Органические вещества реагируют между собой, как правило, медленно, к тому же реакции могут иметь несколько направлений, с образованием различных побочных продуктов. Поскольку в уравнениях ^хгак-ций органических соединений, как правило, записывают лишь основные продукты, то вместо знака равенства принято ставить стрелку. Однако, несмотря на сущсст11енные различия между органичсскихш и неорганическими веществами, разделение их на две группы весьма условно. Образование и реакции органичесю1х веществ подчиняются тем же законам, что и неорганическттх веществ. Среди органических веществ есть растворимые в воде соединения, электролиты (например соли органических кислот), есть термоустойчивые (например, известны!! вам тефлон, из которого изготовляют тсрх«о-устойчивос покрьпие для посуды). Органические и нсорган1Р1есю1с хзсщсства объединяет и то, что они могут взаимно превращаться. Вспомните круговорот веществ н пр1!роде. Из неорганических веществ углекислого газа и воды в растениях синтезируется органическое вещество глюкоза. Употребленная в в!ще корма, она используется животными как источник энерши и при этом опять npcBpiunacTCH в углекислый газ и воду. Таким же образом можно проследить превращение соединении азота, кислорода, водорода, фосфора. Природные и синтетические органические соединения. Различают органические вещества, существующие в природе или вьшеленные из природного сырья, и те, которые образованы синтетическим путем, с помощью химических превращений из других органических или неорганических 112 веществ, к природным органическим продуктам принадлежит нефть, природный газ, уголь, то есть полезные ископаемые органической природы, продукты растительного происхождения, таю1е как древесина, сахар, крахмал, pacrvi-тельные масла, природный кауч>лс, волокна хлопка, льна, продукты животного происхождения —аминоююлоты, белки, жиры, волокна шерсти. Много органических веществ содержит планктон. К синтетическим органичссю^м продуктам принадлежат пластические массы, синтетичссю1с волокна и каучуки, химические средства защиты растений, лекарственные препараты, красители, мьыо и другие моющие средства, фотоматериалы, ароматтсскис п вкусовые вещества и \!Ногие другие. Синтетическая органическая химия подарила человечеству огромное количество веществ, нс существующих в природе, к тому же значительно более дешевых в сравнении с вьщеленными из природного сырья. Расспросите пожилых людс11, как изменились на протяжении их жизни материалы, из которых изготовляют одежду, предметы быта, какие перемены произошли на транспорте, в строитсльст1ю, в приготовлении и сохранении пищи, в стирке и чистке одежды и пр. Вы убедитесь, что продукты синтетической (Органической химии изменили нашу жизнь, сделали се ком(^юртнее. Задания для самоконтроля 144. Какой элсмс«гг состаи;[яст основу оргаиртчсских сослипс- II ИЙ? 145. Какое событие в на>т<с принято ечтать началом развития синтетической органической химии? 146. Поясните условность термина «органшссская химия». 147. Почему, по вашему мнению, количество органических ИС1ЦССТВ зпачитсл1)По преобладает над количеством неоргашгчсских веществ? 148*. В чем разлтгшс между органическими и нсоргашпсски-\ц| веществами? Составьте сравшггельную таблицу по признакам, которые рассматривались в тексте naparpa(jxi. 149. PaccMOTpirrc 1цюлмсты шкрут' вас. Какие из них, но вашему мнению, изгсуювлены из оргаштческих веществ? 113 § 28. МЕТАЯ Состав и строение молекулы. Простейшим органическим соедингнием, в состав которого входят только один атом углерода и четыре атома водорода, является метан. Его молекулярная формула СН4. • Вспомните элскт1Х)Ннос ст^юепие атомов углерода и водорода. На внешнем электронном уровне атома углерода в возбужденном состоянии содержатся четыре неспаренных электрона, благодаря которым могут образоваться четыре ковалентные связи с другими атомами, то есть углерод проявляет валентность четыре (см. с. 83). Атомы водорода имеют по одному электрону и являются одновалентными. Предоставляя в общее пользование четыре электрона, углерод образует четыре ковалентные связи с четырьмя атолмами водорода. Обозначив валентные электроны точками, получим электронную формулу метана: Н н: С: н н Заменим точки, обозначающие электронные пары, чер-точкаш! — получим структурную формулу метана: Н I Н —С —н н Физические свойства и распространение в природе. При нормальных условиях метан —газ, бесцветный, без запаха, почти вдвое легче воздуха. В воде почти не растворяется, но хорошо растворим в органических растворителях. Природный газ, постутающий в газовую магистраль, на 98 % состоит из метана и имеет, как вы знаете, неприятный запах. Он создается искусственно добавлением специальных пахнущих веществ. 114 • с какой целью, но ваше\1у шюнию, делают это? Как основа природного raaii метан образовался в недрах .^смли, вероятно, в результате взаимодействия расказенных карбидов металлов с водяным ларом. В природе можно наблюдать метан, который образуется в результате гниения растительных остатков без доступа воздуха. На болотах он образует пузырьки на поверхности воды (болотньга газ). В угольных шахтах есть рудничный газ — это тоже метан. Метан есть не только на Земле. Он составляет основу атмосферы планет Юпитер и Сатурн. Химические свойства. С одним из химических свойств метана вы знакомы в быту—реакцией горения. Эта реакция происходит при сгорании природного газа, поступающего по газопроводу. В результате сгорания метана, как и других органических веществ, образуются вода и углекислый газ; СН., + 20. СО. + 2Н.0 Продукты реакции ^[oжнo обнаружить с помощью опыта. Если поджечь метан, собранны!! в цилиндре, или опустить газоотводную трубку с пламенем метана в стеклянный цилиндр, то спустя некоторое время можно заме-жть образован!!с влаги на стенках цилиндра. Известковая вода, добавленная в цилиндр, мутнеет. Значит, в результате горения метана выделяются вода и углекислый газ. Эти |цюдукты образовались из углерода и водорода, входящих в состав метана. Опыт подтверждает качественный состав этого соединения. • Вспомюпе, как происходит реакция углекислого шза с известковой водой. Составьте уравнение реакции. Почему вода мутнеет? Кроме продуктов окисления, выделяется большое количество теплоты. Термохимическое уравнение реакции горения метана записывается так: СН4 + 2О2 СО2 + 2Н2О; ДЯ = -890 гДж/моль. Вспомните, как называются реакции, происходящие с выделением теплоты. 115 Горение метана—это реакция полного окисления. В случае недостатка кисло[юда метан окисляется не полностью, II вместо оке ила углерода(1У) образуется углерод (в виде С11жи) и оксид углерода(П). Эго очень токсичное вещество без запаха и цвета. Следует знать, что в условиях неполного окисления метана в бытовых газовых приборах его пламя приобретает желтую окраску благодаря раскаленным частицам углерода, • Вспом1Ш'гс, почему угарный ina ядовит. Каким образом можно убсречюя от отравлышя им? Метан в смеси с кис;юродом или воздухом взрывоопасен. Взрыв может произойти даже от искры, если концентрация метана достигает критической; именно поэтому следует придерживаться правил безопасности, постоянно П1х)встривать помещения, в которых установлены газовые отопительные приборы. При стандартных условиях .метан нс окисляется таким окислителем, как перманганат калия КМпО^. Если через его раствор пропустить метан, фиолетовая окраска нс исчезнет, реакция нс произо1'шст. Не действуют на метан кислоты и щелочи. При HarpcBiiHUH метана до высоко)! температуры (выше 1000 °С) без доступа кислорода происходит реакция разложения с образованием углерода и водорода: са с + 2а Метан рсашруст с хлором CI2. При освещении стеклянного сосуда со смесью этих двух газов ультрафиолетовым светом или при нагревании происходит реакция хлорирования метана: Н Н С -- Н + С1 I ы н (квещение I С1--------и—с С1 + на н Хлормстаи На рассеянном солнечном свету реакция происходит медленно: можно наблюдать постепенное исчезновение 116 желто-зеленой окраски хлора, который расходуется на взаимодействие с метаном. По химическому xiipaKTcpy это реакция замещения. Она ис прекращается на первой стадии, а происходит до полного замещения атомов водорода: Н И 1 I Н — С — CI + CI — С1 -> н — с — CI + НС1 I I Н CI Ди хлор метан Н CI Н — с —С1 +С1 —С1 1 С1 а I II — с —С1 + С1 —С1 I С1 н с —С1 + на С1 Грихлормсгаи С1 1 а — с —а + на I а Теграхлорметаи • Напишите урапнс!П1я приведенных реакций с помощью моле- куляр!1ых ({юрмул. Суммарное уравнение полного хлори1ювания метана: СН„ + 4С12 4 4HCI На практике образуется смесь соединений, так называемых хлорпроизводных метана. На основании изложенного выше сделаем выводы относительно химической активности метана. Для того чтобы он прореагировал, необходимо нагреть его до высокой температуры пли поджечь, применить такой активный реагент, как хлор. Таким образом, метай —достаточно инертное соединение. Д.1Я него характерны реакции замещения, он не аступает в реакции присоединения. 117 IlpHMeHeHiie. Хо гя состав метана как основы болотного и рудничного газов был определен в начале XIX ст., его широкое применение началось только спустя сто лет. Благодаэя теплоте, выделяющейся в результате сгорания метана, он используется как относительно дешевое топливо в быту и многих промьшшенных процессах. Широко применяются продукты химических превращений метана: углерод (сажа) —для изготовления резины, тттографских красок; водород — в синтезе аммиака; хлор-метан используется в органическом синтезе; дихлорметан, трихлорметан — растюрнтелн; трихлорметан (другое название — хлороформ) длительное время использовался в медицине при хирургических операциях; тетрахпорметан — С1ЭСДСТВО гашения огня. Продукты неполного окисления метана являются исходными идя изготовления пластмасс, используются в органическом синтезе. Задания для самоконтроля 150. Как МОЖ1ТО доказать опытным путем химический состав метана? 151. Благодаря какому CBoiiCTBy метана его можно наблюдать в виде пузырьков на поверхности заболоченных водоемов? 152. Какой тип связей между атомами в молекуле метана? 153. В какие реакции везунает метан? Напишите уравнештя, оирсдслигс типы реакций. 154. Метан можно ситезировать из простых 1юществ. Составьте У1)авнепис реакции. Имеет ли она практическое значение? Теоретическое? Дайте пояснения. 155. Составьте элеюронные формулы хлорпроизводных метана. 156. Обоснуете химическими свойствами области применения метана. 157. Меган содержит 5 % (по обьему) негорючих примесей. Для получения 2670 кДж теплоты необходимо сжечь такой газ в объеме (н. у.) (О 67,2 л; (3) 22,4 л; (2) 70,7 л; (4) 11,2 л. 118 § 29. ГОМОЛОГИ МЕТАНА Состав и строение молекул. Вы уже знаете, что атомам углерода свойственно соединяться между собой с образованием цепей. Если два атома углерода соединяются между собой ковалентной связью, предоставляя в общее пользование по одному электрону, то у каждого из атомов остается по три электрона, способных образовать общие электронные пары с тремя атомами водорода. Химичесю1Й состав такого соединения Его электронная и структурная формулы: н н н н 1 • * • • 1 1 н: с: с: н * • « • н —с 1 — С 1 н н 1 н 1 н Это соединение называется этан. Запишем электронную и структурную формулы соединения углерода и водорода, в котором содержатся три последовательно соединенных углеродных атома, помня при этом, что углерод четырех-, а водород—одновалентный: н н н н 1 н 1 н 1 н:с: :с: :с: н н —с - 1 -с -1 -с —н н н н 1 н 1 н 1 н Молекулярная формула пропана (а именно так называется это соединение) —СзН^. Структурные формулы можно записывать в упрощенном виде. Например, для этана СН3—СН3, для пропана еНз—CHj—СН3. В состав приведенных соединений входят лишь атомы углерода и водорода, полностью, до предела использовавшие С1ЮИ валентности (иначе говоря, валентности атомов углерода полностью насыщены атомами водорода), такие соединения называются предельными, или насыщенными, углеводородами. К ним принадлсж1гг и метан. В таблице 4 приведены характеристики предельных угле-1юдородов в порядке возрастания числа атомов углерода в молекулах. Названия первых четырех соединений этого ря- 119 да сложились исторически, а начиная с пентана, образуются от греческих шш латинских числительных прибавлением суффикса -аи. Таблица 4. Предельные углеводороды Название соединения Молекулярная (^юриула Структурная формула (сокрашенггая) ^кип.' ^ Метан СН4 -162 Этан СгНг, СН,— СНз -89 Пропан С,Н« СН,—СН2— СНз -42 Бугаи C^Hjo СН,— (CFl2)2— СН3 -0,5 Пентан с,н,. СН3— (СНгЬ— СНз 36 Гексан Сг,Н,4 СНз—(СНз)^—СНз 69 Геггган , СНз—(СН2)5—СНз 98 Оклаи СНз-(СН2)б-СНз 126 Нонан С9Н20 СНз-(СН2Ь-СНз 151 Дскаг! С.0Н22 СНз— (СНз)»— СНз 174 Структурные формулы, которыми часто пользуются в органическо11 химии, являются плоскостными схемами молекул и отражают только последовательность размещения атомов в молек>'лах. Реальное же их строение отличается от схематического изображения, поскольку атомы размещаются в трехмерном пространстве. Доказано, что молекула = 109.5° Рис. 13. Тетраэдрическое строение молекулы метана 120 н сн^ н: с; н н о б Рис. 14. Метан: а — молекулярная формула; б — электронная формула; в — структурная формула; г — ша-ростержневая модель молекулы; б — масштабная модель MOJ^ieKvnbi атом углерода Q атом водорода связь метана имеет форму правильном тригоналъной пирамиды (тетраэдра). Если атом >тлерода вписать в середину этой геометрической фигуры, то четыре валентные связи будут направлены под углом 109,5“ к вершинам тет1)аэдра, где размсщакугся атомы водо1юда (рис. 13). Тетраэдрическое направление связей позволяет валентным электронам находиться на максимальном расстоянии друг от друта. Такое строение молекул обусловлено электронным строением атома углерода и подтверждается физи-ко-химичссюгми исследованиями. Реальное ст1юенис молекул можно передать с помощью моделей. Для конструирования моделей атомы утлс1Х)да и водо1Юда изготовляют в виде шариков, а химические связи — в виде стержней, поэтому такие модели называются шаро-стержиевьши (рис. 14, г; рис. 15, г). н н Рис. 15. Этан: а — молекулярная фop^^yлa; б — электронная формула; в — геометрия молекулы; г — шаросгержневая модель мо;гекулы; б — масштабная модель молекулы 121 Используют также масштабные модели, в которых размеры атомов и связей пе1)еда1сгг-ся точнее, пропорционально реальным размерам молекул (рис. 14, d; рис. 15, д). Попробуем собрать модель молекулы пентана, придерживаясь тетраэдрического направления химических связей атомов углерода (под углом 109,5“ друг к другу). Мы заметим, что цепь угле1юдных атомов представляет собой нс прямую, а зигзагообразную линию (рис. 16, а). В молекуле пентана вокруг углерод-углерод-ных связей при обычных условиях возможно свободное вращение. В |х;зультате этого молекула может принимать и другие формы, как показано на рис. 16, б, в. Зигзагообразное строение наиболее энергетически выгодно, поскольку атомы в этом случае максимально отдалены друг от др>та. Следует помнить, какую бы форму ни приоб1Ютала углеродная цепь, последовательность соединения атомов в молекуле остается во всех случаях одной и той же и выражается структурной формулой. Постоянными остакяся валентные углы атомов углерода (109,5“) и длина связей. Между атомами углерода она составляет 0,154 нм. Физические свойства. Агреппное состояние веществ ряда, родоначальником кото1Юго является метан, изменяется постепенно от газообразного к твердому (при стандар- Рис. 16. Модели пространственных форм молекулы пентана 122 тных условиях) с увеличением числа атомов углерода в молекуле. Как свидетельствуют константы, П1шведснныс в таблице 4, первые четыре соединения лри обычных условиях — шзы, далее следуют жидкости, а начиная с углеводорода состава CjgHjjj (в табл, не приведен) —твердые вещества. П1)сдельныс углеводороды не растворяются в воде, но растворимы в органических 1Х1створителях. Соединен1ьч состава С5—С|7 имеют ха1Х1ктсрный «бензиновый» запах. Пропан и бутан легко сжижаются при повышении давления. Смесь этих газов (балонный газ) используется в быту как топливо. Основной природный источник предельных углеводородов— нефть. Об извлечении углеводородов из нсфзи вы узнаете позднее. Химические свойства. По химическим свойствам эти углеводороды очень похожи на wertiH; горят, разлагаются при наг1Х5вании, вступают в реакции замещения с хлором, не вступают в реакции присоединения: CjHg + 5О2 -э. ЗСО2 + 4Н2О Пропан Этап t ‘ 2С + ЗН, СН 3 Этан освещение СНз + CI2 -> СНз—CH2CI + НС1 Хлорэтаи CpaBHvrrc эти реающи с реакциями метана. Все эти реакции п1Юисходят при определенных дополнительных условиях; нагревании до температуры разложения или возгорания, световом облучении. При стандартных условиях П|х;дельныс углеводо1Юды достаточно ине|тгны, не |зеагар>тот с кислотами, щелочами, не окисляются таю1М сильным окислителем, как перманганат калия. В этом можно убедиться на опыте, действуя на различные предельные углеводороды растворами названных веществ. Именно химической устойчивостью предельных углеводородов, относительной инертностью объясняется их другое название — парафины (от лат. ратт — мало, affmis — С1юд-ство). 123 Таким образом, предельные углеводо1Х)ДЫ, шш парафины, обладают подобными свс11ствами, хотя и отличаются друг от друга количественным составом молекул. Внимательно paccMOTixjB таблииу 4, бы заметите, что это различие выражается количеством групп СН2: СН,—СНз СН3—СИ2—СНз еНг Этан Пропан СН,— СН,—СНз Бутан Соединения, имеющие сходное строение молекул и сходные химические свойства, но отличающиеся между собой по составу на одну или несколько групп СН^ называются гомологами, а ряд соединении—гомологическим рядом (от Греч, слова, означающего соответствие). Группа СН2 — гомологическая разность состава. Явление гомолопш очень р^юпространено С1)еди органических веществ. Рассмотренные нами метан, этан, пропан, бутан и другие >тлсводороды принадлежат к гомологическому ряду метана. Далее вы ознакомитесь с друп1ми гомолога-чсскими рядами. Общая формула гомологов парафинов. С„Н2„+2- Зная ее, можно вывести формулу любого из этих соединений. Например, формула предельного углеводорода, содержащего 15 атомов утлерода, С,зНз2 (пентадекан). Задания для самоконтроля 158. Какие соединения называются предельныш! углеводоро- дами.' 159. Приведите обитую (1юр\1улу предельных углеводородов. 160. Составьте молекулярную, структурную (сокращенную) фop^^yлы тюмолога метана, содержатиего двенадцать атомов углерода. 161. Как называется иределытый углеводород, имеющий озно-сительную могтекулярттую массу 114? 72? 124 162. Какая из сггруктурных формул соответствует гексану: (1) CHj— СН,— СЩ— CHj— СН,— СНз н н н н н н (2) H-^lr-C-C-C-C-i-H I I I I I I н н н н н н (3) н н Н н н-с'^ ^с-н I I н-с с-н н н н 163. Какая из структурных формул тгаиболсс приближается к реальному размещению атомов в пространстве: Н Н Н И 1111 (I) Н-С—С—С—С—11 1111 11 Н II и (2) н I 11-е- н н—с—н н—с—н I I II 11 н н Н с. V с—II (3) ,, • t-C н с н н II (4) CHj—СНэ-СН^—СНз 164. Можно ли смыть водой нсф1’Янос пятно с ткани? Поче- Niy? " 165. В чем оъчичис между молекулярной и стр>тсгурной (1юрмулами? Между структурной формулой и моде;гью? Между шаростержневой и масипабной моделями? 166. Существует ли зависимосдъ межд>' агрегатным состоянием гомологов метана и их относительной молекулярной массой? Сделайте i юяс1 ici еия. 167. Нарисуй'гс график изменсЕтия температуры кипения гомологов метана. Продлите 1рафик пунктиром. Как>то температуру кипения можно допустить идя соединения состава Ci^Hjo'-^ 168*. Пользуясь справочником, попробуЁтге определить закономерность в изменении плотности в ряду гомологов метана. 169. Назовите: общие и отлттчнтельные признают гомо.югов. 170. Оправдано ли химически другое название п{зедельных углеводородов — парафины? Докаждггс это. 171. Парафин для свечей состоит преимущественно из углеводорода, содержащего в составе молек>'-ты 25 атомов углерода. 125 Сосггавьге мо/екулярную формулу соединения и уравнение реакции его горения. 172. Этан реагирует с (1) сульфатной кяслотой; (3) кислородом; (2) известковой водой; (4) щелочью. 173*. Проанализируйте данные, приведенные в таблице 5. Каким обра.зом теплота сгорания связана с составом мо.тскул парафинов? Ташица 5. Теплота сгорания углеводородов “1 Название Формула Теплота сгорания. кДж/моль Метан сщ 890 Этан 1560 Пропан CjHg 2220 Бутан ^4^ го 2878 Пентан 3536 ! Гексан 4141 i Гептан ^7*^16 4817 1 Октан 5474 174*. Почему, по ваше.му мнению, в бытовых газовых баллонах истюльзутот иропан-бутагювую смесь, а не метан? 175*. На основе данных, приведенных в таблице 5, и учитывая, что теплота сгорания угля (в перерасчете на чистый углерод) состав.1яет 394 кДж/моль, объясните, какой ггродукг — метан шш уголь—ггелесообразнсс (но массе) использовать как тошшво в быту. Какие преилгущсства и недостатки каждого из этих видов тошшва? § 30. ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Изомерия. В молекулах гомологов метана атомы угле1юда последовательно соединяются в цепи. Попробуем собрать модель молекулы бутана C4H,q. соединив между собой четыре атома углерода в другой последовательности, но при сохранении их четы1х:хвалентности. 126 Лабораторная работа 6 Изготовление моделей молекул бутана и изобутана Модели молекул можно собрать из деталей стандартного набора заводского изготовления или сделать из пластилина и спичек. Вам понадобится пластилин двух цветов. Изготовьте четыре шарика одного цвета большего диаметра (атомы углерода) и десять шариков другого цвета меньшего диаметра (атомы водорода). Соедините последовательно с помощью спичек (химические связи) шарики большего диаметра, затем присоедините к ним шарики меньшего диаметра. Измените последовательность соединения атомов углерода и присоедините к ним атомы водорода. Вы убедились, что атомы могут соединяться в последовательности, которой соответствуют такие структурные формулы (рис. 17). н н н н н н н 1 1 1 1 f 1 1 н — с — с с — с - -С - - с - - ~н 1 1 1 1 1 1 i н с н н н н н /!\ Н Н Бутан нормального строения = -0.5 "С н н н Изомер бутана = -12 'С Рис. 17. Модели изомеров бутана Для пентана возможны три шрианта строения (рис. 18), отвечающие приведенным формулам. Оказывается, эти формулы принадлежат разным вещсс-тгам с разными свойствами, о чем свидетельствуют температуры кипения. Одинаковый у этих веществ только состав молекул. 127 н н н 1 н 1 н 1 1 н — с -1 - с -1 1 -с 1 1 — с 1 1 — с — н 1 1 н ! н 1 н ! н 1 н Пентзп кормального строения Н Н Н Н I Н—С — С—С — С — н I t I I н с н н /|\ н н н Изомер пентана ^кнп. ~ 28 С ИНН \1/ Н С н с — н н с /|\ ИНН и Изомер лентапа W ^ ‘О Рис. 18. Модели изомеров пентана Соединения, имеющие одинаковую молекулярную формулу, но различное строение и разные свойства, называются изомерами (от Греч, изос — одинаковый и мерос —часть). Мы 1)ассмотрели приме|)ы так называемой структурной изомерии, о6условленно11 ст^юснием углеродного скелета молекулы. Теория химического строения. Явление изомерии свидетельствует о существо1^ании взаимосвязи между строением и свойствами органических соединений. Эту взаимосвязь объясняет теория химического строения органических соединений, автором которой является выдающийся русский уче-Hbiii А. М. Бутлс|юв. Теория гласит, что атомы в молекуле размещаются не беспорядочно, а в определенном порядке в соответствии с их валентностью. Каждое вещество имеет свойственную только 128 ему последовате./1Ы10сть соедиисиия апюмов в молекуле, то есть химическое строение, выра.усающееся структурной (^юрмулой, ши формулой аг.роашя. /Ьпомы в молекуле влияют друг на друга. I, Свойства органических веществ опреде- I лвются составом и химическим строением их II молекул. Данное положение теории Бутлерова является химическим законом. Явление изомерии было известно до А. М. Бутлерова, но не имело научного объяснения. Бутлеров ввел в науку понятие химического строения и, рутсоводствуясь теорией, допустил, что для молекулы cocTaiia С4Н,(^ возможны два варианта размещения атомов, то есть должны суодествовать Д1Ы бутана с разным химичсскп.м строением. Ученый еннте-знроват неизвестны!! к тому времени изобутан, который, как и ож!1далось. отличался по сшйствам от бутана. Этим и друтими синтезггми бььта доказана справедливость теории химического строения органических веществ. • Вспомните, какие iiay^iiib'c прс;шидсш1я бЕъчи сделаны Д. И. Мсщ1елсс1!ым па ocnoiianiiii периодического закона. Осу- ||[ссттишсь ли они? О чем ато свщ[стс;п>стиует? Теория чи\!ического строения. сформулирошнная А. М. Бутлс1ювым в 1861 г., засвидстсльствовгыа сушество-1занис взаимосвязи между химическим строение.м органических соединенИ1! и их свойства\!и. Это положение было значительно углублено, когда науке открылось внутреннее строение атомов и молекул. Оказатось, что свойства 1Ю-ществ обусловливаются не только химическим, но и электронным, а также пространственным строением молекул. В современной трактовке основное положение теории строения формулируется так; Свойства органических веществ определяются составом, химическим, электронным и пространственным строением их молекул. Таким образом, чтобы охарактеризошть вещество со-niacno coBpcMCHHoii теории строения, необходимо указать сю качественны!! и количественный составы, порядок сое-/птсиня атомов в молекуле, фор.му' и размер молекул, рас пределение электронов в молекулах. 129 БУТЛЕРОВ АЛЕКСАНДР МИХАЙЛОВИЧ (1828—1886) Русский химик. Получил образование в Ксаамском университете. Гам же стал профессором, позднее возглавил кафедру в Пезер-GypiCKOM универсзп'сте. Выдающийся теоретик и блестящий экспериментатор Автор теории хямическ'их) строения орщнических веществ и nqiBoro >чебШ1ка по органической химии, где материал изложен с позиций этой теории. Снигсз11ровал ряд изомеров, предсказанных им же с помощью теории стрсюпия, чем докажет се справсщливоспь. Осуществи.! первый синтез cavapuc'ioro вещесгва. tiHTcpcCbi М. Jjyrjtcpoiui, челсвска высокооОразоваиного. кроме химии, касались медицины, пчаловолства. садоводства. Вьшаюшийся неда-1Ш. ВОС СИТЩ! щюяду ученых-химиков. Мы будем рассматривать органические веществ*! только с позиции нх химического строения, не касаясь электронных взаимодействий и пространственного строения. Эти аспекты изучаются в полном курсе органической химии. Закономерность взаимосвязи строения веществ и их свойств распространяется не только на физические и химические CBoiicTBa, но и на биолошческие функции. Эта закономерность лежит в основе конструирования веществ с необходимым комтексом технических, биологических или иных характеристик, иапри.мер красителей, поли.меров, лс-ка1х;твеиных препаратов, средств защиты растений. Теория химического строения была создана на основе изучения явленш'!, наблюдаемых в органической! химии, но это общехимическая теория. Зависимость свойств веществ от их строения существует для всех без исключения веществ, в том числе и неоргапичссклх. Среди последн1ГХ также наблюдается явлению изомерии. Нап|)имср, цианат натрия, имеющий химическое строение Na —О —С —N, плавится при температуре 550 "С, а его изомер фульминат натрия Na—О — N =С взрывается при нагревании. Номенклатура предельных углеводородов. С возрастанием числа атомов углерода в молекуле возрастает число возможных изомеров. Если у бутана C4H,q есть два изомера, то у декана C,qH-,2 —75, а у пентадекана С,зНз2 —4347 ггзомеров. 130 КИПРИЛЛОВ АНДРЕЙ ИВАНОВИЧ (1896—1972) Украинский химик-ор1аиик, академик. Закончил Харьковский университет. РаСюта! в Харьковском, Киевском универскгетах, воз-|.1ав.'!ЯЛ Инс1тпут органической химии АН Ук1хшпы. Одним из первых y'lciibix химиков применил электронные нрсдсааштения ,гля выяснения зависимости свойетп органических г.ешеств от их строения. На основании этого сформулировал теорию цветности орпжичс-скил веществ. Сингезнровал ряд новых кра-cитcJlcй. используемых в промышленности Оаювоположнгж научной шкалы украинских чимиков-оргаииков. • Имеются ли изомеры у соединения состава СзН^^? Кажды]1 изомер является нндншщуальным веществом, н\!сюшим собственную структуру и название. По международным правилам в основе названия углеводорода лежит на.л^нис нормальной (неразветвленной) цепи; метан, этан, пропан и т. д. Указываются также место и название группы атомов, составляющей разветвление (иначе гошря. радикала, замести 1'сля). Этими замсст»ггслями быть разные группы, например, приведенные в таблице 6. Гаплицо 6. Углеводородные радикалы СХ)щая ■[юрмула — СН, Структурные ({юрмулы н I с —Н I Название I Мстил н С,н, — СН, —СН, — — С5Н7 — СН,—CH3 —СН, — н н н _ н н н I I н н Э^ГШ1 131 Для того чтобы составшпо название предельного углеводорода^ необжудимс определит о самую длинную цепь углеродных атомов и пронумеровать их, начиная с конца, к которому ближе развапвлег.ие. Перед названием углевО()орода цифрах,и обозначить места радикалов и их названия по алфавиту. Например, изомеры пентана называются так: 12 3 4 5 сн,—сн,—сн, — сн.—сн, Пентан 4 СН- CHj —сн —сн. 2-Мстнлбутан сн, сн, сн, 2 с 3 сн. 2, 2-Димст1ишропан сн, 1 2 3 4 5 Соединение СН, —СН —СН —СН^ —СН. I 1 СН, СзН, называется 2-мстил-З-этшшснтан. Задания для самоконтроля 176. На piicyiKC 19 изображены «скелеты» изомс1ЮВ октана. Составьте их езрукорпые фор\0'лы. На:ювитс несколько сосдинепшЧ. 177. Сколько состипении прсдстгизлсгю такими струкзурами; С — с "■-с -с/" с — с 1 — с — с: 1 1 1 1 1 с с с — с —с с с 1 1 с с С — С —С — с с —с —с с с Составьте их молекулярные (|юрмулы. 132 .i!.. л л. , Л..1. л л.,. . ' > ► . ■! I - ■ I i Рис. 19. Схематическое Ст1юепие изомеров tuaana 178. Назоштге общие и разлгтчпые признаки изомеров. 179. Химщ1сскос строение Bcuiccriiia можно охарактеризовать (1) MOjieKyjiHpiiofi (^юрмулой; (2) молекулярной массой; (3) ст11укт>'рной формулой. 180. Навдитс 4><'>рмУ--'1Ы 1тзомсров и гомологов среди привелс1[-ных (1юрмул; СН, —СН — СН,—CHj (1) I СИ, (4) СН, СНз сн. — CHj СНз (2) 1 (3) 1 СНз СНз — сн —СНз сн, I сн, 1 1 с — 1 СНз (6> СНз 1 — с — 1 СНз—СНз СНз 1 СНз 181. Закон 3i^BiiciiMOCTH свойств веществ от их сгросния спра-вс;ь|ив (1) только/1ЛЯ сосдииеьшн >тлерода; (2) /ьтя всех химических сосдинегшй; (3) д,’1я газообразных сослщнсгшй. 182. Какая йюрм>ла даст больше шк^юрмации о молекуле углс1юдорода—молекулярная щги стрзтегурная? Дайте пояснения. 133 §31. НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ Состав и строение молекул этилена и ацетилена. Существуют углешдороаы, содержащие водо1юда как будто меньше, чем это необходимо для пэлного насышешгя четы-рсхвалснтности углерода. Например, в соединении cociaBa С2Н4 как будто не хватает двух :itomob водорода, а в соединении CjH, —даже четырех атомов водорода. Этой нс-насыщенностью н объясняется наз1^дние группы соединений — ненасыщенные^ шти непредельные^ углеводороды. Обратимся к xiiMHMccKOMv строенхгю этих веществ. Особенность его состоит в том, 'по атомы углерода в Э1ИХ соединениях связаны между собой двойной шти тройной связями. В молекуле этилена С2Н4 атомы углерода прсдоставл5«от в общее пользование не по одному, как в молекуле этана CjH^,. а по два электрона и образуют между собогг две общие электронные пары, то есть две ковалентные связи. По два BiuieHTHbix электрона, остав-щихся у атомов углерода, используются для связей с атомами водорода. Электронная и структурная фор\«улы этгшена — Н II н: С:: С: И, и н н I I с “ С — и Валентные утлы в молекуле этилена — 120 длина углс-род-улсродной связи —0,134 нм (рнс. 20). С.Н 2**4 н н н:с::с: н 6 н н им у 120^ С С==С \ , Н 120- н Рис. 20. Этилен, а — молекулярная формула; 6 — элсктрогшая формула; в — геометрия мгпекулы; г — шаростержневая .модель молекулы; О — масштаОная модель молекулы 134 в молекуле ацетилена CjHj атомы углерода использую! для связи между собой по три электрона, образуя три общие электронные пары, то есть тройную связь. Ксшдый из атомов углерода предоставляет по одному оставшемуся элскгрону для обра:зования связи с водородом. Электронная ([юрмула ацепшена Н I С *: С I Н, структурная форм>да н —С^С —н. Валентные \тлы в молекуле анетштена—180“, длина углсрод-углсродной связи —0,120 нм (рис. 21). Двойная и Т1юйная связи называются кратными в о'гли-чис от ординарных (обычных, простых) в насыщенных VJ лсводородах. Эт1тсн и ацетилен являются родолачещьниками соответствующих гомологических рядов. Например, пропилен СГЦ—СН — CHj — го.молог этилена. Общая формула нсп]эедсльных углеводородов ряда эггилс-иа С„Н,„, ряда ацетилена С^2п-г • • Составьте '1х>рмулы бл!1жайших гомологов этилена и апегилс-па. Изомерия и номенклатура непредельных углеводородов. Непредельным углеводородам, к*ак и предельным, свойственна структурная изомерия, обуслоатенная строением углеродного скелета и положением кратной связи. Например, ;ц1я соединения cocTaiia C4Hj^ возможны такие изомеры; СН, —СН, —СН ==сн CH=CH—СН 1*ис. 21. Лдетилси: а — молек\ляриая (формула; б — элекфомная формула; ч — «сомстрия молекулы: г — исаростержиевая модель молекулы: л масипабиая модель молскул1>1 135 По межлунщюдной номенкпату'ре названия непредельных ^тлеводородов составляются опт корней словназв^гний предельных углеюдородов. Прежде всего следует определить основную цепь атомов углерода, содержащую кратную связь, и пронумеровать эти атомы, начиная с конца, к которому ближе кратная связь. Перед названием следует цифрами обозначить место заместителей (радикалов) в алфавитном порядке; после корня слова добавить суффикс -ен для этиленовых углеводородов или -ин —для ацетиленовых. После названия цифрой обозначить место кратной связи. Например: 5 4 3 2 i СНз — CHj — СИ = СН — СНз Психеи'2 СНз — С — С — ^^2 —СНз Пеитин-2 СН. СН. 1 2 3 4 5 СН, — С =:СН — СН, — СН, 2-Мстяшснчеи-2 5 4 3 2 1 СН, —СН —с ^С —СН, 4-Мстилпеагип-2 Физические свойства этилена и ацетилена. Эпшен — бесцветный газ, почти без запаха, мало раетшрим п воде, немного легче воздуха. Ацетилен —тоже бесцветный газ, без запаха, плохо растворим в воде, немного легче воздуха. В природе этилен и ацетилен не встречаются в свобод-HOXJ состоянии из-за высокой активности их молекул. Этилен образуется в процессе переработки нс1|лги, ацетилен получакуг путем синтеза, в том числе и из неорганических веществ. Химические свойства этилена и ацетилена. Как и друше углеводороды, этизен и ацетилен горят (то есть полностью ОЮ1СЛЯЮТСЯ) с образов4шисм оксида углсрода(1У) и воды и выделением теплоты: СЫз =: СНз + ЗОз -> 2СОг + 2Н2О; Д//< О 136 2СН=СН + 50з 4С02 + 2Н,0; АН < Q. Э1НЛСН можно получ11ТЬ с помощью прибора, изображенного на рисунке 22. Если поджечь газ, выделяющийся МО газоотводной трубке, у ее конца наблюдается светящееся пламя. Вспомните: метан горит бесцветным пламенем. Объяснить это различие можно, исходя из состава мо--|)скул метана и этилена. Массовая доля углерода в метане составляет 75 %, а в этилене—86 %. Значит, этщзен. разлагаясь в пламени, об|Х1зуст больше по сравнению с метаном частиц узлерода, которые раскгыяются и вызывают свечение пламени. В верхней части пламени они сгорают до углекислого газа. Можно предположить, что ацетилен будет гореть еще (юлсс ярким пламенем, поскольку массовая доля углс1Х)да в ею молекуле составляет 92 %. В этом можно убедиться на опыте (рис. 23). Действительно, ацетилен горит коптящим пламенем. На практике при ацстштсновой сззарке в пламя дополни-1СЛ1>но подаются 1юздуз( или кислород для полного сжигания ацстшзсна. Непредельный характер углсрод-углсродных связей! обусловливает и другие ХИМИЧССЮ1С с1Ю11ст1за этилена и ацетилена. <.:,н,;ОН и ,so Гис. 22. Получение этилсш п ла- НОрЛИ'рНИ Рис. 23. Полу’гсиис ацетилена в лаборатории 137 Определяя хи\шческую актавность предельных углсволо-1ЮДОВ, мы проведшиI испъпганпя их раетвором перманганата калля; его окраска не изменялась. Непредельные углеводороды проявляют значительную активность в этой реакции: фиолетовая окраска раствора исчезает при пропускании через него этилена или ацетилена. Значит, эти вещества вступают в реакцию частичного окисления с перманганатом калия. В резульгатс реакции образуются продукты сложного строения, поэтому мы не записышем уравнение реакции. Она характерна для iicc> непредельных соединений и используется как качественная реакция для определения кратной связи в молекуле. Если щля предельных углеводородов характерной была реакция замещения, то для непредельных —реакция присоединения. При наличии катализатора (платины, никеля) но месту кратной! связи может присосдиндгься водород: 1каг-1 СЩ = СНз + Нз Этилен -> сн з~СНз Этан СН =СН f 2Н^ Ацетилен -> еНз—СНз Этан Поскольку ацетилен имеет более непредельный характер, последняя реакция может рассматриваться как двухстадийная: сначдча образуется этилен, затем —этан: н,. |кат.| СН =сн /\цет1ьтен -> СНз=:СН2 Эппеи Н,.|кат.) -------СН, —СНз Этан Реакция присоединения атомов называется реакцией гидрирования. водорода Путем гидрирования можно превратить непредельные углеводороды в предельные. П1Х)пуская газы этилен и ацетилен через бромную воду, можно наблюдать се обесцвечивание, что свидетельствует о присоединении молекул бро.ма по кратным связям молекул этилена и ацетилена. В случае ацетилена присоединяются две молекулы брома (почему?): 138 Br Br I CH2 ::== CH2 + Bl’2 CHj—CH2 1,2-Диором'этаи Bi Br I I CH = CH + 2Bi2 -> CH — CH I 1 Br Bi 1,1.2.2 - J етрабром jra u Рсак]|ия c Оромиой водой также испатыуется для определения в молекуле кратной связи. 1к'дород и бром — npocTJje вещества, которые присоединяются ito кратным углс5Х)д-углеролш>1.\1 связям. Но непредельные углеводороды МОГУТ присоедииятт. и сложные вещества, например галогеноводороды; Н Н ________ I 1-/ с = с —н + н t__________I Br -> Н н н 1 ! - с — с —н I I Н Вг bpoM'jTait Из CKvaaaHHoro .можно сделан» вывод, что ацетилен и ггнлеп—вещестш с высокой химической атсшвностью. Как для непредельных углеводородов для них характернь! реакции присоединения. Разный состав молекул и различ-iHui кратность у1лсрол-углсродных связей обусловливают |)азличия в прохождении |юакций для этилена и ацетилена. Получение этилена и ацетилена относится к .многотон-иажным химическим производетшм. Эгилен и его гомологи ()Г)разуются в щюцессе переработки ^тлсводородов, содер-Апшихся в нефти. Это основной способ промышленного получения этилена. Его образованно происходит, например, по такой схеме: СНз —СН, —СН2 —СН2 —СНз Истай СН2=гСН2 + Этилен + СН3—СН2—СНз Пропан 139 Ацетилен, исгользусмый для сварочных работ, часто получают НА месте в результате взаимодействия карбида кальция CaCj с водой; СаСз + 2Н2О -> НС =СН + Са(ОН)2 Ацетилен Схему этой 1зсакци11 можно записать и в таком виде: > С н -^ОИ са^: >С н НС=СН+Са(ОН), ОН До недавних пор именно так получали ацетилен и в промышлен ности. • Если вы иаблк>;ивп1 зт>' рсакшио во 1птсмя сооружеиш! 1ыи рсмота сп^оегшй, опишите аппараты, в которых ола происходит. Сравни ГС этот способ с ла^раториым способом получения ацстгыена. Карбид кальция получают в {юзультатс нагревания в электропечах смеси извести СаО н кокса до температуры 2500 °С: СЮ + ЗС -> СаСг + СО Карбидньш способ получения ацетилена очень энергоемкий (почему?), и в этом состоит его основной недостаток. Экономически выгоднее получать ацетилен из метана нагреванием его до тсмпс1хгтуры 1500 “С. Реакция происходит по схеме: 2СН4 НС=СН +ЗН2 Метан Ацетилен • Составьте ггепочку химических преврашений от кокса к этапу. Применение этилена и ацетилена. Из этилена получают ряд ценных продуктов. Это п^южяе гюсго полиэтилен, используемый для получения пластмассы. Из этилена получают и этиловый спирт, который применяется в производ- 140 с me ряда органических П|юд>к:тов. В результате присоединения хлора к этилену образуется 1,2-дихлорэтан, являю-шпГюя растворителем и средством уничтожения вредителе!! ссльскохозяГ1ствснных культур. А продукт присоединения хло|юводорода—хлорэтан —анестезирующее вещество. • Напишите сиэукгуриую форму;гу 1,2-хлорэтапа. После открытия в конце XIX ст. способа получения аце-гилена из карбида кальция его начали использовать для освещения. Однако эта отрасль применения нс пол>^!ила развития из-за несчастных случаев, вызываемых взрывами аистилена. Благодаря высоко!! теплотворно!! способности ацетилен используется для газовой резки и сварки .мст;1ЛЛОв. .Ацетиле ново-киалород нос пламя имеет температуру 2800 °С и легко плавит ст^ии>. Из ацетилена получают исходные !зсщсст1за для производства пластмасс и синтетических каучуков, он является сырьем для синтеза уксусной кислоты. Задания для самоконтроля 183. Чем отличается состав эшлегговых и аистщгеиовых углс-1ИТГО{ЮЛОВ? 184. Како!г тип связей меж/гу атомами в магскулах исиредсль- I иJX углеводороло»? 185. Являются ли изомерами соединения: СН, СИ— СН,— С11,— СН, и CH,— СН_,— СН = СН,: ем, ггСН—СИ,—( Н,—СН. и СН,—СН 1=:СН—CHj—СН. 186. Почему метан горит почти беегшетпым ггламснем, а апе- II Lien СВС13ПЦИМСЯ? 187. Какое наиболее характерное свойспю непредельных углс-тхидю/ЮВ? 188. Обьясшпе, чем различаются рсаюгии ирисослиггения ;ыя ни гена и ацетилегга. 189*. Привсдггге два сггособа гголучсиил хлорэтана. 190. За|ги1ггитс уринпегшя двух сталии рсакпии аиетгсгегса с iipOVOM. 191. Сушествуют ли в ггриро.де в спободггом сосюяншг эгилеп II aiicriLicii? Даше обоснованный ответ. 14] 192. Как можно химическим пу^гем определить непредельное сосдинсаие? 193. Ацеп-иен оСрааует взрьлюопасные смеси с воздухом. Рс-areim.i взаимодействуют нолпостыо при об-ьемном соотнотении кпс;ю1ю.та ir адетилеиа (1) 1:2; (3)5:1; (2) 10 ; 4; (4) 1 : 20. § 32. выве;дение молекулярной формулы ГАЗООБРАЗНОГО ВЕЩЕСТВА в 8 классе вы научшись вычислять массовые доли элементов в 1юществс по его молекулярной фор.муле. Соотношение между относительной атомной массой элемента и относительной молекул51рнон массой соединения выражается форх|улой: /1 (элемента) - п >v (элемента) = —.. , — — * Д7^(вешсства) где п —число атомов элемента. Может ставнпдгя и обратная задача, вычислить количес-1ВО ато.мов кхкдого элемента в молекуле, то сеть вывести молскулярнуто формулу всидсства по известному' содержанию элементов. Тогда п - м’(элемента) М^{всщссгт) (1) (элсмстга) Огноснтсльную молекулярную массу газообразного вещества можно вычислить по его относительной плотности по другому газу% например кислороду, водороду или воздуху. Относительная плотность оп1х:дслястся как частное от деления относ 1пгсльн011 молекулярно!) массы газ;1 на отно-сител1>ную .молекулярную массу соответственно ююлорода, водорода Ш1И воздуха: А/ (i3cujecrm) Двозд.) = /Т (BciHccTiia) АН2)= 2 ; Л/^ (Beuieci'Ba) ' 29 ' Отсюда можно вычислить искомую относэггсльную молекулярную массу газа; J42 Л/,.(15ешестБ;1) = 2D{W^) = JlDiO^) = 29/)(возд.) (2) Задача. Определить молекулз1рную формулу газообралю-го >тлсводорода, содержащего 80 % углерода. Относ гггсль-ная плотность >тлсводорода по водороду составляет 15. гг(С) = 80 % = 0,8 ДНз) = 15 _ _ /7(С) = ? //(Н) = Первый способ. Прежде всего определим относитсльн>то молекулярную массу углеводорода по формуле (2); Л/^ = 2 • 15 - .30. По формуле (I) определим число атомов углерода и водорода. Поскольку соединение —углеводород, доля водо-|юда составляет 100 % -80 % = 20 %; 0,8-.30 _ д(С) = ^ 2; ,, 0.2 • 30 . Д(Н)= , =6. в молекуле утлсводорода на два атома углерода приходится шесть атомов водорода. Ответ: формула углсводо|юда С2Н(,. Второй способ. Допустим, в молекуле >тлсводорода со-дсрдштся А' атомов углерода и у атомов водо|)ода. Масса .v атомов углерода составляет 12л', а у атомов водорода — \у. Массы углеродных и водородных атомов относятся между собой, как 80 к 20. 80 . 20 12л*: 3’ = 80 : 20; х : у = -г 12 ■ I ’ .V ; >’ = 6,6 : 20. Чтобы перейти к нелым числам, поделим оба 'шена ссютношения на меньший из них; А : у = 1 ; 3. Значит, в молекуле углеводорода на один атом углерода приходится три атома водо}юда; так называемая простейшая <|юрмула соединения СН;,. Чтобы определить истиннукз молекулярную формулу, следует определить мадскулярную ма' су соединения по формуле (2): Л/^ = 2 • 15 = 30. Поскольку л/,(Си,) = 15, то простейшую {[юрмулу слс-nvci удвой l b. искомая фор.мула углеводорода С2Н^,. 143 § 33. ПОЛИМЕРЫ Состав и строение полиэтилена. Молекулы этилена спо-себны вступать в рсакикю соединения между собой, образуя длинные цепи с высокими значениями относительных молекулярных масс. В результате реакции образуется так называс\»ын полимер. Процесс последовательного соединения молекул низкомолекулярного вещества с образованием высокомолекулярного называется полимеризацией (от гр. пели—множественный, много и мерос — часть). При полимерпз;1цш1 этилена обр;1зустся полимер этилена полиэтилен: СНз=СН2 + СН2=СН2 + СН2=СН2 + ... -> — СН2-—СН2— + — CHj—СН2— ь — СН2—СНз—+ — CHj— СН2— СН2— СИ2— СН2— СН2—... Или в сокращеннo^^ виде: лСНл^ггСНо -> (—СН,—СИ, — ‘2 Эти;1сп П 0.1 и этиле и Реакция происходит li прис>пгствпи каттиипатора при повышенных Tc.vjncpaTypc и давлении. Исходные низко\юлск>лярныс ucmccTBii называются мо-uoAtepaMu (от гр. моио—один). Эт1тен—мономер в реакции полимсрпзации. В структуре полимера можно определить фрагменты, повторяющиеся по Bccii длине цепи, у гюлиэшлена это группы —СП2—СН2—. Такие повторяющиеся группы атомов, составляющие основу химического строения поли-мс)>ной цепи, назьпшются моио.мсрпшш звеньями. Число и в формуле пшимера, показы1я1ющес сколько мономерных звеньев соединяется, называется степенью полимеризации. 144 «СНз z^CHj Мономер Мономерное 3BCVIO I (олимер I Степень полимеризации D массе полимера имеются молекулы более и менее короткие, е более высокой и более низко1! степенью поли-мсрпзаиин, соотБстстБснно с больше11 и меньшей чюлску-лярной Maccoii. Поэтому принято говорить о средней моле-куля1>ной Niaccc полимера. Свойства полиэтилена. На ощупь полиэтилен как будто AiipHbiii. иапомпнаст парафин. Причиной этого является СХОЛСТ1Ю cocTaiui и химического строения этих всшестш' иара<1)ии принадлежит к пысшттм углеводородам (С 18 В его счрукту'рс, как и в полиэтилене, повторяются группы — еНр—. Полиэтилен —твердое вещество белого цвета, легко окрашиваемое в разные цвета, не тонет в 1юде. Плавится в |||)сдслах тсмпер.лтур 102—J05 X или 125—137 X, в зависимости от способа пол>^юнпя полимера. Процесс плавления полимеров имеет свои особенности, обусловленные взаимодействием \»сжду хюлскулами, имеющими значительную длину. В процессе наг|юшнцм в расплавленное состояние переходят прежде всего короткие молекулы, затем —более длинные, поэтому у полиме}юв miipoKiiii иптервад температур плаадсния, а нс точка плавления, как у низкомолекулярных ззсшеств. В расплавленном состоянии полиэтилену можно при-чать лкчбук) ([)ор.му, которая сохраняется после охлажле-И1И1 полимера. Такое свойстю назьизастся термоплаепшч-II остью. • Ik'iioMHurc из ку1х:а <1)изики, *по так(зс гишстнчносгь. Полиэтилен —достаточно п|ючный матсриад. Пленку из полиэтилена можно сгибать, мять, но трудно порвать. Horn пилен нс проводит электрический ток. Он устойчив к возлсйствик) кислот, щелочей, бромной воды, раствора перманганата калия, тем самым напоминая предельные углсво-чороды, к которым, собственно, и принадлежит по своему чимичсскому строению. 145 Лаборсторная работа 7 Ознакомление с образцами изделий из полиэтилена Рассмотр|лге выданные вам образцы полиэтиленовой пленки, емкостей, изоляционного материала для электропроводов и др. Испытайте материал на ощупь, на пластичность, на прочность. Кусочек полиэтилена нагрейте над пламенем, измените его форму, охладите. Повторите этот опыт. О чем он свидетельствует? Опустите кусочки полиэтилена в пробирки с растворами кислоты, щелочи, перманганата калия. Взаимодействует ли полиэтилен с этими веществами'^ Сделайте вывод о пластических свойствах и химической активности полиэтилена. Применение полиэтилена и других полимеров. Свойств!» полиэтилена обусловливают его широкое применение. Эти данные приведены в таблице 7 (см. также рис. 24). Таблица 1. Свойства и применение полиэтилена Спойства Области npHNfcHcmm Химическая устойчивость Воде- и газонс1цю-пицасмость______ 'Э;гект роизоляшюп-пые свойства Изготовлсш1е деталей аппаратов, работающих в агрсссив1юй среде; I ИЗГОТОВ.ЧСИИС тары .д;гя храпения химически агрессивных жидкостей; И31ЮТОШ1СИИС посуды п водопроводных I труб, а»гшкор1Ю31ЮШ1ы^ покрыгий_ _ Изготовление упаковочных материалов, ( ILICHK1I ЛДЯ TCILTMU _ ____ j Изготовление изо;гяционных материалов i ;ыя элскдр1П1сск11х проводов Чтобы придать полимеру необходимые эксплуатационные сжм!ства, то сеть прсвраттггь его в пластмассу—материал, из которого можно изготов.шггь различные изделия, в полимернуто массу добавляют спсцигыьныс вещества. Например, благодаря пластификаторам твердый полимер превращается Б эластичный материал. ^1тобы сделать пластическую массу пористой, в нее добавляют вещества, в результате разложения которых выдел я клея газы; таких» обра- 146 Иис. 24. Образны изделий из полиз^гилеиа ЮМ изготоиляют пенопласты. Для повышения термо-, свс-fo- и химичсскоГг устойчивости добавляктг стабилизаторы и антиоксиданты, для окраши!^;1Н>^!Я —пигменты, 'П'обы прсдот-нратить элсьтгризацию—антистатики, в пластмассы ввозят также наполнители—ктфц, мел, волокна и пр., которые снижакгг стоимость материала и yлy*^шaют сю механические своГютва. Благодаря различным добавкам из одного II того же полимера можно вырабатывать материалы, обла-чаюишс разными свойствами, а из них изготовлять различные изделия, например дстгиш конструкций и обувь. Пластмассы принадлежат к caxHeiimuM современным материалам, которые применяются в технике, сельском \оз>й1ст1зе, быту. Это обусловлено тем, что они обладактг свойствами, благодаря которым их использокзние экономически выгодно. К ним относятся; низкая плотность (легкость), химическая устойчивость, низкая теплопроводность, icTKocTb окрац|ив:1Ния, высокие оптичеекззе свойства, а также возможность изменять эти cBoiicTBa в широких пределах, II1МСНЯЯ для этого стр\чауру полимеров. 147 Значительные достолнетта пластмасс состоят в технической и технологической простоте изготовления изделий, малоотходности методов получения п переработки, низкой энергоемкости этих процессов, а отсюда — высокой продуктивности производства. Эксплуатационные недостаткл пластмасс связаны прси-мущсстпснно с их низко»! термостойкостью, горючестью, хрупкостью. Широкое испольюв;1нис, например полиэтилена, все же ограничивается его низкой температурот» плавления. • С кпчими п»х;им>шестиами и псяосзатками iстаетvfaccoBux iij-лслий вы вс'фсчались в процессе их ■гтегюльзовапия'’ Привсдтггс примеры. Очень бл»1зок к полиэтштсну по свойствам полипропилен. Фрагмент цепи этого полимера можно представить такой структу'рно»» формулой; (—СИ,—СН —CHj—СН —CHj—СН —)„ СИ, СН, СН, • По привслеIIIтому cJ)parMciny молекулы полипропилена определите мономер, мопомсрпос з1зено полимера, папшшгге струк-■|урпыс формулы. Из полипропилена изготовляют детали машин, трубы, пленку, рыболовные сети, бытовые изделия, волокна. Недостатком это11 пластмассы является чувствительность к свету, кислороду, хрупкость на .холоде. Если в молекуле этилена заменить один ато.м шдорода на атом хлора, образуется >шорвинил СН-, =СН (по назва- I а нпк) ралиюсла винила CII2 — СН —). Из хлорвинила получают полимер полихлорвинил; (—СН, —СН —)„. I С1 Пластмассы, изготовленные на оснотю полихлорвинила, используют как заменители кожи, из них вырабатывают газо- и 1ЮДОП1ХЭВОДНЫС трубы, технические волокна. Эти мптсршыы устойчивы к действию кислот, ЩСЛОЧС11, легко L48 окрашиваются, вместе с тем трудно возгораются и способны к самогашенню. • Какие свойства, по ваигему мнсш1ю, обусловливают использо- 1WHUC полихлорвинила ;1ля изготовления линолеума? Уник1ЫьнымР1 свойствами обладает полимерный матс-piKUi тефлон, получаемый из тетрафторэтилена: (—CFj—CF.—)„. За уникальную химическую ycToii4HBOCTi> его назышют «органической платино!!». Этот полимер не раетворяезся ни в «uapcKoii водке» (смеси нитратной и хлоридной кислот), ни в органических растворителях, устойчив на холоде и при нагревании, нс ядовит, светоустойчив. Благодаря этим cBoiicTBaM из политетрафторэтилена изготовляют детали машин и приборов, аппаратов, работаюшпх в химГ1чссю1 ацюсснвной с|эсде и в niimcBoii промышленности. Из бытовых изделий шм знакомы сковородки и кастрюли с анти-||рнгар[шм тефлоновым пок}^ытисм. Задания для самоконтроля 194. Что такое мономер? полимер? 195. Реакпия нолимеризапии гд^инад-зсжит к типу (1) обмена; (3) присоелинения; (2) замещения; (4) рапоженпя. 196. Средняя относительная молекулярная масса полиэтилена (если п состав;(яет КЮО) равна (1) 14000; (3) 56000; (2) 30 000; (4) 28000. 197*. Объясн1тгс, почему этилен BTimMOTeiicTBycT с бромной 1ЮЛОН, а полиэтилен—нет. 198. Расскажите о применении полптпшена в быту. 199. Полиэтиле1говые пакеты изготовлю!ют методом сваривания. Какое свойстю полиэтилена при этом используется? 200. В чем состош' различие мсЖ/iy iLiaci.массами и собствепно полимерами? Благодаря чему из по;шэт1ысна можно вырабатыв£1ть II пленку, и посулу? 149 § 34. БЕНЗО.! Состав и строение молекулы. Бензол имеет состав молекулы и лрижилежнг к группе ароматических углеводородов. Зто название, как и многие другие в органическоз! химии, сложилось исторически, поскольку первые из полученных соединеншз этоз'1 группы дсистпзпельно имели при-HTHbiii запах. Строение молекулы бензола много лет составлзыо теоретическую проблему; ни одна из предлагаемых структурных (формул нс опзечала свойствам вещества, которые наблюдались учеными в лаборатории. Попробуем и мы записать струкгурную формулу этого соединения, П1)1щсрживаясь чстырсхвалснтности атомов углерода. Возможны, например, такзю варианты; СНз =гСН —С =С —СН —СНз СН =С —СИ, —еНг —с =СН Но эти форХ!улы оказыызются неприемлемыми, поскольку химические свойства бензола свидетельствуют о равноценности атомов углерода, а в приведенных формулах одни атомы связаны простыми, друтис—кратными связями. В 1865 г. (через 40 лет после определения элементного состава бензола) немецкий химик А. Кекулс предложгы формулу, которая наилучшим образом отразила равноценность и атомов углерода, и ато.мов водорода; Н Н—С I Н—С с. 'С—и II ,с—н Однако и эта формула не полностью соответствует реальной структуре мо.пекулы бензола. После выяснения 150 КЁКУЛЕ ФРИДРИХ АВГУСТ (1829—1896) Немецкий химик. Работы ученою спо-с(ЮС1ПОв;иш стпцовлению тсоре1ичсскн\ (кш»п органической химии. Показал, 'по углерод чстырех]1алснтсц и чах? ею атомы могут сосди11ят1>ся между собой, образуя цени. Предложил пиклгпескую формулу оелзола. Осуществил ряд синтезов органических соединений. электронного строения молекулы оснзола формулу предложили записыиать закнм образоуг Имеется в виду, что атомы углерода раз.мешаются в углах шестиугольника и соединены с атомами водорода. Кольцо в середине шестиугольника показывает, что в молск>дс сушествуст обшее 1нсстиэлсктрон-нос облако. образо1зант50С элсктрона.ми, nix)-доста1иснными в общее пользование шестью углеродными атомами, каждым атомом по одному электрону. Связи .между атома.ми утлерола являются ни простыми и нн двойными в чистом виде. Поэтому бензол не олносится ни к предельны.м, ни к непредельным углешдо-родам, а язшястся представителем новой группы —ароматичесюзх ут.аеводородов. Пяя обозначения молекулы бензола чаше всего пользу ются (|)ор\;улой Кскулс, помня при этом о ее несовершенстве. Физические свойства. При обычных условиях бензол — жидкость со спецпфш1сским запахом; = 80 “С, в воде прата и-чсски нс растюрястся, хотя са.м яиаяется растюритслсм .многих органических вешсспз. В этом можно убеагпъся на опьпс. В одну пробирку нальем бензол, в другую —1юду. Добавим в обе пробирки по несколько капель жира и взболтаем содержимое. Жир растворяется в бензоле, но всплывает над водой. 1*ис, 25. Маст- 1абилч модель мо юкулы бензола 151 Бснзат токсичен н трсэует сх:торо>кности в обращении с НИИ. Химические свойства. В составе бензола имеется значительное еодержание ^тлерода, поэтому на воздухе соединение горит коптящим пламенем, а в кислороде сгорает полностью: + 15O2 -> I2CO2 + 6Н2О Благодаря наличтю общего электронного облака, стаби-лизируктщего бензольное зшро, бензол п^юявляст устойчи-воегь к действию окислителей, он нс обесцвечивает раст1зор перманганата калия, если смесь этого растшра с бензолом изболтазь в И1юбнркс. Этим бензол напоминает предельные уГЛСВОДО|ЮДЫ- Как и предельные >тлеводороды, бензол вступает в реакции замещения, в результате которых атомы водорода моглт замещаться, например на атомы хло{Х1: |СН + С1 — С1 -> + HCI Нит1>атпая кислота при iuciivimh сулырапюй кислоты реагирует с бензолом но такой схеме; СН НС СН м НС СН СН |кят 1 + но —NO? СН с^ НС 1 L 1 НС СН СН N0? + Н?0 Ницюбеизол Учитышя форм;и1ьиукз нсп1^х:дсльность состава бензола, можно допустить, что он вступает в реакции присоединения так же, как этилен и ацетилен. В пробирку с бензолом добавим немного бромной воды и смесь взболтаем. Б1юмная вода нс обесцвечивается, но переходит в верхи mi сло|‘|. Значит, рехишия нс происходит. В сравнении с нсп!)сдсльнымп углеводородами, дли которых характерны реакции ирисосдинення, бензол вступает 152 и эти реакции в более жестю1х условиях. При наличии катализатора к молекуле бензола присоединяются шесть атомов водорода: СН НС V СН + зн, [кат.1 Н,с^ СН- Н2С>^Н2 Циклогексан ООразовавшееся вещество цик1югсксаи принадлежит к группе углево-aoiKi/ioB, называющихся цик.юпара<1л4номи. Примеры других пиклопарафниов: СН2 Н2С П2С СН2 Н2С СН: Н:С СН, )СН2 ЦиклоПрипаи Циклобутан Цикло пентан Таким o6pii30M, бензол вступает как и реакции присоединения, так и в реакции замещения. Причем реакции присоединения у него происходят труднее, чем у непредельных, а замещения —лете, чем у предельных углеводородов. Такое поведение бензола обуслошюно элскт)юнным строением его молекулы. Применение бензола. Бензол является исходным веществом для синтеза большого количества органических i5C-щсств. Среди них—красители, лека|х:твсниыс препараты. п|юматпчссю1с вещества, полимеры, ядохимикаты, взрывчатые тх:щества и пр. Бензол —багзовос сырье для промышленного органического синтеза. Используется он и как растворитель. Задания для самоконтроля 201. Почему с'фуктура бензола бьша определена только через 40 ;(сг пос.чс его открытия? 202. Поясните условность с^ормулы Кекуде ятя бензола. 203. По Х1змичсским cBoiic'maM 6ch30ji не oiHocvnca ни к прслслытым, ИИ к непредельным углеводородам. Почему? 153 (2) (3) (4) 204. Сраиииге С1Ю11сгва бензола со аюйстшмн прсяслышх и iiei редельнььч улсводоро^^оп 205. Устойч fBtxTi» бензольного a?jpa к действию окиелтелей обьяснястся: (1) вьеоким coдepлca^^иe!л углерода в молекуле; алсклрошым строением молекуль;; ап>егатным еостоянисм бензола; нашчисм двоз1ИЫХ спязей в молекуле. 206. На рисунке 26 изображено плаш 6cH30jia, Merafia ii эги-лена. Ка.<ое изображение отвечает каж;л,ому из веществ? (>rf3CT нояс-нгте. 207. Пля получения 225 г хлорбензола ггсобходамо исиоль-зокггь хлор в об1>еме (и. у.) (1) 22,4 л; (3)67,2 л; (2) 44,8 л; (4) 11,2 л. t t к Рис. 26. Горение углеводородое 208*. Рсакштя бензола с хлором может происходить до по.шо-ix") замешения атомов водорода на атом!>1 хлора. В резу.чьтатс образуется сосдинеш1с гсксах-зорбснзол состава С(-,С1^,. С'остав1ле структурную форму.ту этого сослшгеишг и у1>авпс|1ие учюмянутой р>сактш. 209*. Какие из пс^хгчислсниых соединений огносятся к гцк*-делышм, пскрс;1слытым, аро.матнческим соединениям; С,Н,„ ед,С,Н5С1, С,Н,„ C,H5N02? § 35. ПОНЯТИЕ О ХИМИЧЕСКИХ СРЕДСТВАХ ЗАЩИТЫ РАСТЕНИЙ Одной из важнейпитх отраслей применения щюизвод1Сых бензола являе'гся сельское хозяйство. Тут истюльзуются вегцесгва, защищающие растения от насекомых-щзедитслаЧ, паразитических фибов, сорняков и нр.— пестициды (от лат. pestis — зараза и caedo — у-биваю). • Выясштге ио словарю, что такое eLpouuudu, зооциды. фунгициды. инсектициды. Если смесь бензола и хло^х! освсипь ультрафиолетовыми лучами, то происходит р’сакния пр»[соединения атохюв хлора к бензольному ядру и образуется соединение i'eKcaxjiopnni>3ToreKcaH (промыиысннос название — rcKcaxjiovxm); 154 АЛЕКСАНДР ВАСИЛЬЕВИЧ КИРСАНОВ (1902—1992) Украинский х»1Мик-органик, академик. Ра-fwTiU в Лнспропет1хи1Ском мс1Х1:)л>ргичсском нмстшугс, возглав;1кл Инсгигут ор1аиимеской MivjHii ЛН Украины. Основные научные ipy/tbi n(Ki!Htnej4.i химии <|)Ос({юр- и сероорганических соединений. Ряд но..гу'|СНнЫл 1ГОЛ его руководством веществ испол1>зуготся в ceniiCKOv! хозяйсгве в pt^;w нести цидов. НС НС Н С1 СН СИ с с освещение I I + ЗС1 .---------5. Н ^ хн СН н С1 С1 н Эго соединение /иитсльиос прс.мя исиользоналось проти» Х./ЮИКОПОГО долгоносика, но, ущипывая его токс1гиюсть, исполюо-tuHnc и последнее время сокращается. Продута замеще1тия i«:cx шести атомов вою1Юла на атомы X юра — гексахло^тбензол —кспользустся juih протра1иипания (обсаадраживания) семян зерновых культур перед выссвднисм в почву. С—С1 С—С1 Это простейшие из я./1охимикатов, производных бензола. Среди средств зашиты растений есть всшеепза, принадлежащие к различным классам оргашпеских соединений и имеющие сложную етрутегуру молекул. Например, для улзичтожения copFiM-ко($ в посевах зерновых кульгур используется соединение, имеющее техническое название 2,4-Д: 155 Cl—с НС: / :СН \ С—о- -с f/ -СН2—COONa \ а к химическим С1хдствам защеты растений предъявляются жесткие т^кгбшзаиия ашосителыю их бсзопасносш jbui людей и жиютпых, окр>ока101цей С1зсды. Э'ги соединения должны лако рахшгаться до безопасных всшестп, ис з;иряз11ятЕ: почву и нодо-с\ты, 1C попадать в пишу. Использование веществ в роли пестицидов допустимо TOjibKo с разрешепш госуларств£ННЫх органов I (адзо1за. Задания для самоконтроля 210. Каких правил безопасности следует придерживаться при использоыишн рахтичпых хихшчсеких средств в бьггу? 211. Почсм>', по вашему миеипю, пс следует испол1>зовать па приусалсбиых учаегках нсссртифипированшле химические средства з;ш{И1Ы растений? 212. Д;гя обеззараживания зерпохрапилищ и борьбы против с^)1ьиюкссрь[ випофшш используется 1,2-дихлорэтан. Напишите стр\ччтурн>чо ({юрхтулу этого сослипеиия. 213*. Как Я;юхимикат используется всшесгво CClj = CCI — СС1 = CCl,. bCiiK. по uaiucMy xueciuuo, будет реагировать это сосдипспис с водородом? НагЕПШите уравпееше реакции. 214. Охаракгсриззчтгс значение Х1Емичсск»ь\ средств зашиты растений для сельскою хозяйства. Какие всшеспза испатьзуюгся с ЭТОЁ! ЦСЛЫО в ВаШСЕЕ мссгности? § 36. ВЗАИМОСВЯЗЬ И ВЗАИМОПРЕВРАЩЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ Изу^Еая утлсводороды, вы убедились в их многообразии, обусловленном способностью атомов углерода образовывать молекулы линейного и циклического строения, соединяться между собой с помощью простых и кратных 156 свя юй. А еще —образовывать гомологические ряды и и ю-меры. • Назотггс общие (}юр\1улы гомологов метана, этилена, ацетилена. Незначительное изменение еостава молекулы (на группу — СН2—приводит к пояапению новых свойетв у гомолога, как и незнач1ГГсльнос изменение порядка 1)азмещенш1 атомов приводит к образокшию изомера, а значит к возникновению нового соединения с присущими ему свойствами. В этом проявляется действие закона завтюи мости CBoiicTB органических веществ от состава и химического строе н и я молекул. • Приведите конкретные примеры этой зависимости. ио;1гисрли-тс их физическими консгапгами псшесгв и химическими реак-пиями. Сравнив общие формулы парафинов, этгьтсновых и аис-тленовых углеводородов, вы 3Ji.MCTine, что по составу эти соединения отличаются количеством аточюв водорода в молекулах. Значит, присоединяя или отщепляя водо^юд (pcaKUifii гидрИ1Ю1кшпя или дсггшриро!кшия), можно переходить от соединешп! одной группы к соединениям др>тон гр>Т1Пы. ripitiMcp реакции дегидрирования: СЩ—СИ^—СЩ >СН2=СН—СНз + II2 Пропан llpoiicii • С 1ЮМ01ИЫ0 каких преврашений из метана можно получить пистилен. из апегплепа—эттысн? Р1апишите у^адвиснгы реакций. Эти примеры касаются ш;шмных прсвращснт'1 предельных и непредельных углеводородов. Вместе с тс.м сушсс-гвуст связь и между этими соединениями и бензолом. В частности, из ацетилена можно получить бензол по такой схеме: Таким образом, при всем многообразии углсводо}тОхТОв между ними существует вз;ш\юсвязь, которая отражается во 157 знс^сн t”. кат. сн нс^^^сн сн взаимных грсврашениях веществ. Это открЫ1«1ет огромные возможности для получеиш многих денных сосдиненш"! путем химического синтеза. Задания для самоконтроля 215. Составьте ({юр\гулы изомеров и ксскольких гомологов бутана. 216. Наишшггс ^равнеггия взаимных преврашений вешсств по схеме: Пре .чельный углеводород Непредельный углеводород 217. Напиидгге уравнения реакций по схеме: Предельный >тлеволород ti Аромат№1сский углеводород ♦- Непредельный углеводород 218. Чем обусловлена счрукзурная изомерия непредельных утлеводородов? Привсд1ггс примеры. 219. Напишите структу^жыс форму.чы гюществ привеленпого состава. С'гузугширумтс исщсства-гомолош: ^2^2’ ^4^10’ ^4^8’ ^4^6’ С2Н4. Cj()H22- 220. приведенные вещества яатяются (1) гомологами; (2) изомерами, (3) ИИ изомерами, ьш гомолошми: НС = С —СНз СН3 —СИз —СН, СН, —СН — СН, 221*. Напишите уфавнения реакций по схеме: СаСО, СаО СаС, С^Нз С2Н4 -► {—СНз—CHj—)„ Сделайте вывод о взаимосвязи неорганических и органических веществ. 158 § 37. ПРИРОДНЫЕ ИСТОЧНИКИ УГЛЕВОДОРОДОВ. ПРИРОДНЫЙ глз в природе углеводо^юды встречаются преимущественно в виде природного raja, нефти, каменного утля. Есть два способа использования этих горючих ископаемых; один — в ваас топлива, то есть источника энергии и теплоты, дру-roii — в виде сырья для дальнейшей переработки. Первый способ предполагает обычное сжигание, другой —это органический синтез. Из углеводородов, вьщеленных из нефти, природного газа и утля можно получить много разнообраз->ibix веществ, а из них изготовить еще больше полезных материалов. Природный газ, нефть, уголь относятся к нешсстанавли-васмым природным ресурсам. Это обстоятельство вынуждает разведывать новые месторождения и вместе с тем эксплуатировать уже открытые таким образом, чтобы максимально нзатекать из них ископаемые и рационачьно, с наибольшей пользой использовать их. Нс трудно понять, что целесообразнее подвергать нефть, уголь и газ химической пс^х:работкс, чем сжигать их в ко-тсльнях, двигателях про.мышленных и бытовых печах и пр. • Какие а1ьтерпатиш1ые источники энергии ва.м известны? Сушсствутот различные югляды на происхождение горючих ископаемых. По мнению сторонников теории органического происхождения, залежи обр;13овались из остатков вымерших растительных и животных организмов, превратившихся в смесь углеводородов в толще земной коры под действием бактерий, высоких давления и температуры. Согласно теории минерального (вулканического) происхождения нефти, природного газа и каменного утля, на первичной стадии формирования планеты Земля металлы соединялись с углеродом, образовав карбиды. В результате |юакции карбидов с водой! (водяным па|х>м) в глубинах планеты образоз^ались газообр;1зныс углеводороды, в частности метан и ацетилен, а под влиянием нагревания, радиации и катализаторов из них образовались другие соединения, содержащиеся в нефти. В верхних слоях литосферы жидкие нефтяные компоненты испарзыись, жидкость загустевала, превращалась в асфальт и затем в уголь (рис. 27). 159 Газ Нефть Илнесткяк Рис. 27. Геологический разрез HetjyrciiociiOH местности Теорию \шнер;и1ьного происхождения не(^)ти впервые высказал Д И. Менделеев. А в начале XX ci. французский ученый П. Сабатье смоделиров;и1 описанны!! процесс в лаборатории и получ1П смесь утлсводородов, подобную нефти. • Назов1гге наиболее значительные мссторожде[[Ия горючих полсзьгых ископаемых. Покажите их на карте. Природный газ. Газообразными при норматьных условиях являются углеводороды с низкими относитсльны.ми .молску'лярны.ми массами, и.мснно они и содержатся в природном газе. Преобладает в этой смеси .метан —его .массовая доля там составляет в среднем от 80 до 90 %, остальное — гомологи метана: этан, пропан, бутан и другие газы. Природные горючие п»зы, выделявшиеся в некоторых районах из трещин tcmhoii коры, были известны человеку с древних вре.мсн. Иногда этт1 газы загорались, напри.мер во время грозы. Некоторые народы считали священным огонь в местах постоянного выхода природных газов. • На территории Украины есть мссторож;хсиия ирщюдиого газа. Назовите их. 160 в толще земной коры природный газ находитея в сжа-WM состоянии. Если п^юбурить скважину, газ под давлением выходит на поверхность. Направив газ по газопроводу, можно транспортировать его на большие расстояния. По газопроводам газ поступает на заводы и в жилиша, где используется как топливо. В Украине продолжается газификация населенных пунктов. Использование в быту газа вместо дров и угля прогрессивно, хотя при этом сгорж;т много ценных веществ, • Учитывая это, какой вывод вы можете сделать относигельно экономного использования газа в быту? Природный газ широко используется в про.мышлснно-стм. В доменных печах метан сгорает до углекислого газа, который, взаимодействуя с коксом, образует восстановитель оксид углерода(П). В п^юцессе п|юизводства стали мартеновским способом прилюдный газ используется как источник теплоты. С этой же целью применяют метан и в стекловарных печах. • Является ли, по вашему мнению, рациональным использование природного газа в доменных печах? Природный газ не только сжигают, но и перерабатывают в разные ценные химические продукты. Он является сырьем для получения ацетилена, водорода, используемого в химическом синтезе, например аммиака. Сажа, полученная из метана, используется для изготовления типографских красок, резиновых изделий (как напол-н»п'сль). Применение природного газа — это, по сути, применение метана. Рис, 28. Использование сжиженншх) газа; а — газовая зажигалка; б — газовый баллон 161 • Вспомните, на касих свэйсгвах основано получение упомянутых ваше продуктов. Попутный нефтяной газ. Существует природный газ, залегающий вместе с нефтью н вместе с ней выходящий на поверхность лз скзажин. Это так называемы!! попутный нефтяной газ Он является смесью летучих углеводородов, хотя, в отл!вше от природного газа, в нем содержится меньше метана —до 45 %, но больше его гомологов и друп1х газов. Смесь газов разделяют и исполюукуг как топливо и как химическое сырье. Смесь пропана и бутана сжижают и сохраняют под давлением в баллонах. Это позволяет транспортировать газ в места, не подключенные к сети газопроводов. Задания для самоконтроля 222. Какие месторождения природного газа, нефги и каменного угля в Украине вам известны? Покажите их на карте. 223. Прилюдны!! газ, уголь, не(1ггь относятся к энергохимггчсс-ким ресурсам. Как вы понимаете этот термин? 224. Почему, по вашему мнению, в быту отдают предпочтение топливу в виде каменною угля перед дровами, природному газу перед у1’лем, электрическому току перед газом? 225. В состав природного газа входит (1) метан; (3) гексан; (2) этилен; (4) этан. 226. Приведите химические уравнения, подтверждающие применение природного газа. 227. Для сжигания 20 л смеси пропана и бутана (н. у.) в объемном соот!тошен11и газов 1:1 используется воздух в объеме: (1) 100 л; (3) 575 л; (2) 143,75 л; (4) 20 л. Считать, что в воздухе содержится 20 % кислорода (по объем)') • 162 § 38. НЕФТЬ И ПРОДУКТЫ ЕЕ ПЕРЕРАБОТКИ Состав и свойства нефти. По физическим свойствам нефть—это густая маслянистая жидкость со специфическим запахом, темно-бурого или черного цвета, легче воды и нс растворимая в ней. Нефть разных месторождений отличается по составу, плотности, цвету, запаху и др. Нефть не является индивидуальным веществом, это смесь около 1000 разных веществ, среди которых преобладают жидкие предельные углеводороды, в ней также содержатся примеси серо-, азот-, кислородсодержащих органических соединений, водный раствор неорган№1еских солей. Нефть известна людям издавна. Ее начали использовать около 5000 лет тому в местах, где она проникала на поверхность почвы. Горючесть нефти нетрудно было заметить, поэтому и применялась она преимущественно как топливо, для освещения и как смазка. Нефтепродукты использовались в древней медицине в виде мазей, для бальзеширова-ння мумий и др. Сырой нефтью обрабатывали днища кораблей для гидроизоляции. Древние шумеры применяли нефтяной биту\1 как строительный материал, в Китае нефть использовалась в военных целях. Нефть входила в состав известного в древности так называемого «греческого огня», загоравшегося от контакта с 1ЮДОЙ и уничтожившего не один военный корабль. Погасить огонь можно было только песком. • Как вы думаете, почему? Вспомнше уаювия гашения пламени. Нефть добывают из недр Земли через скважины. Иногда во время бурения она сначала выбрасывается на поверхность под дашюнием, потом в сюпжины закачивают воздух, утлею1слый газ или воду, вытесняющие нефть. Из районов добычи к местам переработки нефть перевозят по суше в железнодорожных цистернах, а морем ши рекой — в танкерах либо перекачивают по нефтепроводам. Перегонка нефти. Не все вы ввделн сырую нефть, но все тают, что такое бензин, керосин, вазелин, мазут. Эти продукты являются нефтяными фракциями {сут лат. fraction— разламывание), образующимися в результате перегонки нефти. В чем состоит этот процесс? Будучи смесью веществ, 163 НИКОЛАЙ ДМИТРИЕВИЧ ЗЕЛИНСКИЙ (1861—1953) Химик-органик, академик. Закончкч Новороссийский универси ет в Одессе, работал там некоторое в|>емя. Научные ipyjua посвящены органическому катщчизу. химии аминокис.чог и белков. Исследовал состав нефти и продуктов се nepeTa6cTK>., син'гезировал ряд ортанических соединений, в том числе бензол из ацетщчена. Изобрел угольный прэтивогаз. нефть не имеет определенной температуры кипения, а переходит в газообразное состояние в широком интервале температур. Нефть можно разделить на составные части (фракции) со значительно более узкими интервалами температур кипения при помощи метода фракционной перегонки. Нефтяные фракции —тоже не индивидуальные вещества, хотя и содержат близкие по составу и шюйствам соединения. Этот процесс можно воспроизвести в лаборатории. Напасем нефть в колбе с присоединенным водяным холодильником (рис. 29). При этом низкокипящис ее компоненты переходят в газообразное состояние, охлаждаются, конденсируются. Дальнсуплим нагреванием до более высокой температуры можно выделить следующую фракцию и т, д. Рис. 29. Пере1Т»ика нефти в лабо|)а10рии 164 На производстве перегонка осуществляется в ректификационной колонне (от лат. rectificatio — выпрямление). Характеристика продуктов перегонки нефти приведена в таблице 8. 1'йб/шца 8. Продукты перегонки нефги Нефтяная фракция Количество атомов углерода в молекуле Интервал температур кипения. °С Области применения Газы С,-С, 1 Топлшю Бензин С5 Сц 40—80 Горючее для дви-т'ателей внугрен-него сгорания Керосин ^10 ^14 180—240 Дизельное и реактивное горючее Газойль ^11 ^20 240—260 Дизельне^ горючее и котельное тшьчиво Мазут Остаток перегонки Перерабаты вается на смазочшяе средства, котельное топливо, вазелин, гудрон Во время перегонки нефти никаких химических изменений с продуктами не происходит, способ базируется на различии в физических свойствах компонентов смеси, а именно — на различных температурах кипения веществ, входящих в состав нефти. Однако есть способы се переработки, в процессе которых вещества подвергаются изменениям состава и ст^юения. Эти способы мы рассмотрим ниже. Крекинг нефтепродуктов. Среди продуктов перегонки нефти в быту в недалеком прошлом наиболее широко использовали керосин: для освещения (керосиновые лампы), приготовления пищи (примусы). Позже керосин был заменен во многих случаях электричеством и природным газом. Вместе с тем развитие автомобильной промышленности нуждалось во всевозрастающем количестве горючего для двигателей. Возросшие потребности не удовлетворялись 16S перегснкой нефти, после которой остасалось значительное КОЛИЧССТ1Ю ВЫСОКОЮ!лящих продуктов. Проблема была решена благодар!: переработ<с выеококипящих фракций в низкокипящис, составляющие основу горючего. Как оказалось, при нагревании до температуры 400 “С и выше углешдороды, 1!Ходяи.ие в состав .мазута, газойля, разлагаются на углеводороды с низкой молекулярной массой: ^16^34 -> ^8^18 ^ ^^16 Гексэдека! Октан Октен —> ^4^10 + С4Н^ Октан Ьутан Бутен С4Н.0 -> СгНб + С2Н4 Бутан Этан Этен Этот процесс называется крекингом (от англ, crack — расщеплять). Крекинг проводят при высокой температуре (термический крсю1нг) или в присутствии катализатора (ка-талтггпческий крею1нг), 'по позволяет несколько снизить температуру процесса и получить бензин высшего качества. Переработка нефти не ограничивается перегонкой и крекингом. С помощью других, технически и химичесю! более сложных процессов пол>'чакгг разнообразные по составу и строению продукты, которые широко используются сами по себе, а также как сырье для химической промышленноетт!. Отрасль производства, з!шимающаяся переработкой нефтепродуктов, называется нефтехимией. Применение нефтепродуктов. Нефть играет огромную {ЮЛЬ в жизни человечества, в развитии цивилизации. Прюжде всего это один из важнейших источников энергии, освобождающейся в результате сжигания нефтепродуктов. Кроме того, с помощью химической переработки из нефти извлекают неисчислимое количество веществ, использующихся, без преувеличения, везде, куда ни б}юсишь взгляд. В результате химической пс{юработки черная маслянистая жидкость превращается в волокна и пластмассы, в ароматические и взрывчатые вcщecтв^l, acKajxrrBa и красители. Чем глубже переработка нефти, тем больше полезных п|ю-дуктов .можно получить из нее. 166 • Охарактеризуйте применение прод>хтов не4яепереработю1 по схеме I. •Сравните рисунки 30,а и 30,6. Какие изменения произогпли бы, если удалить все предметы, изготовленные с применением 1 юфтепродутегов? Можно сказать, что мы зависим от нефти, поскольку она пока незаменима как сырье для синтеза и для произ-исдства горючего. К сожалению, сше и сегодня в виде горючего большая часть нефтепродуктов сжигается (до 87 % добычи) и только 13 % используется для химической переработки. Человечество давно осознало, что нефть —слишком ценное химическое сырье, чтобы сжигать его в ввде горючего. К тому же ресурсы этого ископаемого на планете быстро сокращаются. В связи с этим ставится вопрос о замене нефти как источника энерпи! и сырья. Схема 1 Применение нефтепродуктов Нефть Топливные Сырье для химической про^тукты промышлспносги Бензин (я'1я авиа-, автомобильных двш’атслсй) Керосин (для тракторных, ракетных двш'а'гелей) Мазут (для паро-BIjPC котлов) Сырье для микробиологического ггроизволства белка Этилен, пропилен (для производства пласгмасс) Бутадиен, изобутилен (для производства сингетических каучуков, волокон) Бензол, стирол, толуол (для производства пластмасс, сингетических волокон, каучуков, взрьп^чатых веществ) Парафин (для производства моющих средств, плас’П1фи-каторов, свечей) Нефтяной асфальт 167 Рис. 30. Интерьер с предмепами, изготоалсниыми из нефтепродуктов id) и без них (6) 168 Принципиально эта проблема может быть решена за счет использования угля, запасы которого в природе значительно больше, чем запасы нефти. В угле содержится свободный углерод, который можно превращать в разные ве-цдества химическим способом. Однако такое превращение требует значительных материальных затрат, и продукт, полученный ю угля, будет дороже полу'юнного из нефти. В промышленности разработана технология производства Ж1шкого горючего из угля. Во время Второй мировой войны в Германии, не имеющей собственных источников нефти, именно из угля получали горючее, смазочные материалы и другие продукты. Однако использование этого метода пока экономически нецелесообразно. Друтой путь замены нефтепродуктов — использошние органи’юских отходов и биомассы, основной составной которой является органическое соеддшение целлюлоза. Об этом вы узнаете в 11 классе. 1орючес для двигателей внутреннего сгорания бывае! разных сортов, которые характеризуются так называемым «окгановым числом» — 76. 92. 43, 95 и др. Что обозначают уш числа? Оказывается, скорость сюрания горючего зависит от гою, какие углеводороды входят в его состав Ьензин, состоящий преимущественно из гексана гептана C^Hj^ и октана линейного (лроени>1, сго- рает СЛИ1НКОМ быстро и вызываем дегонацию (от лат. detonatio—^ взрыв). Наилучшие акгидегонапиониые .характеристики имеют углеводороды paJBCTaieiiHoro строения, в частности изооктан. CR 1 СНз—С—СН^—СН—СИ, CR По условной шкале изоо1С1апу присвоили «октановое число» 100. а leirrany — 0. Смеси углеводородов, входящих в состав бензина дтазных сортов, имеют нромежу! очные октановые числа, причем чем выше, тем лучший сорт бензина, выше его детонационная устойчивость. Очевидно, для улучшения качества горючего целесообразно применять ■ акие процессы переработки нефти, благодаря которым образуются углеводороды развегвленного строения, в частности процесс катД|1итической нл»мсризации. Пример такой реакции: кат. С’Нз-СНз—СН2—СН2—СН2—CHj------------j-CRj—СН—СН—CHj I сксаи CHj СН3 2,3-Димети;ю\тан 169 Задания для самоконтроля 228. Каков хим1Л1ес;<ий состав нефти? 229. Имеет ли нефть химтескуьэ формргу? 230. Какие сюйства нефти об>словнли ее исиользоваЕше в древние времена? 231. Назовите осношые шфгяные ф^аакпии. 232. На основе какого сюйства вешеств, входящих в cocraii нефти, ее разделяют на фракоии? 233. Какие текническис изобретения способел вовали добыче и использованию нсфги? 234. Нечему важно знать о происхождении не<1)ти? Каким образом это связано со значением нефтспродуктов в нашей жизнг!? 235. Каким образом отражается плотг[ость нефти на экоагоги-ческой безопасности при ее транспортировке, в частнос га водными путями? 236. Назовите две основные области применения нефти. 237. Благодаря чему, по вашему мнению, стало юзможно получать из нсфуги такое большое количество веществ? 238. Какие перемены ироизопиш в жизни последнтгх поколений бJraгoдapя использованию нефтепродуктов? 239. Как вы счетасте, отличаются ;ш по свойствам сорта горючего, используемого в странах экватора и далглтего севера. Почему? 240. В чем состоит смысл изюсгного высказываттия Д. И. Менделеева отностпельно сжигагтя сырой нефли; «Тоггить можно и ассигна1диями»? I — Африка 57% 1*ис. 31. Распредагсиие запасов нсфги по регионам 170 1 —Африка 2 — Азия (без СНГ) 3 — Цс1ГГ1жльная и Южная Америка 4 — Восточная Европа и СНГ 32% Рис. 32. Потребление нефти в разных {Джонах 241*. Коэффициент полезного действия адгомобшш составляет 25 %, то есть 1'орючес испол1>зустся на 25 %. Почех1у, по га-шему мнению, теряется 75 % энергии горючего? 242*. Сопоставьте диаграмлш на рисунках 31 и 32. Какие выводы можно сделате о добьпе и пот)>еблснии нефти в разггьос регионах? Составьте несколько вопросов, используя приведенные данные. § 39. УГОЛЬ И ПРОДУКТЫ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ Ндгмснный уголь, как и нефть,— нс индивидуазьное вещество. В его состав входят свободный углерод (до 10 %), органические вещества, содержащие углс^юд, водород, Ю1с-лород, серу, азот, минеральные вещества (остаются в виде шлака после сжигания угля). Е1ам известно, что уголь используется как топливо, но нс меньшее значение имеет химическая переработка угля с целью получения большого количества ценных продуктов. В |юзульгате нагревания до 1000 *С без доступа воздуха уголь превращается в кокс. Этот продукт на 96—98 % состоит из углерода. Основная область его применения — мсталлурпш. • Вспомните, какие процессы щюисходят с коксом в доменной исчи? 171 Наряд> с ко<сом образуются аммиачная вода, коксовый газ и каменнсугольная смола, являющаяся источником разнообразных веществ: их около 500. Перегонкой и химической обработкой каменноугольной Схмолы получают ароматические углеводороды: бензол, толуол, нафталин, а также фенол и другие ценные продукты (схема 2). Каменноугольная смола и коксовый газ перерабатываются на КОКСОХИМИЧССЮ1Х заводах. В развитии синтетической органической химии каменноугольная смола сыграла особую роль. Как источник химичесюгх вещестгз каменный уголь начал использоват1>ся раньше, чем нефть и природный газ. На основе продуктов, вьщеяенных из каменноугольной смолы, возникли целые отр^гсли химической про.мышленности—производство синтетических красителей, лекарственных препаратов, средств защиты растений, взрывчатых веществ и многие другие. Каменноугольная смола оказалась доступным сырьем, что позволило организовать многотоннажное производство этих продуктов. Таким образом, каменный уголь выгоднее перерабатывать, чем сжигать. Схема 2 Продукты коксования 172 Лабораторные работы 8, 9 Ознакомление с образцами нефтепродуктов и продуктов коксования каменного угля Внимательно ознакомьтесь с выданными вам образцами продуктов переработки нефти и каменного угля. Опишите (устно) их внешний вид. Что вы можете сказать о применении этих веществ? Задания для самоконтроля 243. Каков химический состав каменного угля? 244. Каким образом переработка каменного угля связана с развигием синтет1Т1еской органической химии? 245. Охарактери.зуйте продукты коксования каменного угля но схеме 2. Где они исиолыуются? 246. Теплота сгорания угля (в пересчете на чистый yглe^X)д) составляет 394 кДж/моль. а октана—5474 кДж/моль. Рассчитай-зе, что выгоднее иснользо1зать (по массе) в качест»5е топлива: уголь или октан. 247. Поигггересуйтесь, откуда поступает тошшво в вашу местность, из каких мсшхзрождешш. Найдите их на карте. § 40. УГЛЕВОДОРОДНОЕ СЫРЬЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ Жизнь чсло»юка ежедневно связана со сжиганием горючих веществ в быту, на транспорте, в промьииленности. Кроме пользы применение нефтепродуктов, угля и природного газа создает ряд проблем, отрицательных для развития цивилизации и вообще для выживания человечества. Тепловой б;1ланс нашей планеты поддерживается благодаря тому, что диоксид углерода и вода, содержащиеся в атмосфере, поглощают энергию солнечного излучения (инфракрасную часть спектра), а 3iiTe.M переизлучают се. Таким обр;гзом на планете сохраняется тепло. Поглощение и излучение энергии диоксидом углерода и другими веществами вызывает парниковый э(1)фект. Можно сказать, чзо мы живем в условиях парникового эффекта, и )то соотвстсттзуст нормальному состоянию атмосферы, ком-(()ортному для нас. Однако усиление этого эффекта может 173 иметь пап-бные последствия, а именно — глобальное повышение температ/ры и в связи с эшм — изменение климата. К этом/ может привести повышение концентрации углекислого газа за счет сжигания горючих веществ. На протяжении последно 100 лет в результате техногенной деятельности человека содержание углеююлого газа неудержимо растет. • Напишите ^раьнсиия реакций горения природного газа (метана), бензина (оюана), угля (уитерода), • ГТодума1ггс, каким образом повышение темиеразуры на шханете может отразиться на природных условиях северного полушария. Чем это угрожает человечеству? Кроме парникошго эффекта в рюзультате переработки и использования горючих полезных ископаемых атмосфера загрязняется вредными вешествами, такими как оксид угле-рода(Н) СО (из-за неполного сгорания горючего в двигателях), оксид ссры(ГУ) SO2 (образуется из серы, содержащейся в угле и бензине), метан СН4 (из-за утечки газа), сероводород H2S (выделяется при перегонке нефти), оксиды азота N0 и NO2 (при высокотемперату'рном горении) и др. Все эти вещества вызывают фотохимический смог\ кислотные дожди и пр. Фотохимический смог образуется в результате реакций, происходящих под влиянием солнечного света (фотохимические реакции). При этом, кроме имеющихся в воздухе 3arpB3HHTCjieH, дополнительно образуется диоксид азота и озон. Последний реагирует с >тлсводородами, попадающими в воздух из-за неполного сгорания горючего. В результате образуются соединения, опасные для здоровья людей и вредные для окружающей среды. Фотохимический смог впервые наблюдался в Лос-Лнджслссе, где много солнца и автомобгыей. Кроме того, при сгорании горючего образуется дым, в котором содержатся мелкие частицы углерода и твердых несгоревших утлсводородов, а также соединения кадмия, свинца, ртути и других элементов, чрезвьшайно вредные для здоровья. От англ, smoke — к>'ршъ 4fog — туман. 174 ® Учш'ывая, что атмосфера не знает границ, iioHCJinre глобальную опасность ее за1рязнеш1я. Каким образом можно избавиться от вредных загрязнителей, образующихся в результате использования топлива и горючего? Во-первых, можно экономно использовать эти продукты, тем самым уменьшая количество вредных выбросов. Во-вгорых, можно извлекать из топлива серу еще до его использования. В-третьих, создавать технологическ11е условия полного сгорания угля в котельнях, на теплоэлектростанциях и бензина в двигателях автомобилей. В-четвертых, можно улавливать отходы после сгорания топлива с помощью фильтров. В-пятых, можно заменить источники энергии: вместо энергии топлива использовать энергию солнца, всз'ра, 1ЮДЫ, ядерную и геотермальную энергию. • Какие из указанных факторов имеют, но вашему мнению, Gojibuice и меньшее значение? Рассмотрите их с точки зрения 1Д>еимушеств и недостатков. Задания для самоконтроля 248. Вспомните, каким образом создается парниковый эффект в тегишцах. Сравш^те его с парЕшковым эф4>ектом на планете. 249. Всномшгге круюворот yi-лерода в природе. Каким образом насаждение и вырубка лесов отражается на парниковом х|х}х:ктс? 250. Для получения элекгроэнергии на теплоэлектросташии на протяжении часа сжигается 1 т угля, в котором содержание серы по массе составляет 2,5 %. Какая масса оксида серы(ГУ) I [опадет в атмос(})еру на щютяжепии суток? 251. Для поглощения оксида cepbi(TV) в промышленности используют известь СаО. Какую массу этого вещества необходимо взять для нейтрализагши оксида серы(ТУ), образовавшегося ио условию предыдущей задачи? 252. Прилюдный газ—экологически безопаснее горючее по сравнению с бензином. Почему? Какое значение имеет его использование в автомобилях вместо бензина? 253*. Какие, но вашему мнению, перспективы в использовании альтернативных источников энергии? 254*. Обд^ясиите значсЕтие экологического копгроля работы /1 в I f пггслей а втомобилей. 175 ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ Практическая работа I Получение аммиака и опыты с ним Краткая инструкция: 1. Соберите прибор, как показано на рисунке 7, с. 51. 2. Приготовьте CNiecb примерно равных порций (по половине чайной ложки) кристаллического хлорида аммония и порошка гидроксида кальция. 3. Насыпьте смесь в сухую пробирку на 1/3 ее объема и закройте пробкой с газоотводной трубкой, изогнутой под прямым углом и повернутой отверстием вверх (почему?). 4. Пробирку со смесью укрепите в лапке штатива немного наклонно, отверстием книзу. На конец отводной трубю! наденьте сухую пробирку вверх дном и слегка закройте ее отверстие кусочком ваты. 5. Осторожно прогрейте сначала всю пробирку, а затем нагревайте в том месте, где находится смесь. 6. Как только появится острый запах аммиака (нюхать осторожно!), пробирку, в которую собран аммиак, осторожно снимите с отводной трубки, держа ее вверх дном. Сразу же закройте отверстие большим пальцем и опустите в кристаллизатор с водой (конец газоотводной трубки после снятия с нее пробирки с аммиаком закройте кусочком мокрой ваты). 7. Когда пробирка, в которую собирали аммиак, заполнится 1ЮДОЙ, снова закройте се отверстие пальцем под водой и выньте из кристаллизатора. 8. Полученный водный раствор аммиака разделите на две пробирки. В одну опустите красную лакмусовую бумажку, а в другую добавьте несколько капель фенолфталеина, а затем—немного разбавленной соляной югелоты. Что наблюдается? Вопросы и задания 1. Почему пробирку со смесью необходимо укреплять в лапке штатива наклонно в сторону отверютия? 2. Почему аммиак собирают в сухую пробирку, перевернутую вверх дном? 176 3. о каких свойствах водного раствора аммиака свидетельствует его действие на индикаторы? 4. Как это можно объяснить на основе представлений об электролитической диссоциации? 5. Что происходит при действии на водный раствор аммиака кислотой? 6. Напишите, где возможно, уравнения реакций и выразите их в полной и сокращенной ионных формах. Практическая работа 2 Получение оксида углерода(1У), взаимопревращение карбонатов и гидрокарбоматов Краткая инструкция: 1. В пробирку опусзите несколько кусочков мела или мрамора и прилейте немного разбавленной соляной кислоты. 2. Пробирку быстро закройте пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите в пробирку с известковой водой (I—2 мл). Что наблюдается? 3. Продолжайте пропускать газ в эту же пробирку до тех пор, пока не исчезнет муть и не образуется прозрачный раствор. Вопросы и задания 1. Что происходит при действии соляной кислоты на карбонаты? 2. Как двумя способами доказать, что из пробирки выделяется именно оксид углерода(1У)? 3. Как объяснить появление мути в пробирке с известковой водой, через которую пропускали оксид углерода(!У), и растворение мути? 4. Напишите уравнения реакций и выразите их в полной и сокращенной ионных формах. Практическая работа 3 Решение экспериментальных задач Задания: 1- Определите, какое вещество содержится в каждой из четырех пробирок (кристаллические вещества): 177 Вариант I —сульфат натрия, карбонат кальция, гидроксид кальция, хлорид кальция. Вариант 2 — карбонат натрия, сульфат натрия, сульфит натрия, хлорид натрия. 2. Составьте уравнения реакций и запишите их в полной и сокращенной донных формах. 3. Проделайте реакции, выражающиеся следующими ионными уравнениями: Вариант 1: а) + СО]” ->• СОз Т + HjO б) + СО^- СаСОз i Вариант 2: а) Са^^ + 2НСО3 -> СаСО, I + HjO б) Са2+ + SiO^- Са8Юз I 4. Напишите уравнения происходящих реакций. Практическая работа 4 Обнаружение углерода, водорода, хлора в органических веществах Опыт 1. Обнаружение углерода и водорода Скгесь исследуемого вещества с оксидом меди(П) помес-тте в сухую пробирку и закрепите се в штативе в горизонтальном положении (рис. 33). Осторожно внесите безводный сульфат мсди(П) и закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустите в пробирку с известковой водой. Осторожно нагрейте пробирку с исследуемым веществом. Наблюда11те изменения, происходящие с оксидом мсди(П), сульфатом меди(И), известковой водой; после этого опыт прекратите. С целью избежания растрескивания пробирки следите, чтобы после прекращения нагревания жидкость не попала по трубке в прибор. Вопросы и задания 1. Какую роль играет в данном случае оксид меди(11)? 2. С какой целью используется известковая вода? 3. Напишите уравнения происходящих реакций 178 Рис. 33- Обнаружение углс-|юла и водорода в органическом веществе: 1 — смесь исследуемых веществ с оксидом меди(П); 2 — безводный сульфат ме-ди( 10; 3 — известковая вода Опыт 2. Обнаружение хлора Конец медной проволоки изогните петелькой или в виде спирали диамет1юм 1—2 мм. Прокаливаете проволоку в пламени до тех пор, пока оно не перестанет окрашиваться, затем охладите ее. Внесите проволоку в исследуемое вещество, а затем в пламя (рис. 34). Зеленая окраска пламени свгщетельствует о присутствии хлора в веществе, выданном для анализа. Рис. 34. Обнаружение хтора и органическом веществе: I — медная нроватока Емкости С легковоспламеняющимися органическими веществами держите подальше от огня! 179 Приложеиг7я I. РЛС1ЮЗНАВАНИЕ ИОНОВ НЕОРГАНИЧЕСКИХ COEДИflEHИИ Катионы в растворах кислот, щелочей, солей лакмус -> Красная окраска раствора -> Образование водорода Н2 Ag^ Na‘ К" Zn cr Br" r SO щелочь, иа.ревание^ Выделение аммиака NH3 растворы с С1--^ Белый творожистый осадок AgCI в пламени Желтая окраска пламени в пламени -> Фиолетовая окраска пламени Ва^^ с SOj ^ Белый осадок BaS04 2+ щелочь ОН Белый студенистый осадок. ^ расгворимый в избытке щелочи Анионы в растворах кислот, щелочей, солей растворы с Ag ^ Белый творожистый осадок AgCI растворы с Ag Желтоватый творожистый осадок AgBr растворы с Ag-^ Желтый творожистый осадок Agl 2- растворы с Ва‘* Белый осадок BaS04 СОз~ растноры кислот, tt ^ Выделение углекислого газа СОо NO3 > Выделение бурого газа NO2 01Г аа»<мус___________^ Синяя окраска раствора 180 2. РЛСТВОРИМОСТЬ кислот, основ и СОЛЕИ в ВОДЕ Катионы Анноны K* Na* Mi; Ba*" Ca’-" .VI-** Fe-- Vln-* Zn'" Ag" llg’* Cu^* Pb'* Sn-* , 1 Off p P p P VI II H 11 M II II H II — — II II » СГ p p P p P P p p P P P P P P II p P M p 1 j Вг‘ p p P p P P p p P P P P P P II VI P M p 1 Г p p P p P P p p P P — P P P H II — H M 1 «2-S p p P p P VI VI — — II — II И II II 14 II II H soV p p P p II II II — — II — H II II II — — и — 1 S04" p p P p II VI p p P P P p p P VI P P H p poj" p p P p 14 11 II 14 M 14 11 II II 11 II — 11 11 II col p p P p H II 11 — — II — — II II II — II 11 — Siol' и p P — M II H II — H II — II H — — H II NO- p p P p P P p P p P P p p p p P p p p ClIjCOO’ p p P p P P p — p P — p p p VI P p p p : ^ Примечание. Р — растворяется, М — малс Sf соединение разлагается водой или не существует, — практически не растворяется, прочерк ОТВЕТЫ К ЗАДАНИЯМ 9. (a^ 96. т(КН2Р04) = 6,8 1 10. (nj 97. KNO2) = 4,48 л 11. (6) v(Cu(NO02>=0,4: 18. (в) 98. и^(НзР04) = 88,45 26. KSO2) = 112 102. (г) 27. He xnarm 103. (в) 28. (pCSOj) = 61,32 % 105. X — NH4NO3 Ф(0з) = 38,68 % у — NO 29. w(BaSO^) = 434 г 108. (в), (д) 30. /«(CaSO^) = 680 r 109. (а) /и(СаО) = 20 г 117. w(Si) = 19,5 % 31. Na2S03 119. (г) 35. (a) 120. (в) 41. /и(раствора) = 4,39 г 121. (а) /«(BaS04) = 0,492 г 124. (в) 42. /и(ВаС12) = 2,21 г 125. (б) nj(CuCl2) = 2,61 г 126. (а) 46. m(H2S04) = 6,89 т 128. (г) 47. m(pacTBopa) •= 255,6 кг 129. н’(СО) = 25 % 48. m(H2S04) = 1102,5 т 134. (а) 49. 90 % 135. (б) 50. 88,7 % 136. и’(СаСОз) = 90 % 51. /«(S) — 160 кг 137. w(Na2C63) = 83,3 52. /я(раствора) = 2,2 ю' 157. (2) 66. v(N2) = 0,5 моль 162. (1, 2) \ (СазН2) = 0,5 моль 163. (3) 67. Хватит 172. (3) 68. (а) 179. (3) 74. (г) 180. (1,5; 1,3; 2,4; 5,6) 75. (в) 181. (2) 76. w(NH.) = 15 % 193, (2) w(HCI) = 64,4 г 196. (4) 81. (а) 205. (2) 82. (а) 206. (3, 1, 2) 83. /«(NH4NO3) = 40 г 207. (2) /n(HN03) = 3,5 г 220. (3) 88. КН2) = 9388 м’ 225. (1,4) 93. (б) 227. (2) 94. (в) 182 OL ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ Бранд X. 48 Буссеиго Ж. Б. 74, 75 Бутле^юв А. М. 128—130 Велер Ф. 109 BjtacioK П. А. 79, 81 Гей-Люссак Ж. Л. 82 Горбачевский И. Я. 109, 110 Зайкевич А. Е. 81 Зелинский Н. Д. 164 Кавендиш Г. 48 Кекуле Ф. А. 151 Киприанов А. И. 131 Кирсанов А. В. 155 Лавуазье А. 48, 82 Ле Шаа'елье А. Л. 41, 42, 63 Либих Ю. 74, 79 Менделеев Д. И. 81 Пристли Дж. 48 Пряниишиков Д. Н. 79 Резер(1юрд Д. 47 Сориа Ш. 54 Тенар Л. 82 Шееле К. 48 ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Абсорбер А1РОХИМИЯ Адсорбент Адсорбция Ают 42 74, 79 87 87 47—50, 53—55 183 Активированный уголь AjuiorpoiiHX 87 — кислорода 16 — серы 20, 21 — ф<х:фор£ 50, 51 — угаерода 83—86 Алмаз 83—85 А) гюмосиликаты 88, 103—105 Аммиак 55—59 Аммиачная вода 56, 57 , 74, 172 Аммофоска 81 Аммофосы 81 Ацетилен 134 и дальше Белая сажа 95 Бензин 165 Бензол 150 и дальше Бетон 107 Бромэтан 139 Бутан 120 Взаимьюе влияние атомов 128 В1>1ход прод>'кга 44^7 Газ — болотный 115 — бурый 65, 69, 73 — коксовый 112 — природный 113, 160 — рудничный 115 — угарный 89, 90 — углекислый 89, 90 Газы попутные 162 Газойль 165 Гексан 120 Гс ксахл орбе 113ол Гекса хлорипклогексан 155 (гексахлоран) 154, 155 184 Гептан 120 Г HjtpupoEiaHHC — ацетилена 138 — бензола 153 — испрслсльньгх углеводородов 138 — этилена 138 Г идрокарбо! 1аты 96—100 Г идросул 1>фаты 36—37 Г идросуль(|)ИТЫ 26 Гидро(|юсфаты 68, 79 Глауберова соль 40 Гомологи 124 Гомологическая разность 124 Гомолог№теский ряд 124 Графит 85, 86 д Декан 120 Д и ги; 1рофосфаггы 80, 81 Дихлорметац 117, 118 Донор! ю-акцегггор! юе взаи модсйствие 57 Ж Же;гсзный колчедан 22, 41 Железобетон 108 Жесткость воды 99—100 И Избыток реагента 29—35 Известковая вода 97 Известняк 98 Изобутаи 127 Изомерия 128, 135 Изомеры 128 К Каолгтн 107 Каменноугольная смола 172 Карбгщы 91 185 Карбин 86 КарбС'наты 96—100 Карбстермич 89 Квар1, 95 Керамика 107 Керосин 165 КИСЛС|ЮД 13, 14 Кислота — азсаистал 65, 66 — азотная 67—70 — ди^юсфорная 69 — крсмние1зая 104 — ме"афос(|юриая 67 ~ ортофосфорная (фосс^орная) 71 — серная 35—40 — сернистая 25 — угольная 94, 96, 97 Кис;10тныс дожди 27 Кокс 86, 87, 172 Коксовый газ 172 Коло1ша синтеза 64 К4х:кинг 166 KpcMtieacM 88, 93, 94, 103, 104 Кр>товорот — азота 77—79 — у1‘лерода 101—103 Купоросы 39 М Мазут 165 Медный блеск 22 Мел 98 Метан 114 и дальше Метил 131 Модели молекул — масштабные 122 — шаросгержневые 121 Мотгопгдрат 42 MoitoMcp 145 Мономерное звено 145 Miiawqp 98 186 н Нашатырный спирт 57, 58 Нашатырь 58 Нс(}хгь 163 Нефтепродукты 165 Нефтехимия 166 Нитраты 66, 72—75 Нитршчы 53 Нитробензол 152 Номенклатура — непредельных ухлеводоролов 135 — п^х^делыгых ^тлеводо^хадов 130 Нонан 120 О Озон 14, 16—19 Озоновая дыра 19 Озо1ЧОвый слой 18, 19 Октан 120 Оксиды — азота 65, 66 — к^кмния 93—95 — серы 25—29 — углерода 89, 90, 92—^5 — фос(}юра 66, 67 Олеум 28, 43 п Парафин 125, 167 Парафины 123 Парниковый эффект 103, 173 Пентан 120 Перс1'оика нефш 163 Пестициды 154 Пирит 22, 41 Пласггмассы 146 Полимер 144 Полимеризация 144 Полипропилен 148 Полихлорвииш! 14S Полиэтилен 144 и да.1ьше 1 loraui 99 187 Преципитат 81 Прикцип циркуляции 64 Проган 119 Пропил 131 Пропилен 135 р Радикалы 131 Реакция — гццрирования 138 — гореьшя 115, 136, 152 — дегшфирования 157 — замещения 116, 123, 152 — присоединения 138, 152 — разложения 116 — хлорирования 116 С Сажа 118 Свинцовый блеск 22 Связь — двойная 134 — ковалент1{ая 57 — кратная 134 — ординарная (простая) 134 — тройная 134 Се;штры 74 Сера — моноклинная 20 — пластическая 21 — ромбическая 20 СерниегьиЧ газ 20—23 Силикаты 105 Синтез аммиака 62—64 Смог 174 Сода — кальцинированная 98 — крис'галлическая 98 — питьевая 99 Соли аммония 59—61 ОГСК/ТО — жидкое 105 188 — кварцевое 106 — окошюе 106 — растворимое 105 — силикатное 106 — 'lyi'oruiaBKoe 106 Степень полимеризации 145 С1рук17рная формула 114, 119, 129, Сульфаты 39, 40 Сульфиды 23, 24 Сульфиты 26 Суперфосфат 81 Сухой лед 92 Т Теория химическою строения 126 Термопласти Ч1 юстт> 145 Те'грах; юр мета к 116, 118 Тефлон 149 Трихлорметан 117, 118 У Удобрения — азотные 73, 74 — кошьтексные 81 — минеразьные 74 — органические 74 — фос(}юрные 71—73 Углеводороды — ароматические 150 — неиределыЕые (ненасытешшс) 134 и дашше — цределыше (насыщенные) 119 и дальше Углеродные материалы 86, 87 Уголь каменный 74, 78, 79, 171 Ф Фар<1юр 107 Фаянс 107 Физиолошческое действие — aMMViaxa 56 — б>рого газа 66 — озона 17 — OKcrvia серы(ГУ) 27 189 — оксидов углерода 92, 93 (1)ОсфОр£ 52 Фосфаты 79—81 Фосфиды 53 Фосфор 48—52 Фосфоритная мука 81 Фос(}юрш' 52 Фуллерены 86 X Хлорбензол 152 Хлормсган 116, 118 ХлорпроизБодпые метана 117 Хлорэтан 123 Хруспаль 106 ц Цемент 107, 108 Ци кл опарафи! 1Ы 153 Цинковая обманка 22 Э Электронные формулы — азота 48 — ю.елорода 14 — кремния 83 — серы 14 — углерода 83 — фос(^ора 48 Э'ган 119 Этил 131 Этюсн 134 и да Я Я доки каты 155 190 «Дпинн2я форма» периодической системы химических элементов Кроме известной тебе так называемой короткой формы изображения периодической системы, используется еще и «11линная> форма, также предложенная самим Менделеевым. Вообше-го суиествчет много вариантов изображения периодической системы и не только в виде таблицы. По из табличных вариантов в настоящее время наиболее распространенными являются короткая и длинная формы. Они взаимно дополняют друг друга и в целом идентичны. Однако в последнее время длинная форма приобретает большую популярность, посксшьку она ярче согласуется со строением атомов химических элементов. В длинной форме большие периоды, так же как и малые, занимают только одну горизонталь, на два ряда не делятся. Слева располагаются 5-элементы, в атомах которых заполняются л-орбитали; справа — д-элементы, в атомах которых заполняются /;-орбитали. У s- и р-элементов заполняется внешний электронный слой. Среднюю часть больших периодов занимают так называемые переходные элементы, в атомах которых заполняюзх'я ^/-орбитали предвнетнегр слоя. Семейства лантаноидов и актиноидов — это/-элементы. У них заполняется третий снаружи слой. Эти семейства, как правило, выиосяз' за пределы таблицы как в короткой, так и в длинной формах. PaiLMHMue в последовательности заполнения электронных слоев (внешних и более глубоко расположенных) объясняет причину различной ДЛШ1Ы периодов. Длинная форма периодической системы включает 16 групп — 8 главных и 8 побочных (подфупп нет), обозначаемых буквами А и Б. Положение в группах s- и р-эле-мептов определяется общим числом электронов внешнего слоя, а г/-элементов — обшим числом л-элек1 ронов внешнего и ^/-электро!юв предвнешнего слоев. Периодическая повторяемость стркюння внешних электронных оболочек атомов является причиной периодического изменения свойств химических элементов. В этом заключается физическая сущность периодического закона, которая не зависит от формы представления периодической системы элементов. Колонна синтеза Холодильник Азотоводородная смесь Производство аммиака Пень для обжига ' 8 кипящем слое' Циклон Электрофильтр Печной, газ Разбавленная серная кислота Олеум на гкпал Производство серной кислоты