Учебник Химия 8 класс Кузнецова Титова Гара

5^1:, щ ^ i у' Ь Г Ш 3| г '’ролаъ'^!: I ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕм! ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА эды — - — Группы элементов | а I б а И 6 а III б а IV б а ^ / б а VI б а VII б а VIII 6 н н 1 Не 2 1,0079 Водород 4,00260 Гелий » Li 3 Be 4 В 5 с 6 N О 8 F 9 Ne 10 t 6,941 9,01218 10,81 12,011 14,0067 1 15,9994 18,9984 20,179 Литий Бериллий Бор Углерод А<от Кислород Фтор Неон \ Na 11 Mg 12 А1 13 Si 14 Р т- М S 16 С1 17 Аг 18 22,9898 24,305 26,9815 28,0855 30,9738 32,06 35,453 39,948 Натрий Магний Алюминий Кремний Фос^фр Сера Хлор Аргон К 19 Са 20 21 Sc 22 Ti 23 24 Сг 25 Мп 26 Fe 27 Со 28 Ni 39,0983 40,08 44,9559 47,88 50,9415 51,996 54,938 55,847 58,9332 58,69 1 Калий Кальций Скандий Титан Ванадий 1 Хром Марганец Железо Кобальт Никель 1 29 Си 30 Zn Ga 31 Ge 32 As 83 Se 34 Вг 35 Кг 36 63,546 65,38 69,72 72,59 74,9216 78,96 79,904 83,80 Медь Циик Галлий Германий Мышик Селен Бром Криптон Rb 37 Sr 38 39 Y 40 Zr 41 Nb 42 Мо 43 Тс 44 Ru 45 Rh 46 Pd 85,4678 87,62 88,9059 91,22 92,9061 95,94 [98] 101,07 102,905 106,42 Рубидий Стронций Иттрий Цирконий Ниобий Молибден Технеций Рутений Родий Палладий 5 47 Ag 48 Cd In 49 Sn 50 Sb 61 Те 52 I 53 Хе 54 107,868 112,41 114,82 118,69 121,75 127,60 126,904 131,29 Серебро Кадмий Индий Олово Сурьма Теллур Иод Ксенон Cs 55 Ва 56 57 La* 72 Hf 73 Та 74 W 75 Re 76 Os 77 1г 78 Pt 132,905 137,33 138,905 178,49 180,9479 183,85 186,207 190,2 192,22 195,08 с Цезий Барий Лантан Гафний Тантал Вольфрам Рений Осмий Иридий Платина D 79 Аи 80 Hg Т1 81 РЬ 82 Bi 83 Ро 84 At 85 Rn 86 196,967 200,59 204,383 207,2 208,980 [209] [210] [222] Золото Ртуть Таллий Свинец Bhciqt Полоний Астат Радон Fr 87 Ra 88 89 Ас** 104 Rf 105 Db 106 Sg 107 Bh 108 Hs 109 Mt 110 7 [223] 226,025 227,028 [261] [Ш] [266] [264] [269] [268] [271] Франций Радий Актиний Резерфордий Дубний Сиборгий Борий Гассий Мейтнерий *ЛАНТАНИДЫ 58 Се 59 РГ 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Ей 64 Gd 65 ТЬ 66 Dy 67 Но 68 Ег 69 Тт 70 Yb 71 Lu 140,12 140,908 144,24 [145] 150,36 151,96 157,25 158,925 162,50 164,930 167,26 168,934 -173,04 174,967 Церий Цразеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолипй Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций **А К Т И Н 90 Th 91 Ра 92 и 93 Np 94 Ри 95 Ат 96 Cm 97 Вк 98 Cf 99 ES 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 232,038 231,036 238,029 237,048 [244] [243] [247] [247] [251] [252] [257] [260] [259] [262] Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклий Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренснй 8'Элементы Р'элементы d-элементы | | /-элементы - Символ Лилия КУЗНЕЦОВА X 8 класс УЧЕБНИК для общеобразовательных учреждений Рекомендовано Министерством образования и науки Российской Федерации 6-е издание,стереотипное L Москва 2011 УДК 373.167.1:54 ББК 24.1я721 К89 ' Кузнецова Л. М. К89 Химия. 8 класс : учеб, для общеобразоват. учреждений / Л. М. Кузнецова. — 6-е изд., стер. — М. : Мнемози-на, 2011. — 224 с.: ил. ISBN 978-5-346-01702-8 Учебник построен на основе принципов развивающего обучения. Логика изложения учебного материала облегчает понимание предмета, направлена на осознанное усвоение химических понятий, а также на развитие творческих и интеллектуальных способностей школьников. В книге приведено множество интересных сведений, примеров проявления химических законов в повседневной жизни. Содержание учебника соответствует федеральному компоненту государственного стандарта общего образования по химии. К учебнику выпущено методическое пособие для учителя по новой технологии обучения химии в 8-м классе. УДК 373 167 1-54 ББК 24.1я721 Учебное издание Кузнецова Лилия Михайловна ХИМИЯ 8 класс УЧЕБНИК для общеобразовательных учреждений Генеральный директор издательства М.И.Безвиконная Главный редактор К.И.Куровский. Научный редактор И. А. Л ее неон Оформление и художественное редактирование: Т. С. Богданова Технический редактор И. Л. Ткаченко. Корректоры Т.А. Юдичева, Л. С. Щербакова Компьютерная верстка: А. М. Репкин Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.006513.04.10. от 21.04.2010. Формат 70x90 V,j- Бумага офсетная № 1. Гарнитура «Школьная». Печать о(]х;етная. Уел. печ. л. 16,38. Тираж 1500 экз. Заказ № 404. Издательство «Мнемозина». 105043, Москва, 6-я Парковая, 296. Тел.: 8 (499) 367 5418, 367 5627, 367 6781; факс: 8 (499) 165 9218. E-mail: [email protected] www.mnemozina.ru Магазин «Мнемозина» (розничная и мелкооптовая продажа книг, «КНИГА — ПОЧТОЙ», ИНТЕРНЕТ-магазин). 105043, Москва, 6-я Парковая, 296. Тел./факс: 8 (495) 783 8284; тел.: 8 (495) 783 8285. E-mail: [email protected] www.shop.mnemozina.ru Торговый дом «Мнемозина» (оптовая продажа книг). Тел./факс: 8 (495) 665 6031 (многоканальный). E-mail: [email protected] Отпечатано в ООО «Финтрекс». 115477, Москва, ул. Кантемировская, 60. ISBN 978-5-346-01702-8 «Мнемозина», 2003 © «Мнемозина», 2011 ® Оформление. «Мнемозина», 2011 Все права защищены Предисловие Дорогие школьники! За вашими плечами уже немалый опыт учебных занятий. Вы умеете слушать объяснения учителя, выполнять различные задания (в том числе самостоятельно), работать с учебной книгой. Весь этот опыт понадобится при изучении химии. Но кроме него вам потребуется нечто новое, особенное. Химия — своеобразная наука. В ней мало видеть, понимать, объяснять. Необходимо также уметь проникать мысленным взором в невидимое, в глубь вещества. Для этого нужно развивать воображение. В этом вам помогут материальные модели молекул, атомов и других структурных единиц, рисунками которых снабжён учебник. Знания о веществах и их превращениях в химии принято выражать знаковыми моделями — химическими формулами и уравнениями. Это язык химии. Надо научиться им пользоваться: как самим выражать химические знания в виде формул, так и уметь понимать заключённую в них информацию. Ваша мысль должна не только следить за логикой химических знаний, но и предвосхищать, предсказывать неведомое, неизвестное вам ранее. Это возможно при правильном подходе к изучению химии. Не ищите готовых ответов, не ждите их от учителя. Постарайтесь додуматься до них самостоятельно. Предлагаемый вашему вниманию учебник поможет вам в этом как на уроках, так и при самостоятельной домашней работе. Помните, что всё познаётся только в собственной деятельности. Как бы хорошо вы ни поняли учебный материал на уроке, вам необходимо поразмыслить над полученной информацией самостоятельно, один на один с учебником. Вы замечали, что не удаётся сразу запомнить всё, о чём говорилось на уроке, если даже вы хорошо поняли учебный материал? Не думайте, что у вас плохая память. Дело в том, что память, которой мы обладаем, бывает разная: кратковременная и долговременная. Кратковременная, или оперативная, память проявляется на уроках в процессе вашего знакомства с новой информацией, при выполнении упражнений, решении задач. С течением времени информация, которая удерживается вашей кратковременной памятью, должна перейти в долговременную. Это процесс небыст- 1* i рыи, он длится два—четыре дня, по истечении которых вы сможете вспомнить больше информации, полученной на уроке, чем сразу после него. Но это ещё не значит, что понятое вами на уроке прочно удержится вашей долговременной памятью. Это произойдёт, если вы поддержите свою память повторением: чтением учебника, работой над текстом, выполнением домашних заданий. Вот почему так важно выполнять домашние задания. Приступая к чтению текста, прежде всего прочитайте заголовок параграфа и постарайтесь понять его смысл. Это нацелит вас на дальнейшую мыслительную деятельность. В текст параграфов включены упражнения. Не пропускайте их. Выполнение упражнений и будет той необходимой самостоятельной деятельностью, которая приведёт вас к успеху. Ведь каждое упражнение является закреплением прочитанной части информации, а также служит переходом к пониманию следующей порции знаний. Выполнение упражнений по ходу чтения параграфа поможет вам понять, запомнить, обобщить прочитанное. Помощниками в понимании учебного материала являются рисунки. Внимательно рассматривайте их. Они многое вам расскажут, помогут развить воображение, заглянуть в глубь вещества. Такую же роль играют различные таблицы с числовым материалом. Они также несут в себе информационную нагрузку, помогают понять природные закономерности. Научитесь извлекать из таблиц полезные сведения. В ходе выполнения упражнений вы нередко будете опираться на табличные данные. Задания, приводимые в конце параграфа, как правило, более сложные, чем примеры в тексте. Над выполнением этих заданий придётся подумать самостоятельно. Автор учебника доверяет вашему уму и даёт возможность совершенствовать свой умственный потенциал, поэтому и предлагает сложные задания. Чтобы выполнять их, нужно внимательно читать текст, вникать в его смысл и уметь извлекать содержащуюся в нём информацию. Нет ничего интереснее, чем самостоятельно додумываться до какой-либо идеи, делать для себя открытия, создавать своё знание. При этом вы испытаете захватывающие приключения мысли. Успехов вам! Автор ВВЕДЕНИЕ Кончилось лето. Много воспоминаний оставило оно. И лучшее из них воспоминание — задушевные беседы с друзьями и товарищами у костра. «Взвейтесь кострами синие ночи...» — так пели ваши дедушки и бабушки, мамы и папы в свои юные годы, сидя у традиционного костра. Горит костёр. Потрескивают сучья, летят искры, языки пламени колеблются от ветерка, то бледнеют, то наливаются багрянцем. Догорел костёр, дотлевают угольки. Кучка углей и золы — вот всё, что осталось от костра. А ведь в огонь бросали сучья деревьев, сухие ветки, поленья. На ваших глазах происходило превращение древесины в уголь, золу, газы. Уголь, зола и газы совсем не похожи на белую, твёрдую, волокнистую древесину. Вещества, из которых состоит древесина, при горении превратились в другие вещества. Рис. 1. Горение — реакция, с которой человек сталкивается ежедневно 0 Превращение одних веществ в другие называют химической реакцией. Замечали ли вы, что всё вокруг нас постоянно меняется? Мир, окружающий нас, кажется нам неизменным. Каждый день мы ходим по одним и тем же улицам, мимо одних и тех же зданий. Ежедневно можно видеть неизменные горы, реки, поля, леса, холмы. Неизменны небо, солнце и звёзды у нас над головой. Но это обманчивое впечатление. На самом деле мир постоянно меняется. Лес стоял унылый и голый, но весной он стал одеваться зеленью, а через несколько месяцев запылал разноцветными красками осени. Река то разольётся, то обмелеет. И постоянно течёт, унося безвозвратно воду в море. Недаром древнегреческий философ Гераклит сказал, что нельзя в одну реку войти дважды. Даже вечные горы незаметно изменяются под воздействием воды, воздуха, солнечной Рис. 2. Даже вечные горы постепенно изменяются под действием воды, воздуха, солнца Рис. 3. Сталактиты и сталагмиты в пещере энергии. На поверхности Земли минералы подвергаются выветриванию, то есть превращаются в другие вещества (рис. 2). Взаимодействие таких минералов, как известняк, доломит и другие, с водой и углекислым газом приводит к их растворению. На месте растворившихся пород и минералов образуются пустоты в виде пещер. С потолка свисают каменные сосульки — сталактиты, а с пола поднимаются сталагмиты — каменные наросты (рис. 3). Стены пещер покрыты кристаллическими «цветами» из вновь образующихся веществ. Превращения одних веществ в другие происходят как в неживой, так и в живой природе. Весной распускаются почки на деревьях, расцветают сады, из зёрен появляются всходы, которые с каждым днём развиваются всё больше. При этом вода, углекислый газ, кислород, питательные вещества растений, зёрен и почвы превращаются в другие вещества — углеводы, белки, жиры, зелёный хлорофилл. Позднее в растительных организмах образуются вещества, которые придают окраску цветам и плодам. При созревании в плодах образуются витамины, кислоты, сахара и другие вещества, придающие плодам питательные свойства (рис. 4). Мы живём в мире превращений веществ, в мире химических реакций. Сама жизнь возможна только благодаря химическим реакциям. В живом организме непрерывно Рис. 4. происходит множество взаимосвя- Перед вишней в цвету занных реакций. Когда эти реак- Померкла в облачной дымке прекращаются, наступает ги- Пристыженная луна, организма. Человечество с момента своего зарождения столкнулось с разнообразными химическими реакциями. Они приносили людям как пользу, так и вред. Например, реакция горения древесины помогала человеку согреться, сварить пищу, но в то же время была и остаётся причиной пожаров. Поэтому люди вынуждены наблюдать и изучать химические реакции, получать о них знания, чтобы извлечь из этого пользу и избежать вреда. Знания о химических реакциях передавались из поколения в поколение, накапливались и постепенно переросли в науку — химию. 0 Химия — это наука о веществах и их превращениях. Химические знания помогли людям объяснить факты, систематизировать их, предсказать результаты различных процессов и явлений. Благодаря добытым химическим знаниям мы широко пользуемся плодами науки химии. В результате превращения руды в металл появляется материал для построения каркасов промышленных сооружений, для изготовления машин, станков, инструментов и других полезных вещей. Трудно представить себе современную стройку без цементного раствора. Цемент — продукт превращения глинистых и известковых минералов. Цементный раствор затвердевает в процессе химической реакции с водой и прочно скрепляет кирпичи и блоки при постройке зданий. С помощью специальных химических реакций исследуют состав почвы и определяют, каких веществ не хватает для питания растений, какие удобрения внести в почву, чтобы повысить урожай. Учёные разгадали тайны многих химических реакций, происходящих в человеческом организме, узнали, как на него действуют те или иные вещества. Благодаря этому фармацевты и медики знают, как получать и как применять лекарственные вещества для лечения болезней (рис. 5). В химической промышленности получают множество необходимых веществ: удобрения для растений, химикаты для уничтожения вредителей сельскохозяйственных культур (рис. 6), моющие средства, красители для тканей, кожи, бумаги и других материалов, малярные и художественные краски (рис. 7), искусственные и синтетические волокна для изготовления тканей (рис. 8), бумагу, вещества для Рис. 5. Лекарственные препараты Рис. 6. Опрыскивание лесов химикатами Рис. 7. Продукция завода бытовой химии «Хитон» (г. Казань) Рис. 8. Искусственные волокна, как и красители для них, — продукция химических заводов получения таких материалов, которых нет в природе. Велико значение химии в жизни человечества. Российский минералог и геохимик А. Е. Ферсман писал о XX веке: «Наступающий век человечества явится веком химии, химического преобразования природы и её сил, глубокого использования и превращения бесполезных и малополезных веществ земли и отбросов производства в высоко практические ценности... — вот где раздолье творческой мысли нового химика». Предсказание А. Е. Ферсмана сбылось, но не совсем. В XX веке возникло множество химических заводов по производству различных необходимых промышленности и сельскому хозяйству веществ. Например, заводы по производству аммиака, азотной, серной, соляной, уксусной кислот; нефтеперерабатывающие, металлургические, фармацевтические, силикатные и другие заводы. Ещё больше появилось предприятий и заводов, так или иначе связанных с химическими превращениями: на тепловых электростанциях сгорает уголь, мазут; на ткацких фабриках происходит крашение тканей; на заводах медицинского оборудования перерабатывают пластмассы; на стекольных заводах песок, соду, известняк превращают в стекло. Однако наряду с пользой промышленность наносит природе и урон. Вопреки предсказанию Ферсмана, далеко не все отходы используются в практических целях. Час- Рис. 9. Промышленный дым загрязняет воздух, которым мы дышим то можно видеть дым над трубами заводов, котельных, ТЭЦ (рис. 9). Вместе с дымом в атмосферу выбрасываются ядовитые газы — угарный, сернистый и другие. Много вредных веществ уносится водой в природные водоёмы, проникает в грунтовые воды. Выбросы вредных веществ наносят ущерб растительности, животному миру, здоровью человека. Чистота окружающей среды — необходимое условие существования всего живого на земле. Химические знания должны помочь человеку предотвратить вредное влияние ядовитых веществ. Для этого необходимо использовать отходы производства, которые часто загрязняют среду обитания человека. Отходы одного производства должны служить сырьём для другого. Так, например, шлаки — отходы металлургического производства — применяют для получения минеральных удобрений, дорожных покрытий, строительных материалов. Ядовитый сернистый газ, образующийся при переработке руды в металл, используют для производства серной кислоты. Там, где среда загрязнена, погибают многие живые организмы, в том числе бабочки. Если же бабочки порхают над цветами, мы можем быть уверены, что среда чиста. Вот почему на обложке нашего учебника изображена бабочка. Она призывает разумно использовать химические превращения, сохранять чистоту природы, соблюдать правила безопасности. Много вопросов уже решено химией, но ещё больше остаётся неразгаданного. Немало предстоит сделать вашему поколению. И кем бы вы ни были в будущем, в той или иной мере вам понадобятся химические знания. Итак, приступим к изучению химии. Вопросы и задания 1. Прав ли Гераклит, утверждавший, что в одну реку нельзя войти дважды? Ответ обоснуйте. 2. Что изучает химия? Какие процессы называют химическими реакциями? 3. Приведите примеры превращений одних веществ в другие, которые вы наблюдали в быту, природе, на различных производствах. 4. Какие заводы или другие предприятия, связанные с химическими превращениями, существуют в вашей местности? ■яг 5. Ежедневно во многих домах и квартирах пользуются реакцией горения природного газа в газовой плите. Опишите эту химическую реакцию: как она начинается, что наблюдается при горении, в какие вещества превращается природный газ, как прекратить данную реакцию. Домашний эксперимент Если у вас есть желание продолжить занятия химией дома, то проведите и опишите следующие химические реакции: 1. Налейте во флакончик из-под пенициллина немного воды, растворите в ней щепотку питьевой соды. В полученный раствор добавьте несколько капель уксуса. Что вы наблюдаете? 2. В склянку налейте молока и добавьте несколько капель уксуса или лимонного сока. Что происходит с молоком? В домашних условиях можно проводить многие химические опыты. Для этого вам понадобится посуда. О посуде для опытов и самих опытах прочитайте в книге О. Ольгина «Опыты без взрывов» (М.: Химия, 1986). Автор советует пробирки заменить тонкостенными стеклянными ампулами из-под таблеток, использовать флакончики из-под пенициллина, стрептомицина и других лекарств, стеклянную тару от пищевых продуктов — майонезные банки, бутылки и т. д. Помните, что посуду из толстостенного стекла нельзя нагревать — она может лопнуть. Всю посуду необходимо тщательно мыть стиральным порошком с помощью ёршика, а потом ещё несколько раз чистой водой. Лабораторная работа «Очистка воды» Опыты проводят с чистыми веществами. Если вода содержит исключительно только одни молекулы воды, то она считается чистой. В природе такой воды не бывает. Она всегда содержит либо мелкие твёрдые частички примесей (глины, песка), либо растворённые вещества (соли). Вода, содержащая твёрдые частички примесей, будет мутной на вид. Вода может быть прозрачной, но не будет чистой, так как содержит растворённые вещества. Как же очистить воду от различных примесей? 10 р. Опыт 1. Фильтрование за- ('\ грязнённой воды. От крупных ---- частиц можно избавиться путём фильтрования. Воронку вставьте в кольцо штатива. В воронку поместите фильтр. Его готовят из кружка специальной рыхлой фильтровальной бумаги. Кружок сложите вчетверо. Если отогнуть одну сторону сложенного фильтра, образуется подобие воронки. Этот фильтр вставьте в стеклянную воронку. Фильтр не должен выглядывать за края воронки. Под воронку поместите чистый стакан. Он будет играть роль приёмника профильтрованной воды. Получите у учителя порцию мутной воды и профильтруйте её. Воду на фильтр нужно лить осторожно, не доливая до края. Воду лейте по стеклянной палочке, держа её на весу над фильтром. (Осторожно! Не проткните фильтр.) Сравните отфильтрованную воду с полученным образцом. Можно ли считать, что профильтрованная вода будет чистой? Нанесите каплю этой воды на стекло и осторожно нагрейте на огне, зажав стекло специальными щипцами. После испарения воды вы увидите на стекле пятно. Это остались растворённые в воде вещества. Как же избавиться от них? Рис. 9 а. Изготовление фильтра и фильтрование б Опыт 2. Очистка воды перегонкой. Внесите в колбу прибора, показанного на рис. 9 б, отфильтрованную воду. Поставьте под колбу горелку и нагрейте воду до кипения. Пары воды проходят через длинную трубку, охлаждаются и конденсируются. Эту трубку называют холодильником. Под холодильник поставьте колбу, в которой будет собираться конденсированная вода. Растворённые вещества остаются в колбе, вода же после перегонки очистится от растворённых примесей. Проверьте чистоту воды способом, который вы применяли в предыдущем опыте. Рис. 9 б. Очистка воды перегонкой Л GQ0 2 ГЛАВА I Первоначальные понятия химии § 1. Признаки химических реакций Рис. 10. Кипение и конденсация воды Рис. 11. Разложение воды на кислород и водород в природе происходят явления двоякого рода — физические и химические. Вам они знакомы из курса физики. Два рода явлений можно отличить друг от друга. Но для этого нужно знать, чем же химические явления отличаются от физических. Отличительные признаки химических явлений установим на опытах. Однако бывает, что один и тот же признак проявляется как при химических, так и при физических явлениях. Поэтому нам нужно установить сущность химического явления. И в этом нам поможет опыт. Нальём в колбу воды и нагреем её. Через некоторое время она закипит. Каждый школьник знает, что при этом вода испаряется, переходя в другое агрегатное состояние. Это легко доказать (рис. 10). Подумайте, как доказать, что пар и жидкая вода — одно вещество. Теперь в специальном приборе проведём другой опыт: через воду пропустим электрический ток (рис. 11). Мы увидим выделение газа, но это не кипение. Пробирки прибора наполняются газами, а не парами воды. Сколько бы мы ни охлаждали полученные газы, конденсации воды не происходит. Вода превратилась в другие вещества. В одной пробирке собрался кислород. Его присутствие докажем с помощью тлеющей лучинки. Она вспыхивает 12 при наличии кислорода. В другой пробирке образовался водород. Он сгорает с характерным хлопком. По этому хлопку и распознают водород. Итак, в двух опытах мы наблюдали превращение жидкости в газ. По своей сути это различные явления. В первом опыте вещество изменило агрегатное состояние, но осталось самим собой. Во втором — одно вещество превратилось в два других. Первый процесс относится к физическим, а второй — к химическим явлениям. 0 Химические явления отличаются от физических тем, что в результате их образуется новое вещество. Химические явления происходят благодаря химическим реакциям. При проведении реакции в сосуде возникает реакционная смесь. В неё входят исходные вещества, то есть те, которые вступают в реак1;ию, а также вещества, которые образуются в результате реакции, — продукты реакции. Исходные вещества и продукты реакции взаимосвязаны между^ собой: первые постепенно превращаются во вторые, но какое-то время (а иногда и всё время, если химическая реакция не прошла полностью) они сосуществуют вместе. Химическая реакция всегда сопровождается физическими процессами: перемешиванием, диффузией, изменением энергии, изменением цвета и другими. В ходе химической реакции возникают новые вещества, отличающиеся от исходных. Потому-то химические явления сопровождаются различными изменениями или внешними признаками. Проведя ряд опытов, отметим эти признаки. В дальнейшем такие наблюдения помогут нам распознать химические явления среди множества других. Рис. 12. Лабораторная посуда: а — пробирка, б — колбы, в — стаканы, г — фарфоровые чашка и тигель, д — воронка, е — пипетки, ж — склянка 13 Рис. 13 (а, б, в). Правила лабораторной техники Химические реакции осуществляют в специальной посуде: пробирках, склянках, химических стаканах, колбах, тиглях (рис. 12). Химические вещества, с которыми мы будем проводить опыты, находятся в растворённом состоянии в склянках. На склянках указаны названия веществ. Запоминать их вам не нужно. Не всякое вещество, с которым мы имеем дело, безопасно. Поэтому, работая с веществами, нужно соблюдать некоторые правила. 1. Нельзя вещества пробовать на вкус! Все реактивы, которые находятся в лаборатории, в той или иной степени вредны. После работы с веществами необходимо тщательно вымыть руки с мылом. 2. Перед работой с незнакомым веществом постарайтесь узнать его свойства (прочитайте или спросите у учителя): не опасно ли оно, а затем приступайте к работе с ним. 3. Каждое вещество должно быть чистым. Это значит, что в вещество не должны попасть частицы другого вещества. Поэтому для каждого раствора есть своя пипетка (рис. 12, е), их нельзя путать. В качестве пипетки используют стеклянные трубки с оттянутым концом. Пипетку опускают в раствор. При этом раствор поступает в пипетку. Верхний конец её закрывают указательным пальцем и переносят раствор в пробирку или стакан (рис. 13, а). Работать нужно аккуратно, не проливая и не разбрызгивая растворы. В пробирку вносите небольшое количество раствора (5—б капель). 4. В лабораторной практике часто требуется нагревание. В школьном кабинете обычно пользуются спиртовкой. С ней надо обращаться осторожно. При неосторожном обращении из неё может выплеснуться спирт и загореться. Чтобы зажечь спиртовку, нужно снять колпачок и к фитилю поднести спичку (рис. 13, б). Гасить спиртовку нужно также с помощью 14 колпачка, накрыв им огонь. Ни в коем случае нельзя гасить огонь спиртовки, как свечу, задувая его. 5. Как правило, в лабораторной практике приходится нагревать вещества в стеклянной посуде. Это требует соблюдения особых правил, которые помогают избежать растрескивания стекла. Стаканы и колбы не нагревают на открытом огне (рис. 13, в). Их ставят на специальные асбестированные (покрытые асбестом) сетки. Пробирки можно нагревать на открытом огне. При этом сначала прогревают пробирку по всей длине, чтобы она не лопнула. Нагревание пробирки следует проводить в верхней части пламени (рис. 13, г). 6. Иногда требуется определить запах вещества. Но газы или летучие вещества (легко испаряющиеся) могут быть ядовитыми. Поэтому нюхать вещества нужно осторожно, направляя струю газа лёгкими взмахами руки к носу (рис. 13, д). При этом нельзя глубоко вдыхать. Рис. 13 (г, д). Правила лабораторной техники Р Опыт 1. Образование осадка. В про-бирку внесите несколько капель раствора сульфата магния и добавьте столько же раствора карбоната натрия. Что наблюдаете? При смешивании двух растворов образовалось твёрдое вещество, которое не растворяется в воде. Сначала мельчайшие крупинки этого вещества находятся во взвешенном состоянии. Затем они постепенно оседают на дно. Поэтому нерастворимое твёрдое вещество называют осадком. В нашем опыте образовался осадок белого цвета (рис. 14). Растворимость в воде отличает продукт реакции от исходных веществ. Исходные вещества хорошо растворимы в воде, а один из продуктов реакции в воде не растворяется. \ R R Рис. 14 Рис. 15 Рис. 14. Выпадение осадка Рис. 15. Растворение осадка 15 Рис. 16. Поглощение теплоты в ходе химической реакции д» I о п ы т 2. Растворение осадка и выде-1 ление газа. К образовавшемуся в опыте 1 осадку добавьте несколько капель соляной кислоты. Вы видите, как выделяются пузырьки газа, а осадок растворился (рис. 15). В этом опыте продукты реакции отличаются от исходных агрегатным состоянием и растворимостью в воде. Исходное вещество было нерастворимым, а один из продуктов реакции — хорошо растворяется в воде. Исходное вещество находилось в твёрдом состоянии, а один из продуктов — в газообразном. г|| I Опыт 3. Изменение цвета. В пробирку поместите несколько капель раствора хлорида железа, отметьте его цвет. Теперь добавьте несколько капель раствора роданида аммония. Вы видите, что раствор стал тёмно-красным. Это значит, что продукт реакции отличается от исходных веществ цветом. Два последующих опыта демонстрирует учитель. Д1 I Опыт 4. Поглощение теплоты. Воспользуемся прибором I (рис. 16), который состоит из пробирки, пробки и пропущенной через неё стеклянной трубки. По ней выходит образующийся в реакции газ, поэтому её называют газоотводной. Поместим в пробирку немного зелёного порошка малахита. Нагреем пробирку с веществом. Через некоторое время из газоотводной трубки начнёт выделяться газ. Его можно обнаружить, если конец газоотводной трубки опустить в стакан с известковой водой — она мутнеет. Зелёный малахит превращается в чёрное вещество — оксид меди, а на стенках пробирки появляются капельки воды. Прекратим нагревание. Тотчас прекращается выделение газа. Это значит, что прекращается реакция. Нагревание вызывает химическую реакцию, в ходе которой вещество поглощает энергию и превращается в другие вещества. П| I Опыт 5. Выделение теплоты. Насыплем на асбестированную сетку оранжевые КристалльГ. Это — дихромат аммония. Нагреем вещество на огне спиртовки до начала реакцииГЧСятГтолько начнётся реакция, уберём спиртовку. Реакция происходит бурно: из вещества вырываются огненные искры, как из извергающегося вулкана (рис. 17). Это вылетают раскалённые частички продукта реакции, значит, реакция сопровождается выделением энергии. После окончания 16 реакции образовалось зелёное вещество — оксид хрома. По тому как раскалённые частицы продукта высоко взлетали, можно сделать вывод, что в результате реакции образовались газы. Этот ипыт следует проводить под тягой “или на открытом воздухе. Химические реакции могут сопровождаться также выделением или поглощением электрической энергии. Так, разложение воды на водород и кислород, которое мы наблюдали ранее, происходит с поглощением электрической энергии. Итак, энергетические эффекты (выделение или поглощение теплоты, света, электричества и других форм энергии) сопровождают химические реакции и являются одним из признаков химической реакции. Из наблюдений за проведёнными опытами можно сделать вывод: химические реакции сопровождаются выпадением осадка, растворением осадка, изменением цвета, выделением газа, выделением или поглои^ением энергии. Всё это — признаки химических реакций. Не всегда признаки реакции ярко выражены. Иногда не удаётся визуально установить осуществление реакции. Приходится прибегать к специальным методам анализа. Рис. 17. Выделение теплоты в результате химической реакции Вопросы и задания 1. Какие явления можно назвать химическими? В чём существенная раз-V ница между химическими и физическими явлениями? 2. Падавший с вечера снег Утром в дождь обратился. Это вина весны! Басё О каком явлении — физическом или химическом — говорится в японской хокку знаменитого поэта Басё? 2. Зак. 6780 17 3. Определите, какие явления из перечисленных относятся к физическим, а какие — к химическим: а) весной из-под снега бегут ручьи; б) из магнитного железняка получают железо; в) из железа производят машины; г) воздух разделяют на кислород и азот; д) тлеющая лучинка вспыхивает в кислороде; е) для очистки природной воды перед подачей в водопровод её фильтруют; ж) при продувании выдыхаемого воздуха через известковую воду выпадает осадок. Назовите признаки упомянутых химических реакций. 4. Кузов старой автомашины покрылся ржавчиной. Какое явление произошло с железным кузовом — химическое или физическое? По какому признаку вы сделали вывод? 5. Какое явление происходит в листьях деревьев в пору, которую И. Бунин описал в стихах? Ответ обоснуйте. Лес точно терем расписной. Лиловый, золотой, багряный. Весёлой, пёстрою стеной Стоит над светлою поляной. Рис. 18. Осень — пора, когда листья деревьев меняют зелёный цвет на жёлтый, бурый, багряный. 6. Русский путешественник Афанасий Никитин, побывав в Баку (1466 г.), удивлялся огню, вырывающемуся из земли. То горела нефть, или «земляное масло», как нефть называли в те времена. Какое явление наблюдал Афанасий Никитин? Какие признаки его сопровождают? 7. Зелёный хлорофилл в листьях растений образуется только при погло-. щении солнечной энергии. У растения, выросшего в темноте, листья 18 де окрашены (белые). Будет ли образование хлорофилла химической реакцией или физическим явлением? Ответ обоснуйте и назовите признаки явления. g Q каком явлении говорится в русской пословице; «Капля камень точит»? 9 В домашнем хозяйстве часто применяются чистящие средства, в со-" став которых входят абразивное вещество (латинское abrasio — «соскабливание»), позволяющее механически оттирать налёт на фаянсовых и других поверхностях, а также моющие средства, содержащие вещества, вступающие с загрязнениями в химические реакции. Очистить загрязнённые поверхности бытовых предметов можно по-другому, оттирая их речным песком. В каком случае результат достигается быстрее? Ответ обоснуйте. Какие явления происходят при чистке поверхностей чистящим средством и речным песком? Домашний эксперимент Для домашних опытов можно использовать лимонную кислоту, медный купорос, стиральную соду и другие вещества. Медный купорос продают в хозяйственных магазинах, в магазинах для садоводов как средство для борьбы с вредителями сада. Стиральная сода продаётся как моющее средство. Лимонную кислоту можно купить в продовольственных магазинах. 1. В двух стаканах приготовьте растворы медного купороса и соды. Понемногу добавляйте раствор соды к раствору медного купороса. 2. Растворите немного лимонной кислоты в воде (полчайной ложки в 100 мл воды). Опустите в полученный раствор кусочек мела. Какие признаки вы наблюдали в ходе проведённых реакций? После опытов тщательно вымойте посуду. § 2. Вещества и их свойства Для того чтобы разобраться в химических реакциях, нужно изучить участвующие в них вещества. Из курса физики вы знаете, что вещество — это вид материи. Что же представляет собой материя и какие её виды можно выделить? и Материя это то, что существует независимо от нас и воспринимается вашими органами чувств непосредственно или с помощью приборов. 2* 19 Мы обнаруживаем материю в её разнообразных проявлениях и убеждаемся, что она существует независимо от нашего сознания. Органы зрения помогают человеку увидеть окружающий мир: определить формы тел, их цвет, протяжённость, объём. Нервные окончания в мышцах дают возможность ощутить тяжесть физического тела, а в пальцах — определить твёрдость, фактуру поверхности. Наши зрение и осязание обнаруживают множество физических тел, которые существуют независимо от нас. Тела, как известно, состоят из веществ, следовательно, вещества являются одним из видов материи. Увидеть тела можно только на свету. В темноте зрение не поможет. Свет мы воспринимаем тогда, когда восходит Солнце, что не зависит от нашей воли. Следовательно, свет существует независимо от нас. Он является видом материи. Наш вестибулярный аппарат помогает нам удерживать равновесие, ходить вверх головой. Так наш организм взаимодействует с гравитационным полем Земли, которое мы не можем отменить, уменьшить или увеличить. Гравитационное поле существует независимо от нашего сознания, следовательно, является видом материи. Существуют также виды материи, не воспринимаемые нашими органами чувств, — это магнитное поле Земли, радиоволны, радиоактивное излучение. Их мы регистрируем и измеряем специальными приборами, которые являются как бы продолжением наших органов чувств. В этом разнообразии материи можно обнаружить нечто общее. Физические тела обладают инерционностью и, следовательно, массой. А вот свет, гравитационное поле, электрическое поле, магнитное поле обладают другими свойствами и не имеют массы в состоянии покоя. Отсюда все разнообразные формы материи делят на два вида: поле и вещество. Свет, радиоволны, электрические, гравитационные и магнитные поля относят к одному виду материи, называемому полем. Всё то, из чего состоят физические тела, относят к другому виду, который называют веществом. Из веществ состоят горные породы и минералы, леса и животные, мельчайшие былинки и гигантские звёзды, толща атмосферы и водные | массы Мирового океана. В космосе, пронизанном различными видами I полей, вещество встречается в виде сгустков: планет, звёзд, туманностей. [ 20 Рис. 19. Цементный раствор обладает способностью затвердевать и превращаться в твёрдый камень. Поэтому его используют для скрепления кирпичей и панелей В межзвёздном пространстве встре-аются отдельные молекулы и целые облака газообразных веществ. пд Объектом изучения химии являются не все виды вещества, а только те, которые представляют собой объединение разрозненных атомов в более сложные агрегаты*: молекулы, кристаллы. В окружающем нас мире существует огромное множество разнообразных веществ. Многие из них — неотъемлемые спутники нашей жиз-ни; водя» металлы, соль, сода, ком” поненты нашей пищи (белки, жиры, углеводы, витамины и другие). Некоторые вещества получают искусственно, их нет в природе. Они являются плодом творчества химиков. Например, различные пластмассы (полиэтилен, оргстекло и другие). Различные вещества отличаются друг от друга свойствами. Так, вода — жидкость, а железо — твёрдое вещество'; алюминий хорошо проводит электрический ток, а стекло не проводит; стекло хрупко, а медь пластична, ковка. Человек издавна стал использовать вещества, сообразуясь с их свойствами. Заметив, что каменный уголь способен гореть, он стал применять его в качестве топлива. Камыш, дерево и другие пористые материалы, которые хорошо задерживают тепло, использовал в качестве строительных материалов, различные волокнистые материалы — для изготовления тканей. Заметив, что металл под ударами тяжёлых пред- етов меняет форму, стал выковы- р^с. 20. Различные машины изготовлены нть из него орудия труда. разных металлов * Латинское aggregatus — «присоединённый» Частей. агрегат состоит из соединенных 21 1. в детской сказке рассказывается о том, что лисичка имела избушкуи ледяную, а зайчик — лубяную, то есть из волокнистого материала липо-|| вой коры. Кто из героев сказки правильно воспользовался знанием свойств)! веществ? Ответ обоснуйте. А как свойства веществ использовали три поро-' сёнка? Со временем человек стал не только использовать существующие в природе вещества, но и проводить химические реакции для получения)! нужных ему веществ, например металлов. В средние века люди знали)' семь металлов: железо, медь, олово, свинец, золото, серебро, ртуть. Сейчас нам известно свыше восьмидесяти металлов. Многие из них применяются на практике. Железо и его сплавы, в частности сталь, применяют для изготовления машин и различных механизмов. Сплавы алюминия, магния, титана образно называют крылатыми, так как из них производят корпусы самолётов, ракет, космических кораблей. Эти сплавы обладают неоценимым качеством: при высокой прочности они очень легки. 2. Плотность алюминия — 2,7 г/см®, титана — 4,5 г/см®, железа — 7,8 г/см®. Во сколько раз корпус самолёта, если бы он был изготовлен из железа, был бы тяжелее корпуса самолёта из алюминия или титана? Мы используем те вещества, которые могут служить для наших нужд. Но существует множество веществ с опасными для человека свойствами: одни — легко воспламеняются и могут стать причиной пожара, другие — ядовиты, третьи — способны взрываться. Незнание свойств веществ и неумение с ними обращаться может привести к большим бедам. Примеров тому множество. Нарушение правил пользования природным газом может привести к его взрыву. Такие примеры мы видим в теленовостях: при неосторожном обращении с бытовым газом могут взрываться жилые дома. В быту необходимо неукоснительно следовать правилам, которые предписывает инструкция по использованию природного газа. Опасность может исходить от промышленных свалок. Бывает, что на свалку вывозят вредные вещества, которые способны нанести вред здоровью людей и ущерб окружающей среде. Особенно вредны отходы, содержащие ртуть, медь, свинец, кадмий, мышьяк. Рис. 21. Не было бы алюминия и титана, современный самолёт не мог бы взлететь 22 Оставленные без присмотра ртуть и другие яды могут оказаться в ру-X детей или людей, не знающих об опасности, исходящей от этих ве-Участились случаи, когда дети приносят ртуть в квартиру или ^ лу Помещение отравляется, нахождение в нём людей небезопасно. Жидкая ртуть испаряется, а её пары чрезвычайно ядовиты. Попадание УТИ в организм в очень небольшом количестве (всего 0,1 — 0,2 г) вызывает рвоту, упадок сердечной деятельности, поражение нервной системы, паралич и, наконец, смерть. Ртуть опасна ещё и тем, что попадает в организм не только при вдыхании паров, но и при соприкосновении с кожей. Она плохо выводится из организма и накапливается в нём. В быту мы имеем дело с ртутью в градусниках. Если градусник разбить, ртуть выльется наружу и будет испаряться, отравляя помещение. Поэтому ртуть от разбитого градусника нужно тщательно собрать, не касаясь её руками, и закопать в землю. В быту мы встречаемся с целым рядом ядов, вызывающих рак, повреждение генетического аппарата, болезнь сосудов, сердца, нарушения обмена веществ в организме. К ним относится дым, образующийся при курении. Он вреден не только для курильщиков, но и для людей, находящихся рядом с курящим и вдыхающих дым. Особенно это вредно для растущего организма детей. У отравленных табачным дымом детей замедляются развитие и рост. Лекарства также являются ядами, если их применять в больших количествах, чем указано в рецепте. Очень ядовиты вещества, предназначенные для борьбы с бытовыми насекомыми. Ядовиты алкоголь и наркотики. Ядовитыми свойствами обладают некоторые моющие средства, поэтому ими нужно пользоваться в соответствии с инструкцией. Моющие средства для стирки, чистки раковин, унитазов нельзя использовать для мытья посуды. Для этой цели есть специальные средства. Химические свойства веществ нужно знать каждому человеку, так как в быту применяются различные продукты химической промышленности, обладающие опасными свойствами. Знание этих свойств помогает избежать опасности и даёт возможность правильного использования различных веществ. Так, ядовитые вещества применяют для борьбы с вредителями и болезнями сельскохозяйственных культур. Взрывчатые вещества используются при строительстве дорог, тоннелей, плотин. Свойства веществ разделяют на физические и химические. К физическим относят свойства, не связанные с превращением одних веществ в другие. Например, цвет, температура кипения и плавления, плотность, при твёрдость, а также агрегатное состояние вещества определённых условиях — всё это физические свойства. 23 0 Химические свойства веществ — это их способность вступать в хими-| ческие реакции. Химические реакции осуществляются при действии на вещество теплоты, света, другого вещества. Например, химическим свойством кислорода является его способность вступать в реакции с горючими вещества ми, то есть поддерживать горение. 3. Медь представляет собой металл красного цвета с высокой электропроводностью. Температура плавления меди равна 1080 “С, плотность равна 8,92 г/см^. При нагревании на воздухе медь превращается в чёрный оксид меди. Порошок меди сгорает в нагретых парах серы с образованием сульфида. Какие свойства меди вы отнесёте к физическим, а какие — к химическим? По каким признакам вы отличили химические свойства от физических? Физические и химические свойства зависят от того, в каких условиях находится вещество. При высоких и низких температурах вещества ведут себя по-разному. Например, железо при обычных условиях находится в твёрдом состоянии, а при температуре выше 2870 °С — в газообразном. Учитывая зависимость свойств от условий, в которых находится вещество, договоримся о том, что будем рассматривать свойства для наших привычных условий. Если понадобится, будем указывать температуру и давление. Рис. 22. Самородная медь 2. 3. Вопросы и задания К какому виду материи относятся; а) радиоволны, которые преобразуются в наших приёмниках в звуки речи или музыки; б) минералы кварц, флюорит, мрамор; в) кислород, азот, углекислый газ, составляющие атмосферу; в) свет, исходящий от далёкой звезды? По каким признакам вы определили тот или иной вид материи? Из чего изготавливают гвозди? Пригоден ли для этой цели алюминий? Ответ обоснуйте. Свинец является одним из сильно ядовитых веществ. Из истории известно, что трубы римского водопровода были изготовлены из свинца. Римляне часто заболевали и даже умирали от неизвестной им болезни. Как можно объяснить причину болезни римлян с точки зрения наших знаний? 24 Свинец может содержаться в выхлопных газах автомобильного транс-^ та Что бы вы посоветовали тем людям, которые собирают ягоды, ибы, травы вдоль автомобильных трасс, вдоль городских улиц? 1^кие'две группы свойств можно выявить у веществ? Опишите свой-^ ства негашёной извести по следующему плану; агрегатное состояние, цвет, температура плавления, отношение к воде. Какие из свойств являются физическими, а какие — химическими? На основании каких свойств это вещество применяют в технике? В быту? 6 Какие правила следует соблюдать при работе с веществами в химической лаборатории? 7, Вам известны стихи А. С. Пушкина: ...Блестя на солнце, снег* лежит; Прозрачный лес один чернеет, И ель сквозь иней зеленеет, И речка подо льдом блестит... Сколько веществ упомянул Пушкин в этом четверостишии? Что вы можете ещё добавить к высказыванию об этом веществе? 8. Е. А. Баратынский в стихах описал весну: Весна, весна! Как высоко На крыльях ветерка, Ласкаясь к солнечным лучам. Летают облака! С какими веществами связаны ветер, облака? Опишите их. К какому виду материи вы отнесёте солнечный свет? Домашний эксперимент Опишите химические свойства железа. Используйте жизненные наблюдения и опыты. Положите на блюдце увлажнённый железный гвоздь и ведите наблюдения несколько дней, подливая в блюдце воды. В склянке растворите немного медного купороса. В раствор опустите другой гвоздь. В другую склянку налейте раствора лимонной кислоты и опустите третий гвоздь. Наблюдайте происходящие изменения. С какими веществами железо вступает в реакции? * Слова выделены автором учебника. 25 § 3. Строение вещества Каждое вещество обладает своим набором свойств. Возникает вопрос: от чего зависят свойства веществ? Можно предположить, что на свойства ' веществ оказывают влияние составные части и то, как они расположены, ■■ как соединяются друг с другом, то есть состав и строение веществ. I Из курса физики вы знаете, что вещества состоят из молекул. Термин ’ «молекула» происходит от латинского слова moles — «масса» (cula — уменьшительный суффикс). Какими бы маленькими молекулы ни были, они представляют собой сложные частицы, состоящие из атомов. Атомы и молекулы могут быть различными. Молекулы образуются двумя, тремя и большим числом атомов.'Есть молекулы, состоящие из нескольких тысяч атомов. Как маленькие, так и большие молекулы не видны невооружённым глазом. В науке существуют специальные методы, с помощью которых определяют состав и строение молекул. Но это не значит, что учёный может увидеть молекулу. Он получает от^молекулы определённые сигналы, по которым воссоздаёт строение молекулы и изображает её в виде модели. Простейшей моделью атома является шарик. Модель молекулы — совокупность разного вида и числа шариков-атомов. На рис. 23 представлены модели молекул различных веществ. А ^ ^ Модели атомов: углерода О кислорода ^ водорода серы иода Рис. 23. Модели молекул углекислого газа (а), воды (б), перекиси водорода (в), угарног газа (г), кислорода (д), метана (е), иода (ж), уксусной кислоты (з), серы (и) 26 Обратим внимание на состав и строение молекул воды (рис. 23, б) и перекиси водорода (рис. 23, в). Молекулы воды состоят из атомов двух видок. Из тех же атомов, что и вода, состоят молекулы перекиси водорода. Отличаются молекулы этих двух веществ друг от друга только одним атомом. Небольшое изменение в составе молекул определяет различие свойств веществ. На вид эти вещества неразличимы. Но они различаются между собой множеством других свойств. Сведения о некоторых свойствах этих двух веществ представлены в таблице 1. Таблица 1. Свойства воды и перекиси водорода Признак сравнения Вода Перекись водорода 1. Цвет без цвета без цвета 2. Агрегатное состояние жидкое жидкое 3. Температура кипения, °С 100 150 4. Плотность, г/см^ 1 1,45 5. Отношение к перманганату калия растворяет вступает в реакцию Как видно из таблицы, вода и перекись водорода отличаются друг от друга рядом физических свойств: температурой кипения, плотностью. Различны и химические свойства воды и перекиси водорода. Сопоставим, например, отношение этих веществ к перманганату калия. Внесём в стакан с водой и в стакан с раствором перекиси водорода по несколько кристалликов перманганата калия. Вода растворяет перманганат калия, а перекись водорода с ним вступает в реакцию (рис. 24). Признаками этой реакции являются образование бурого осадка и выделение пузырьков газа — кислорода. можно установить с помощью тлеющей лучинки. Различие свойств двух веществ объясняется различным составом н строением молекул: в молекуле Рис. 24. Сравнение отношения воды (а) и перекиси водорода (б) к перманганату калия 27 перекиси водорода на один атом больше, чем в молекуле воды. Можно сделать вывод, что состав и строение молекул каждого вещества является неизменным. Даже небольшое изменение в составе молекул (в нашем случае всего на один атом) ведёт к возникновению нового вещества. Иногда состав может быть одинаков, но строение, то есть порядок соединения атомов и их расположение, различно. И в этом случае также возникают разные вещества. Отсюда следует, что молекулы одного вещества одинаковы по составу и строению, а молекулы разных веществ различны. 1. Сравните модели молекул кислорода и угарного газа (рис. 23, г и д). Кислородом мы дышим, а в угарном газе задыхаемся. Объясните, почему эти вещества различны по свойствам. Теперь сопоставим свойства воды и алмаза. Воду рассмотрим в твёрдом состоянии — в виде льда. Лёд существует при температуре ниже О “С. Он прозрачен, как и алмаз. Но алмаз находится в твёрдом состоянии даже при высоких температурах. Его можно расплавить только в отсутствие воздуха при температуре свыше 3800 °С. Эти вещества различны по твёрдости, плотности и другим физическим свойствам. Отличаются они по химическим свойствам. Если воду нагреть, то она превратится в пар. Алмаз при нагревании загорается и вступает в реакцию с кислородом воздуха, превращаясь в углекислый газ. Вода с кислородом не вступает в реакцию, а только немного растворяет его. Таблица 2. Свойства льда и алмаза Признак сравнения Лёд Алмаз 1. Цвет без цвета без цвета 2. Температура плавления, "С 0 выше 3820 в вакууме 3. Плотность, г/см'* 0,917 3,5 4. Твёрдость МЯГКИЙ очень твёрдый 5. Отношение к кислороду слабо растворяет сгорает Из курса физики известно, что между молекулами действуют межмолекулярные силы, или связи. Эти связи слабы, и они разрушаются при затрате небольших количеств энергии. Этим объясняется лёгкое плавление и испарение веществ, состоящих из молекул. Так как связи между молекулами воды легко разрушаются, вода плавится и кипит при сравнительно низких температурах. Переходы из одного агрегатного состояния в другое показаны на модельной схеме (рис. 25). 28 V • • Ч./ • о* V- U V а • W о°с 100»С 2000 “С • W * *■ о* . о ^ V V Q О ' лёд жидкость пар разрозненные атомы Рис. 25. Модельная схема превращения воды -*. * * * # * молекулы кислорода и водорода Вода, состоящая из молекул, при обычных условиях находится в жидком состоянии, а при небольшом изменении температурных условий легко переходит в твёрдое или газообразное состояние. При небольшом нагревании связи между молекулами воды разрушаются, но сами молекулы при этом сохраняются. На разрушение связей между атомами внутри молекул требуется затратить гораздо больше энергии — очень сильно нагреть или разложить воду электрическим током. Можно сделать вывод, что прочность связей между атомами в молекуле превышает прочность связей между молекулами. В отличие от межмолекулярных, связи между атомами называются химическими связями. Свойства алмаза указывают на то, что атомы в нём связаны прочно. В его структуре нет слабых межмолекулярных сил, а значит, нет и молекул. Такие вещества относятся к немолекулярным, в отличие от тех, которые состоят из молекул и относятся к молекулярным. Немолекулярные вещества при обычных температурах находятся в твёрдом состоянии. Многие твёрдые вещества находятся в кристаллическом состоянии. Оно характеризуется упорядоченным расположением частиц в кристалле. Если частицы кристалла мысленно соединить линиями, то получится модель кристалла, называемая кристаллической решёткой. В местах пересечения мысленных а б линий, то есть в узлах кристалли- „ Чргь-г,т“ •• 26. кристалл поваренной соли и модели решетки, находятся атомы её кристаллического строения: а — шаровая, ли молекулы (рис. 26). б — шаростержневая 29 2. Поваренная соль при обычных условиях — твёрдое вещество, а хлор, которым обеззараживают питьевую воду, — газ. Температура плавления поваренной соли равна 801 “С, а хлора равна -101 °С. К каким структурным типам относятся эти вещества? Ответ обоснуйте. Кристаллы имеют определённую форму. Ещё М. В. Ломоносов выдвинул предположение, что форма кристаллов зависит от порядка расположения в нём частиц относительно друг друга. Но только в XX веке химики получили метод определения пространственного расположения атомов в молекулах и кристаллах, доказав правильность идеи Ломоносова. Доказана кристаллическая структура льда и алмаза (рис. 27). В узлах кристаллической решётки твёрдой воды (льда) располагаются молекулы. Каждая из них окружена четырьмя другими, находящимися в углах тетраэдра — равносторонней пирамиды (рис. 28). О" J' vj' “T “I Рис. 27. Кристаллические решётки: a — твёрдая вода (молекулярная решётка), б — алмаз (немолекулярная решётка). Сплошными линиями обозначены химические, а пунктиром — межмолекулярные связи Подобное же строение кристалла имеет алмаз. Но узлы кристаллической решётки алмаза заняты не молекулами, а атомами. Молекулы воды в кристаллической решётке соединяются межмолекулярными, а атомы в алмазе — химическими связями. Такое различие в строении и составе льда и алмаза определяет различие их свойств. 30 V w iJ Рис. 28. Структурные фрагменты кристаллических решёток воды (а) и алмаза (6) Таким образом, атомы могут связываться между собой, образуя два вида веществ: а) с молекулярной структурой, в которой можно выделить молекулы с ограниченным числом атомов; б) с немолекулярной структурой, в которой огромное множество атомов связано в единую кристаллическую структуру. Немолекулярная структура может бесконечно нарастать, присоединяя всё новые и новые атомы. От числа атомов в кристалле свойства вещества не зависят. Например, один из алмазов под именем «Быковский», найденный в Якутии, имеет массу чуть больше Зги содержит 1,5-10“ атомов. Он по прозрачности, твёрдости, преломлению света и другим свойствам не отличается от крупнейшего в мире алмаза «Куллинан», который весил 621,2 г и содержал почти в 200 раз больше атомов (310-10“), Для немолекулярных веществ характерны высокие температуры плавления и кипения. При обычных условиях они находятся в твёрдом состоянии, так как атомы в кристалле связаны прочными химическими связями. Прочные связи позволяют атомам в немолекулярной структуре совершать лишь колебательные движения. В молекулярных веществах молекулы, связанные слабыми межмолекулярными силами, получают возможность двигаться более свободно и при более низких температурах. Поэтому вещества с молекулярной структурой находятся чаще в жидком или газообразном состоянии. Если вещества состоят из более крупных молекул, то они твёрдые, но легко плавятся. Температуры плавления и кипения молекулярных веществ сравнительно низки. Учитывая различие в свойствах, молекулярные и немолекулярные вещества можно различать по внешним признакам. Вопросы и задания !• В какие частицы объединяются атомы? Какими силами атомы удерживаются в этих частицах? Какие опыты позволяют доказать проч- ность связей между атомами и между молекулами? Какие связи более прочны? 2. Может ли меняться состав молекул одного вещества? Как это доказать? В пробирку поместили порошок серы и стали нагревать. При нагревании сера расплавилась, затем появились оранжево-красные пары. 1 31 Какое строение имеет сера — молекулярное или немолекулярное? Ответ обоснуйте. 4. «Сухой лёд» — это замороженный углекислый газ, который приме- • няют как хладагент. Вы могли наблюдать, как возле лотка с мороженым кусочки «сухого льда» испаряются и исчезают без следа. Какое строение имеет это вещество? Какие частицы располагаются в узлах кристаллической решётки «сухого льда»? (В руки брать кусочки «сухого льда» нельзя — можно отморозить пальцы.) 5. В Италии есть пещера, в которой гибнут собаки, если они в неё забегают. Оказывается, пещера на высоту роста собаки наполнена углекислым газом, который и отравляет собак. Погибали бы собаки, если бы пещера была наполнена кислородом? Почему кислород и углекислый газ обладают столь различными свойствами? При ответе рассмотрите модели молекул этих веществ, изображённых на рис. 23, а и 23, д. 6. Какие вещества из перечисленных можно отнести к немолекулярным, а какие — к молекулярным: речной песок, лёд, железо, кислород? По каким признакам вы определили их тип строения? 7. В узлах кристаллической решётки иода находятся молекулы, а в узлах кристаллической решётки кварца — атомы. Какими свойствами различаются эти вещества? Ответ обоснуйте. 8. Какое строение имеют душистые вещества, содержащиеся в духах, мылах, шампунях? Домашний эксперимент 1. Молекула углекислого газа состоит из атомов двух видов. В центре молекулы находится атом одного вида, а к нему с противоположных сторон присоединены два атома другого вида. Слепите модель молекулы углекислого газа из пластилина. 2. Слепите из пластилина и спичек (или проволоки) модели кристаллических решёток меди и иода. В кристаллической решётке меди атомы располагаются в вершинах куба и в центре каждой грани. В кристаллической решётке иода молекулы иода (рис. 23 ж) расположены в вершинах и в центре граней параллелепипеда с соотношением сторон 1 : 1,5 : 2. 3. Какое строение имеет сахар? Докажите это на опыте. Насыпьте в стальную ложку немного сахарного песку и осторожно нагрейте. Легко ли плавится сахар? Сделайте вывод о строении его кристаллод. 32 § 4. Состав вещества. Химический элемент Рассматривая свойства некоторых веществ, мы убедились в том, что они зависят от строения вещества. Не в меньшей степени свойства опре-ляются составом вещества. Каков же состав веществ? Обратимся к опыту. При разложении воды электрическим током мы получили из неё два новых вещества: кислород и водород. Это значит, что вода имеет сложный состав. При пропускании электрического тока (или при очень сильном нагревании) молекулы воды разрушаются, а из освободившихся атомов возникают новые молекулы (рис. 25). Молекулы кислорода образуются из атомов одного вида, а молекулы водорода — из атомов другого вида. Можно утверждать, что вода состоит из двух видов атомов. Эти виды атомов именуются по названию веществ: кислородом и водородом. Кроме кислорода и водорода существует много других видов атомов. В настоящее время их известно более ста. Каждый вид атомов является составной частью того или иного вещества и называется химическим элементом. 0 Химический элемент — это составная часть вещества, представляющая собой вид атомов, которые характеризуются определёнными одинаковыми свойствами. Древнегреческие философы Левкипп и Демокрит — основоположники атомного учения — считали, что свойства веществ зависят от вида атомов, из которых они состоят, и от порядка, в котором атомы располагаются Рис. 29. Минералы, содержащие различные элементы: а — горный хрусталь (Si, О), ° малахит (Си), в — азурит (Си), г — бирюза (Си), д — пирит (Fe, S), е — родонит (Мп), ж — сапфир (А1, О, Ti), з — рубин (А1, О, Сг) 3«к. 6780 33 в пространстве. Атомы, как полагали древние, отличаются друг от друга! размерами, массой, формой. Одни имеют круглую форму, другие — куби-1 ческую, третьи — форму треугольной пирамиды и так далее. Основные положения атомной теории древних философов оказались истинными. I В настоящее время определены массы и размеры атомов. Но оказалось,' что атомы не имеют ни кубической, ни пирамидальной формы. Соединяясь в различных сочетаниях, атомы химических элементов образуют вещества, которые мы видим в лаборатории и природе (рис. 29). Так, кристаллы горного хрусталя образованы атомами двух химическиХ‘| элементов: кислорода и кремния (рис. 29, а). Золотистые кристаллы пирита содержат атомы химических элементов серы и железа (рис. 29, д). Химические элементы кальций, углерод и кислород являются составными частями мрамора. Окраска многих минералов зависит от содержаний, определённых химических элементов. Присутствие атомов меди окрашивает минералы в синие и зелёные тона: зелёный малахит, синий азурит, голубая бирюза (рис. 29, б, в, г). Химический элемент хром придаёт красный цвет рубину (рис. 29, з), марганец — розовую окраску родониту (рис. 29, е). Синий цвет сапфира вызван присутствием атомов железа и титана (рис. 29, ж). Названия многих химических элементов произошли от названий веществ или минералов, в которых они были обнаружены: в камне под названием кремень был открыт кремний, в минерале берилле — бериллий, в барите — барий, в магнезиальном камне — магний. Для удобства химики условились обозначать каждый элемент знаком. В качестве знаков приняты начальные буквы (одна или две) латинских названий элементов. Например, кислород имеет латинское название Oxygenium, и его знак — буква О. Знаком элемента углерода (Carboneum) служит буква С, элемента хлора (Chlorum) — Cl, азота (Nitrogenium) — N, натрия (Natrium) — Na и так далее (см. приложение). Знаки химических элементов служат основой химического языка. Все знаки химических элементов приведены в таблице Д. И. Менделеева (см. форзац*). В ней они располагаются в строгом порядке. В горизонтальных рядах, называемых периодами, они располагаются в определённой последовательности. Химические элементы, знаки которых расположены друг под другом, относятся к одной группе. Всего в таблице семь периодов и восемь групп. 1. Найдите в таблице элементов символ кислорода. В какой группе и в каком периоде находится этот элемент? * Форзац книги. наклеенный лист бумаги между сторонками переплёта и блоком 34 к Са 2.6ч2'б1 ,2,1, другие элементы 0.4 Рис. 30. Диаграмма содержания наиболее распространённых элементов в земной коре (в % от массы) клетке, которую занимает знак химического элемента, приведены ® о нём. С ними вы постепенно познакомитесь. ^^^Расположение знаков химических элементов в таблице не является йным. Оно отражает один из основных законов природы, открытый им русским учёным Д. И. Менделеевым. Этот закон называется одическим законом, а таблица носит название периодической систе-химических элементов Д. И. Менделеева. Постичь периодический закон и понять систему элементов вы сможете позднее, когда приобретёте достаточный запас знаний. Пока вы будете пользоваться таблицей как справочным материалом. Различные элементы в природе находятся в неодинаковых количествах. Самым распространённым химическим элементом Вселенной является водород. Полагают, что он составляет 78% от всей массы вещества Вселенной. Большую долю (примерно 21%) составляет другой элемент — гелий. На все остальные элементы приходится не более 1%. В земной коре наиболее часто встречается химический элемент кислород. К наиболее распространённым относятся кремний, алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний. Распространённость химических элементов в земной коре показана на диаграмме (рис. 30). В живых организмах в наибольшем количестве содержится кислород, водород, углерод, азот, фосфор, кальций, калий, сера, натрий. В меньших количествах содержатся многие другие элементы. 2. В теле человека содержится примерно 61% кислорода, 22% углерода, 10% водорода, 3% азота пт массы тела. Рассчитайте массу каждого из указанных элементов в Вашем теле. Итак, одной из важных задач ^имии является определение соста-вещества, то есть установление химических элементов, которые ®^одят в его состав. 3* Рис. 31. Автор учебника в нормальном виде и в виде, разделённом на элементы 35 Вопросы и задания 1. Что собой представляет химический элемент? Как доказать, что веще'] ство состоит из элементов? 2. Алхимики (так называли средневековых химиков) считали элемента-] ми железо, медь, соль, ртуть, огонь, золото, землю, воду, серу, олово. Какие элементы алхимиков являются действительно химическими элеч ментами? Ответ вы найдёте в периодической таблице. 3. В теле человека содержится всего 0,0043% железа, но его роль очень 1 велика. Атом железа располагается в центре молекулы гемоглобина крови. Поэтому если атомов железа в организме слишком мало, то гемоглобин не образуется, и организм погибает. Рассчитайте массу i железа в вашем теле. Какая русская пословица отражает роль железа^ в организме человека? Для сравнения: содержание золота в горных породах равно 0,0000005%. 4. В каких периодах и группах периодической системы находятся кремний, углерод, водород, азот, натрий, кальций, калий, фосфор? 5. Перечислите, какие химические элементы входят в первый и второй периоды? Какие элементы составляют четвёртую группу периодической системы элементов? 6. Как обозначают элементы магний (Magnesium), марганец (Manganum), калий (Kalium), кальций (Calcium), фтор (Fluorum), железо (Ferrum), натрий (Natrium), азот (Nitrogenium)? Ответ найдёте в периодической системе элементов. § 5. Относительная атомная масса химического элемента Известно, что плотности разных веществ различны. Например, плотность магния равна 1,74 г/см^, а свинца — 11,3 г/см^. Это значит, что кубик магния объёмом 1 см^ имеет массу 1,74 г; свинцовый кубик такого же объёма имеет массу 11,3 г, то есть в 6,5 раза больше массы магниевого кубика (рис. 32). Как объяснить этот факт? Можно сделать следующие предположения. 1. В разных кубиках содержится разное число атомов магния и свинца, а массы их равны. В таком случае кубик магния содержит атомов в 6,5 раза меньше, чем кубик свинца. Поэтому кубик магния имеет меньшую массу. 2. Кубики из магния и свинца содержат одинаковое число атомов. Тогда различие масс кубиков можно объяснить различием масс атомов 36 jjarHHH и свинца. Масса атома магния в этом случае должна быть в 6,5 раза меньше массы атома свинца. 3. В магниевом и свинцовом кубиках содержится разное число атомов, массы которых неодинаковы. Атомы какого элемента имеют большую массу? Установлено, что в 1 см^ магния содержится 4 3110^^ атомов, а такой же объём свинца содержит 3,28-10^^ атомов. Как видим, в противоположность нашим предположениям магниевый кубик содержит в 1,31 раза больше атомов, чем свинцовый. Тогда различие в массах кубиков можно объяснить тем, что масса каждого атома свинца больше массы каждого атома магния. Это несложно подтвердить расчётом. 1. По данным, приведенным в тексте, рассчитайте массы атомов свинца и магния. Во сколько раз масса атомов свинца больше массы атома магния? Рис. 32. Кубик из свинца имеет большую массу, чем такой же кубик из магния Хорошо известно, что атомы — это мельчайшие частицы и их массы очень малы. На самых чувствительных весах можно взвесить массу не менее 0,0000001 г. Такой крохотный кусочек свинца содержит огромное множество атомов (4,8-10'®). Можно представить, сколь мала масса одного атома. И определить её непросто. Проще определить, во сколько раз масса атома одного элемента больше или меньше массы атома другого, то есть определить массу атома одного элемента относительно массы атома другого. Для этого необходимо выбрать эталон, то есть единицу сравнения масс атомов всех элементов. Относительно этой единицы можно измерять атомные массы. Впервые эту задачу в 1803—1804 гг. выполнил английский учёный Джон Дальтон. Он предложил массу легчайшего из атомов — атома водорода — принять за единицу атомной массы. 2. С помощью химического анализа Гей-Люссак установил, что в воде 12,06 г водорода приходится 87,4 г кислорода. Какой вывод об относи-■'^льной массе атомов кислорода вы сделали бы из полученных данных? Анализируя состав различных веществ, а также используя результа-’’bi. полученные другими учёными, Дальтон определил массы элементов в резных веществах и вычислил атомные массы элементов относительно сы атома водорода. Он составил таблицу атомных масс известных в то 37 время элементов. Однако дальтоновские атомные массы сильно отличают^ ся от современных. Дело в том, что состав веществ не сразу был раскрыт хрмиками. Так, зная, что вода состоит из водорода и кислорода, Дальто^ полагал, что в молекуле воды содержится по одному атому этих элемеа- * тов. Отсюда атомная масса кислорода относительно атомной массы водорода примерно равна 7. Конечно, это была неправильная величина. Но уро-вень химических знаний и измерительной техники не позволял найта более точные величины. И всё же атомные массы Дальтона были как бы трамплином для дальнейших исследований. Шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус в 1814 году предложил новые величины атомных масс, взяв за эталон атомную массу кислорода, которая была принята за 100. Это связано с тем, что в то время кислородсодержащих веществ было известно больше, чем веществ, содержащий водород. Позднее за единицу атомной массы взяли 1/16 часть атома кислорода. Однако с развитием техники измерений выяснилось, что не все атомы химического элемента одинаковы по массе. Например, атомы более лёгкого кислорода отличаются по массе от атомов другой разновидности этого же элемента на 6,25%, а от третьей — более тяжёлой — уже на 12,5%. Почти каждый химический элемент состоит из разновидностей атомов, отличающихся по массе. Поэтому понадобилось уточнить, какую именно из разновидностей атомов химического элемента нужно брать за эталон. Всё это привело к тому, что в наше время принята единица атомной массы, равная 1/12 части массы более лёгкого атома углерода (рис. 33). Более лёгкая разновидность углерода распространена в природе гораздо больше и составляет 98,89% от всех атомов углерода. Масса атомов этой разновидности на 7,69% меньше массы атомов более тяжёлой разновидности. Выбранный эталон массы атомов называют атомной единицей массы (а.е.м.), а иногда — углеродной единицей. Относительно этой единицы атомная масса более лёгкого углерода равна 12. 3. Какова атомная масса более тяжёлого углерода (округлённо), учитывая разницу в процентах, приведённую в тексте выше? Атомную массу элемента называют относительной, тем самым подчёркивая, что она измерена относительно атомной единицы массы, то есть 1/12 части массы атома углерода. Её обозначают А^. Буква А обозна- Рис. 33. Модель единицы атомной массы — 1/12 часть массы атома углерода 38 geT слово «атомная». Буква г, выне-'*енная в индекс, является первой буквой латинского слова relativus, что начает «относительный». Например, = 15,9994, АДН) = 1,00794. (Поскольку атомную массу элементов измеряют в основном в атомных единицах массы, то слово «относительная» можно опускать.) Относительная атомная масса является усреднённой величиной для всех разновидностей атомов данного химического элемента. Например, элемент хлор состоит на 25% из атомов с атомной массой, равной 37, и на 75% из атомов с атомной массой, равной 35. Атомной массой элемента принято считать усреднённую массу разновидностей атомов с учётом их процентного содержания в природе. Так, атомная масса хлора равна 35,453. При химических расчётах часто используют округлённые значения атомных масс. Так, для водорода АДН) = 1, для кислорода АДО) = 16, для хлора АДС1) = 35,5. Точные значения атомных масс приведены в периодической таблице элементов. Они указаны под знаком химического элемента. Рис. 34. Модель измерения относительной атомной массы атома лития в атомных единицах массы Вопросы и задания 1. Почему атомную массу химического элемента называют относительной? 2. Известно, что 1 л водорода содержит столько же атомов, что и 1 л кислорода при одинаковых температуре и давлении. Плотность водорода равна 0,0899 г/л, а кислорода — 1,4290 г/л. Рассчитайте, во сколько раз атомная масса водорода меньше атомной массы кислорода. Проверьте ваш ответ по периодической системе элементов. 3- Сравните относительные атомные массы алюминия и олова. Объясни те, почему плотность олова (7,3 г/см®) превышает плотность алюминия (2,7 г/см®). 4. Взяв данные из периодической системы элементов, сравните атомные массы водорода, цинка, азота, хлора, кремния. Запишите знаки этих ^ элементов в порядке возрастания атомных масс. • Атом углерода имеет массу 1,992-10'®® г. Какая масса соответствует одной атомной единице? Воспользовавшись вашими расчётами, вычислите в граммах массу атома азота (14), серы (32), менделевия (258). 39 6. в 1 см^ серебра содержится 5,85-10^^ атомов. Рассчитайте плотност серебра (массу серебра в объёме 1 см'*). При расчёте воспользуйте данными задания 5. 7. Плотность меди равна 8,92 г/см'*, а плотность золота — 19,32 г/см®3 Сколько атомов содержат 1 см'* меди и 1 см'* золота? Для ответа на этот вопрос рассчитайте массу атома меди и массу атома золота в грамма воспользовавшись данными задания 5. Объясните, почему число атб2 мов меди и золота в одинаковых объёмах разное? § 6. Простые вещества Опыт по разложению воды показывает, что в её состав входят атом^ двух химических элементов. Образовавшиеся кислород и водород далы нейшему разложению не подвергаются. Молекулы кислорода и водородм могут быть разложены лишь на отдельные атомы. Это доказывает, что в] их состав входит только по одному химическому элементу. 0 Вещества, состоящие из атомов] д о ^ о о Ч) Рис. 35. Схема образования молекул хлора из разрозненных атомов одного химического элемента, ot-j носят к простым. Простое вещество есть форма cy-J ществования химического элемента! в чистом виде. Например, разрозненные атомы хлора объединяются с помощью химических связей bJ двухатомные молекулы (рис. 35). Из таких молекул состоит простое ве-j щество хлор — жёлто-зелёный газ, который имеет то же название. Другое простое вещество — алюминий — образуется путём объединен ния атомов алюминия в немолекулярные кристаллы (рис. 36), которые и] составляют простое вещество алюминий. Это серебристо-белый металл] с достаточно высокой температурой плавления (660 °С), хорошо проводящий электрический ток и теп-| лоту. Образцы простых веществ пока-' заны на рисунке 37. Простые вещества можно разделить по свойствам на металлы и неметаллы. Сера, хлор, алмаз и многие другие являются представителями неметаллов. К металлам относятся железо, медь, алюминий. Рис. 36. Схема образования кристаллов алюминия из разрозненных атомов 40 цинк, магнии и многие другие простые вещества. Известно свыше 80 различных металлов. Все металлы имеют немолекулярное строение, а потому у них много общих свойств. Все они хорошо проводят электрический ток, теплоту, обладают пластичностью, то есть легко куются, расплющиваются в пластины, вытягиваются в проволоку. Большинство металлов обладают серым, серебристо-белым цветом. Исключение составляют медь (красного цвета) и золото (жёлтого цвета). Золото1 Аи S Си Простые вещества С А1 Алюминий Фосфор г рафит 'у Рис. 37. Простые вещества 1. Назовите известные вам металлы. Соответствуют ли их свойства перечисленным выше? Неметаллы по свойствам во многом противоположны металлам. Большинство из них плохо проводят теплоту, не проводят электрический ток, обладают хрупкостью, они окрашены в разнообразные цвета. 2. Опишите известные вам свойства серы. Соответствуют ли они описанным свойствам неметаллов? Многие неметаллы находятся при комнатной температуре в газообразном, жидком или твёрдом (с низкой температурой плавления) состоянии, так как большинство из них обладают молекулярной структурой. Например, кислород, хлор и многие другие при обычных условиях — газы, бром — жидкость, сера — твёрдое легкоплавкое вещество. Среди неметаллов встречаются также немолекулярные вещества. К ним относятся алмаз, кремний и некоторые другие. Немолекулярные неметаллы характеризуются высокими температурами плавления и высокой твёрдостью. Структуры некоторых простых веществ представлены на рис. 38. Металлы образуются элементами, стоящими в начале или в первой половине периодов. Элементы, располагающиеся в конце периодов, образуют простые вещества с неметаллическими свойствами. 3. Элементы конца второго периода (азот, кислород, фтор) образуют Молекулы, состоящие из двух атомов. Нарисуйте модели этих молекул (атомы разных элементов обозначьте различными цветами). Являются ли эти вещества металлами или неметаллами? 41 Граница между элементами, которые образуют металлы, и теми, которые образуют неметаллы, проходит примерно по диагонали периодической системы. В начале периода находятся элементы-металлы, а в конце — ъ л ъ Рис. 38. Структуры простых веществ: а — серы, б — твёрдого хлора (ниже -101 °С), в — твёрдого кислорода (ниже -219 °С), г — железа, д — меди элементы-неметаллы. Во втором периоде металлы образованы элементами литием и бериллием; в третьем — натрием, магнием, алюминием. Число элементов-неметаллов убывает с каждым периодом. Во втором периоде это бор, углерод, азот, кислород, фтор, неон; в третьем — кремний, фосфор, сера, хлор, аргон. Граница между элементами-металлами и элементами-неметаллами носит условный характер. Ряд простых веществ сочетают как металлические, так и неметаллические свойства. Так, германий обладает блеском, подобно металлам, но хрупок, как неметалл, плохо проводит электрический ток, а при нагревании становится электропроводным. Германий относят к неметаллам, но по внешнему виду он похож на металл. 4. Определите по свойствам, к какой группе простых веществ относятся следующие вещества: а) никель — серебристо-белый, температура плавления равна 1453 “С, ковкий, хорошо проводит электрический ток; б) селен — серебристо-серый, хрупкий, температура плавления равна 42 Рис. 39. Модель молекулы водорода 221 °С, слабо проводит электрический ток; в) бром — бурый, жидкий, электрический ток не проводит, при нагревании испаряется. Вы уже знаете, что химический элемент обозначают с помощью знаков (символов). А как обозначить простое вещество? Если химический элемент можно представить как простую сумму одинаковых атомов, то простое вещество имеет определённый состав, который представляет собой не просто сумму атомов, а атомы, взаимосвязанные между собой в единое целое: в молекулу либо в кристалл. Состав простых веществ обозначают с помощью знаков соответствующих элементов. Для обозначения состава молекулярного простого вещества необходимо записать знак химического элемента, а с помощью индекса указать число атомов в молекуле. Индекс — число, которое указывает, сколько атомов элемента входит в состав молекулы. Слово «индекс» (index) в переводе с латинского означает «указатель». Его записывают внизу справа от знака химического элемента. Например, в молекулу водорода (рис. 39) входят два атома и её состав записывают с помощью символа элемента с индексом 2: Н^. Индекс 2 указывает на число атомов в молекуле водорода. 0 Запись состава вещества с помощью знаков химических элементов называют химической формулой. 5. Напишите формулы простых веществ — серы, кислорода, хлора — по моделям, изображённым на рис. 38. Немолекулярные простые вещества состоят из огромного множества атомов. Число атомов в кристалле может меняться. Как мы ранее убедились, это не влияет на свойства немолекулярных веществ: большой и маленький кристаллы одного вещества обладают одинаковыми свойствами. Поэтому нет смысла указывать число атомов при написании формулы немолекулярного простого вещества. Для немолекулярных простых веществ, в отличие от молекулярных, химическая формула по написанию совпадает со знаком химического элемента. Например, формулу алмаза записывают С, алюминия — А1. 6. Запишите формулы немолекулярных простых веществ, структуры которых изображены на рис. 38. 43 Химические формулы помогают передать информацию о составе веществ. Они являются частью химического языка. Другой составной час-1 тью химического языка являются названия веществ. Название простых i веществ даётся по наименованию химического элемента. Но бывают исключения. Например, элемент углерод образует несколько простых ^ веществ; алмаз, графит и другие. Вопросы и задания j 1. 2. 3. 4. 5. Какие вещества относятся к простым? На какие два класса делятся простые вещества? Опишите характерные свойства металлов. Какими характерными свойствами обладают неметаллы? Приведите примеры известных вам металлов и неметаллов. Составьте химические формулы молекулярных простых веществ, модели которых изображены на рис. 40. Определите по формулам, какие из простых веществ имеют молекулярное, а какие — немолекулярное строение: кремний Si, фтор Fg, сера Sg, свинец РЬ. Перечислите, какие элементы третьего периода образуют металлы, а какие — неметаллы. Напишите формулы простых веществ, образованных элементами третьего периода. Учтите, что четыре первых элемента образуют немолекулярные вещества; состав молекул фосфора, серы, хлора вы узнаете из текста параграфа и заданий; аргон существует в виде разрозненных атомов. Рис. 40. Модели молекул азота (а), фосфора (б), брома (в) § 7. Сложные вещества J в отличие от простых, множество веществ имеет более сложный состав. Вода, как мы убедились, состоит из атомов двух химических элементов, гашёная известь — из трёх, питьевая сода — из четырёх и так далее. Вещества, состоящие из атомов различных химических элементов, относят к сложным. Сложные вещества — это другая форма существования химических элементов. В сложных веществах объединяются атомы различных элементов. Например, атомы кремния и кислорода объединяются в кристаллы кварца (рис. 41). 44 о j J J Рис. 41. Схема образования кристалла оксида кремния из разрозненных атомов Простые и сложные вещества невозможно отличить по внешним признакам (рис. 37, 42). В истории химии известны длительные периоды времени, когда химики прини-1У1али сложные вещества за простые, а простые — за сложные. Так, долго считали, что вода — простое вещество. Доказать, является ли вещество сложным или простым, можно на опыте, подобно опыту разложения воды с помощью электричества. Определение состава сложного вещества путём разложения называется анализом (от латинского слова analysis — «разложение»). Разлагая воду, мы доказали, что она состоит из двух элементов — кислорода и водорода. А как возникают сложные вещества? Очевидно, из простых. Если определить, из каких простых веществ образовалось сложное, то можно судить о его составе. Образование сложного вещества из простых называют синтезом (от греческого слова synthesis, означающего «соединение»). Проделаем опыт для доказательства сложного состава оксида магния. В колбу, наполненную кислородом, внесём подожжённый магний (рис. 43). Магний сгорает ослепительно белым пламенем. Образуется новое вещество — порошок белого цвета. После сгорания магния опустим в колбу тлеющую лучинку. Она не загорается. Следовательно, кислорода в колбе нет. Он соединился с магнием. Значит, в состав образовавшегося оксида магния входят два химических элемента — магний и кислород. 1. Смешали жёлтый порошок серы и серый порошок железа. Смесь нагрели. После окончания реакции в пробирке обнаружилось твёрдое тёмное вещество. Какое это вещество — простое или сложное? Каков его элементный состав? В истории химии сложный состав воды был доказан с помощью как анализа, так и синтеза. Сначала Генри Кавендиш, английский учёный. Рис. 42. Сложные вещества 45 в 1781 году установил, что из водорода и кисло-j рода образуется вода. Затем в 1783 году фраво цузский учёный Антуан Лавуазье определил! состав воды путём её разложения. Сложные вещества, как и простые, имеют! как молекулярное, так и немолекулярное строе-] ние. Их структуры показаны на рис. 44. Молекулярные сложные вещества при обычЛ ных условиях — газы, жидкости либо легко-j плавкие вещества. Немолекулярные сложные] вещества обладают высокими температурами] f- , плавления и кипения и при обычных условиях] • представляют собой твёрдые вещества. Так, уг- V лекислый газ и кварц, кристаллические струкЛ туры которых представлены на рис. 44, имеют! характерное отличие в свойствах. Углекислый] газ в обычных условиях находится в газообраз’ ном состоянии. Он превращается в твёрдую снеЛ гоподобную массу при температуре -78,5 “С *: Кварц — твёрдое вещество с температурой плав^ ления 1680 °С. Формулы сложных веществ составляют по! тем же правилам, что и формулы простых. Для молекулярных веществ указывают знаки элементов, входящих в состав данного вещества, а индекссА ми указывают число атомов в молекуле. Например, состав воды можно] Рис. 43. Горение магния в кислороде Рис. 44. Структуры сложных веществ: а — вода (лёд), б — твёрдый углекислый газ («сухой] лёд»), в — карбонат кальция, г — кварц * Переход вещества из твёрдого состояния в газообразное, минуя жидкое, назЫ' вают сублимацией. Обратный процесс перехода из газообразного в твёрдое носит] название десублимации. 46 азить химической формулой Н^О. Таким образом, химическая формула ^ олекулярного сложного вещества показывает состав его молекулы. 2 Составьте химическую формулу перекиси водорода, руководствуясь моделью молекулы, изображённой на рис. 23, в. формулы немолекулярных веществ отражают соотношение атомов химических элементов, входящих в состав вещества. Например, в кристалле карбоната кальция (см. рис. 44, в) на каждый атом кальция приходится один атом углерода и три атома кислорода. Химическая формула этого вещества — СаСОд. ^ Объясните, что обозначают формулы карбида алюминия Al^Cj, оксида железа Fe^Og. Соотношение атомов в немолекулярном сложном веществе можно определить по строению кристаллической решётки. На рис. 45, а можно видеть, что в кристалле кварца каждый атом кремния связан с четырьмя атомами кислорода, а каждый атом кислорода связан с двумя атомами кремния. Значит, в кристалле кварца атомов кремния в два раза меньше, чем атомов кислорода, то есть на один атом кремния приходится два атома кислорода. Это соотношение отражается формулой SiO^. Таким образом, индексы в формулах немолекулярных веществ указывают на соотношение числа атомов элементов в его составе. В химической формуле бинарного соединения, то есть вещества, состоящего из атомов двух элементов, на первом месте записывают знак элемента-металла, а на втором — элемента-неметалла. Если вещество образовано двумя элементами-неметаллами, то их записывают в порядке, какой соблюдается в периодической системе: на первом месте элемент, стоящий левее в периоде или ниже в группе. **ис. - Si - о 45. Фрагменты структур оксида кремния (а) и хлорида алюминия (б) 47 4. Рассмотрите фрагмент структуры хлорида алюминия (рис. 45, б). Определите соотношение атомов алюминия и хлора и составьте химиче^ скую формулу этого вещества. Знак какого элемента запишете на первом месте, а какого — на втором? В состав сложных химических веществ входят два или несколько элементов. Их названия состоят обычно из двух слов. Пока мы познакомимся с названиями бинарных соединений. Названия составляют с указанием сначала элемента, знак которого записан в формуле на втором месте, а затем элемента, знак которого находится на первом месте. То есть читают формулу справа налево. Второй элемент называют латинским наименованием с прибавлением суффикса -ид. Первый элемент называют по-русски в родительном падеже. Например, AICI3 — хлорид алюминия, FeS — сульфид железа, SOg — оксид серы, Ca^Ng — нитрид кальция. Многие привычные для нас вещества имеют научные названия, составленные по указанным правилам. Так, аммиак HgN носит название нитрид водорода, перекись водорода HgOg — пероксид водорода, поваренная соль NaCl — хлорид натрия. Вопросы и задания 1. Какие вещества относятся к простым, а какие — к сложным? Какими способами можно определить состав сложных веществ? 2. Какие свойства присущи молекулярным и немолекулярным сложным веществам? Опишите свойства сахара и кварца. Какое из них относится к молекулярным веществам, какое — к немолекулярным? \3. Кварц содержит в своём составе два элемента — кремний и кислород. Из каких простых веществ можно получить кварц? Какими двумя способами можно доказать, что в состав кварца входят кислород и кремний? 4. Минерал флюорит состоит из двух элементов — кальция и фтора. \ Температура его плавления равна 1400 °С. Какую структуру имеет это вещество — молекулярную или немолекулярную? К какому классу (простых или сложных) веществ относится флюорит? Составьте формулу этого вещества, если на 1 атом кальция приходятся 2 атома фтора. Дайте флюориту химическое название. 5. В каких фразах идёт речь о простых, а в каких — о сложных веществах; а) молекула серы состоит из восьми атомов серы; б) метан разлагается на углерод и водород; в) кристалл графита состоит из атомов углерода; г) сероводород может быть получен из водорода и серы; д) магнезию можно получить из магния и кислорода; е) в узлах кристаллической решётки меди находятся атомы меди? 48 I ! 6 Несколько веществ — уголь, соду, магнии, порошок малахита — нагрели по отдельности. При этом сода и малахит разложились на новые вещества, а уголь и магний соединились с кислородом. Какой вывод о составе исследованных веществ можно сделать из наблюдений? 7 Что выражают химические формулы сложных веществ молекулярного и немолекулярного строения? Что обозначают в химических формулах индексы? Составьте формулы сложных веществ, модели молекул которых представлены на рис. 23. 8. Каково соотношение атомов химических элементов в составе немолекулярных сложных веществ: оксида меди Си^О, сульфата калия K^SO,, карбоната натрия (соды) NagCOg? 9. Составьте названия следующих сложных веществ по их формулам: FeS, ZnO, ZnS, АШГд, SiCl^, Cr^Sg, CuCl^, KgN, H^O. 10. Укажите, какие элементы входят в состав нитрида кальция, сульфида цинка, иодида кальция, хлорида натрия, оксида фосфора, хлорида золота, силицида магния. 11. Составьте химические формулы веществ по известному соотношению атомов: оксида железа (на два атома Fe — три атома О), сульфида углерода (на один атом С — два атома S), хлорида олова (на один атом Sn — четыре атома С1), оксида азота (на два атома N — пять атомов О). 12. Среди приведённых ниже формул есть формулы простых и сложных веществ: MgO, ЩО.^, W, Р^, CuCl^, Са, FeClg, Н^, SO^, Sg. Выпишите формулы простых веществ. Какие из них имеют молекулярное, какие — немолекулярное строение? Выпишите формулы сложных веществ. Дайте названия простым и сложным веществам. i 5 Домашний эксперимент 1. Слепите из пластилина модели молекул сложных веществ по их химическим формулам: сероводорода HjS (по форме его молекула похожа на молекулу воды), фторида водорода HF, оксида азота N0. 2. Докажите экспериментальным путём, что питьевая сода является сложным веществом. Насыпьте соду в стальную ложку и нагрейте на огне. Что наблюдаете? Почему кристаллики соды движутся, подпрыгивают? Подержите над нагревающейся содой холодный предмет (стакан или металлическую пластинку). Обратите внимание на поверхность этого предмета. Исходное вещество и получившееся после прокаливания по внешнему виду не отличаются друг от друга. Поэтому проведите дополнительное исследование. Зак. 6780 49 в одном стакане растворите питьевую соду, в другом — то, что получилось после прокаливания. В оба стакана бросьте по половине таблетки слабительного лекарства — фенолфталеина. Что наблюдаете? Отличается ли полученное после прокаливания вещество от исходной питьевой соды? Можно ли питьевую соду считать сложным веществом? Какие доказательства вы получили в результате опыта? § 8. Количество вещества. Моль Из курса физики вы знаете, как важно при наблюдениях и изучении явлений производить измерения физических величин. Д. И. Менделеев говорил: «Наука начинается, когда начинают измерять». При изучении физических явлений требуется измерять массу, объём, длину, температуру физических тел и другие физические величины. При изучении веществ и его свойств большое значение имеет измерение физической величины, которая называется количеством вещества. 0 Количество вещества учитывает число частиц (атомов, молекул и других), входящих в данную порцию вещества. Каждая физическая величина имеет единицу измерения. Для количества вещества единицей измерения является моль. Один моль — это количество вещества, в котором содержится 6-10^^ структурных элементов (атомов, молекул, групп атомов).* Число б-10^® носит название постоянной Авогадро. Оно названо в честь итальянского учёного Амедео Авогадро, много сделавшего для становления атомно-молекулярной теории. Размерность этой постоянной — 1/моль. Она означает число отсчитанных единиц (частиц) в одном моле вещества. Постоянная Авогадро обозначается и более точно равна = 6,02-10^^ 1/моль В дальнейшем мы будем пользоваться округлённым значением постоянной Авогадро 6-10^® 1/моль. Постоянная Авогадро представляет собой очень большое число. Его прочитать трудно, а представить ещё труднее. Поэтому прибегнем к сравнению. * «Моль» сокращению не подлежит, как названия других единиц (километр км, грамм — гит. д.). В сочетании с числительным «моль» следует писать без изменения окончания: 1 моль, 2 моль, 0,5 моль и т. д. В речи слово «моль» следует склонять: два моля, трёх молей и т. д. 50 Известно, что запас воды в Ми-оовом океане составляет Х.ЗТ-Ю^' л. ^ли бы мы попытались измерить всю воду Мирового океана стакана-„и, то получили бы примерно б 8‘10^' стаканов. Это число очень велико, но оно составляет всего одну сотую долю числа Авогадро. То есть 6-10“ стаканов воды набралось бы на ста планетах, подобных Земле. Вычисления показывают, что в столовой ложке воды помещается около 6-10^^ молекул. То есть столовая ложка содержит примерно 1 моль воды. Если в стакан налить 3 столовые ложки воды, то эта порция составит 3 моль. В ней содержится около 18-10^^ молекул, то есть в три раза больше, чем в порции воды количеством вещества 1 моль. 1. Какое количество вещества содержится в порции воды, содержащей 6-10^'' молекул? Ваши вычисления показали, что данная порция содержит 10 моль воды. Этот результат вы вычислили, поделив число частиц в данной порции вещества (А) на число частиц в 1 моль вещества, то есть на постоянную Авогадро (NJ. Рис. 46. Куча песка, засыпавшая большой завод, содержит песчинок примерно в 22 000 раз меньше числа 6-10” п = N где п ства. — количество вещества, N — число частиц в данной порции веще- Задача 1. В 1 см® цинка находится 6,5'10®® атомов. Какое количество цинка* заключено в указанном объёме? Для решения задачи воспользуемся вышеприведённой формулой. n(Zn) = N(Zn) N. 6,5 10®' 6 10 1/моль = 0,11 моль Мы рассчитали, что в 1 см® цинка содержится примерно 0,11 моль этого вещества. * В дальнейшем мы будем в выражении «количество вещества» слово «вещества» заменять названием вещества, например; «количество цинка». 4* 51 2. Тело подростка массой 55 кг содержит примерно 5-10^® атомов углерода. Какое количество элемента углерода содержится в теле подростка? • Из выведенной нами формулы следует, что по известному количеству вещества можно найти число частиц в данной порции вещества. Задача 2. Известно, что в стандартном кусочке рафинированного сахара содержится 0,015 моль сахарозы (таково химическое название сахара). Сколько молекул сахарозы содержится в кусочке рафинада? Для определения числа молекул преобразуем вышеприведённую формулу. = 0,015 моль • б-Ю^® 1/моль = Э-Ю^» Расчёт показывает, что в одном кусочке рафинированного сахара содержится 9-10^^ молекул. 3. В 1 м^ воздуха содержится 8,73 моль кислорода и 32,54 моль азота. Сколько молекул того и другого газа содержится 1 м® воздуха? Во сколько раз молекул азота в воздухе больше, чем молекул кислорода? ■J Рис. 47. На фрагментах структур оксида кремния (а) и хлорида алюминия (б) цветом выделены группы атомов, по составу соответствующих химическим формулам Для определения количества молекулярного вещества учитывают число молекул, а немолекулярного вещества — число атомов или групп атомов. Например, в 1 моль кислорода содержится 6-10^® молекул 0^, в 1 моль железа — 6-10®® атомов Fe, в 1 моль оксида кремния — 6-10®® групп атомов, соответствующих формуле SiOg (рис. 47). Вопросы и задания 1 1. 2. 3. 5. Что собой представляет физическая величина «количество вещества»? Сколько атомов содержит 2 моль железа? 0,3 моль меди? В стакане сахарного песку содержится около 3-10®® молекул сахарозы. Какое количество вещества содержится в стакане сахарного песку? В 5 л азота, измеренного при обычных условиях (20 °С и давлении 101,3 кПа), содержится 0,208 моль этого вещества. Рассчитайте, сколько молекул азота содержится в 5 л этого газа. Какой объём займёт 1 моль азота при указанных условиях? В солонку насыпали три столовые ложки поваренной соли (хлорида натрия NaCl) (рис. 48). В каждой ложке содержится примерно 3,1’10®® 52 групп атомов, соответствующих формуле. Какое количество немолекулярного вещества хлорида натрия содержится в солонке? 0 При спокойном дыхании за один вдох в лёгкие подростка поступает примерно 300 мл воздуха, в котором содержится 0,0026 моль кислорода. Из этого количества кислорода 22% поглощается лёгкими, остальное выдыхается. Сколько молекул кислорода поглощают лёгкие подростка за один вдох? Сколько молекул кислорода он выдыхает? Рис. 48. Поваренная соль на нашем столе всегда присутствует Домашний эксперимент Измерьте, сколько столовых ложек воды находится в гранёном стакане. Какое количество воды помещается в стакане? Сколько примерно молекул содержится в стакане воды? § 9. Относительная молекулярная масса. Молярная масса б д S 9н Молекулы разных веществ имеют различный состав. Поскольку они состоят из разных атомов, то массы молекул разных веществ также различны. Сравним молекулы воды и сероводорода (рис. 49). На первый взгляд эти молекулы одинаковы: они имеют одинаковое строение, в их состав входят по два атома водорода. Но молекула сероводорода содержит атом серы, а молекула воды — атом кислорода. 1. Как вы думаете, какая из молекул имеет большую массу? Учитывая атомные массы кислорода и серы, можно с уверенностью сказать, что масса молекулы сероводорода больше массы молекулы воды. 2. Как можно доказать это предположение математически? Рис. 49. Модели молекул воды (а) и сероводорода (б) Зная относительные атомные массы водорода, кислорода и серы, мож- вычислить молекулярные массы данных веществ. Для этого суммируем атомные массы элементов. 53 МДН^О) = АДО) + АДН) + АДН) = АДО) + 2АДН) = 16 + 2 • 1 = 18 В результате мы получили массу молекулы воды в атомных единицах: массы, или относительную молекулярную массу. 3. По модели молекулы сероводорода составьте его химическую формулу и определите относительную молекулярную массу. Масса молекулы воды в граммах округлённо равна 3-10'^^ г. Это очень маленькая масса, которую нельзя взвесить на обычных весах, нельзя ощутить. Но можно измерить массу не одной молекулы, а множества. Например, мы можем узнать, какую массу имеют молекулы в одном моле вещества. = 6-10^^ 1/моль • 3-10'^® г = 18 г/моль 0 Суммарная масса всех частиц, содержащихся в 1 моль вещества, составляет молярную массу. Её размерность г/моль обозначается буквой М. Размерность означает, какую массу имеет вещество количеством 1 моль; 1 моль Н^О имеет массу 18 г. Вы заметили, что относительная молекулярная и молярная массы численно совпадают? Это даёт возможность находить молярную массу через молекулярную, не делая каждый раз громоздких расчетов. Так, молярная масса простого вещества алюминия численно равна его атомной массе (27), то есть М(А1) = 27 г/моль. 4. Определите молекулярную и молярную массы углекислого газа. Химическую формулу углекислого газа составьте по модели, приведённой на рис. 23. Можно ли определить относительную молекулярную массу немолекулярного вещества? «Нет», — ответите вы и будете правы. Ведь в немолекулярных веществах нет молекул. Немолекулярное вещество характеризуется только молярной массой. Она равна сумме масс всех атомов, которые составляют 6-10®® структурных фрагментов, соответствующих формуле вещества. Например, молярная масса оксида кремния SiOg равна сумме масс 6'10®® структурных фрагментов, состоящих из одного атома кремния и двух атомов кислорода (рис. 47). Из сказанного можно видеть, что один моль оксида кремния содержит 6-10®® атомов кремния и в два раза больше атомов кислорода — 12‘10®®: в 1 моль SiO^ содержится 6-10®® атомов Si, то есть 1 моль атомов Si, 12-10®® атомов О, то есть 2 моль атомов О. 0 Индексы в химической формуле сложного вещества указывают также на количество каждого элемента в 1 моль вещества. 54 марная масса 6-10^^ атомов кремния является молярной массой ^ та кремния, а суммарная масса атомов кислорода — моляр- .. __ТГЛГЧЛ TTQ И|ТГ»М/»ТТЛ -Ot-TTTTTr» TTTTfrt ТТОТ^ТТТТТЛ л/гаг*ш ной массой элемента кислорода. Отсюда можно вычислить молярную массу оксида кремния, сложив молярные массы элементов. M(SiO^) = M(Si) -Ь М(0) + М(0) M(SiO^) = 28 г/моль +16 г/моль -1-16 г/моль = = 28 г/моль -f 2 • 16 г/моль = 60 г/моль 5. По рис. 47 определите, какие структурные элементы составляют 1 моль хлорида алюминия. Напишите формулу и рассчитайте молярную массу этого вещества. Молярная масса позволяет рассчитывать массу любого количества вещества. Задача 1. Вода, содержащаяся в химическом стакане, имеет массу 250 г. Каково количество воды в стакане? Нам известно, что молярная масса воды рав-на 18 г/моль. Количество вещества можно рассчитать, поделив массу воды в стакане на молярную массу. «(HjO) = т(ЩО) 2'-’) _ 250 Г = 13,9 моль М(Н20) 18 г/моль Из приведённого расчёта сделаем вывод, что количество вещества п, его масса т и молярная масса М связаны отношением п = т М Рис. 50. Вода — вещество, без которого мы не можем существовать Задача 2. Для приготовления раствора требуется 5 моль сахарозы. Какую массу сахарозы нужно взвесить? Для решения задачи нужно найти молекулярную массу сахарозы по химической формуле CjgH^^Ojj, а затем определить молярную массу. МДС^зНзД,) = 12-12 + 22-1 -f П-16 = 342 MCCjgH^jO,,) = 342 г/моль ^Очевидно, масса пяти молей сахарозы будет в 5 раз больше его моляр ®ой массы. - 342 г/моль • 5 моль = 1710 г = 1,7 кг VU 11^ 55 Вопросы и задания 1. 2. 3. 5. 6. Какими количественными величинами характеризуются вещества? Рассчитайте молекулярную и молярную массы хлора Cl^, серы Sg, метана СН^; молярные массы оксида меди СиО, карбоната кальция СаСО . Почему нельзя определить молекулярные массы для оксида меди и карбоната кальция? Сколько атомов содержится в 1 см^ железа, цинка, сеоебоа? Плотности этих металлов соответственно равны 7,87 г/см''*; 7,13 г/см®; 10,5 г/см®. Наибольший кристалл алмаза (простое вещество химического элемента углерода С), найденный в Якутии, размером с кулак взрослого человека, имеет массу 300 г. Какое количество вещества заключено в этом кристалле? Сколько атомов углерода содержится в нём? Взвесили 3,1 г фосфора и 3,6 г магния. Одинаковы ли количества взятых веществ? Какую массу магния необходимо взвесить на весах, чтобы его количе- V 8. поваренной соли NaCl? 1 моль сахарозы Cj^H^gOj^? Средний человек усваивает за сутки 720 л кислорода через лёгкие. Сколько молекул кислорода поглощают лёгкие человека за сутки? Плотность кислорода при 20 °С и нормальном давлении равна 1,33 г/л. § 10. Массовая доля элемента в веществе Производя различные расчёты, мы пользовались химической формулой, так как она заключает в себе определённую информацию о веществе. Обобщим сведения о химической формуле. Она показывает: 1) качественный состав, то есть какие элементы входят в состав вещества; 2) количественный состав, то есть численное соотношение атомов в веществе, а также количество каждого из элементов в 1 моль вещества. Зная химическую формулу, мы имеем возможность рассчитать: 1) молекулярную массу молекулярного вещества; 2) молярную массу; 3) массу каждого элемента в 1 моль вещества. Рассмотрим пример. Из формулы оксида алюминия Al^Og видно, что на каждые 2 атома алюминия приходится 3 атома кислорода. Это значит: в 1 моль оксида алюминия содержится 2 моль атомов алюминия и 3 моль атомов кислорода. Отсюда можно найти массу каждого элемента в 1 моль вещества. т(А1) = 2 моль • 27 г/моль = 54 г т(0) = 3 моль • 16 г/моль = 48 г На практике часто бывает необходимым знать массовую долю, которую составляет масса элемента от всей массы вещества. Например, в металлургии необходимо знать, какова массовая доля того или иного металла в руде, чтобы для производства выбрать руду, переработка которой экономически выгодна (рентабельна). Задача 1. Рассчитайте массовую долю алюминия в оксиде алюминия Al^Og (минерал корунд). Для расчёта возьмём 1 моль вещества. Молярная масса взятого оксида равна = 2-27 г/моль + 3 • 16 г/моль = = 102 г/моль Это значит, что масса взятого вещества равна ^(AlgOg) = 1 моль • 102 г/моль = 102 г Из предыдущих расчётов известно, что в 102 г оксида алюминия содержится 54 г алюминия. Какую долю составляет алюминий в оксиде? Для расчёта необходимо массу части (массу алюминия) разделить на общую массу (массу всего оксида). Массовую долю обозначают со (греческая буква «омега»). со = т(части) ; для нашей задачи со(элемента) = т (общая) Подставим в формулу данные задачи. т(А1) 54 г лг(элемента) Щ(вещества) С0(А1) = 102 г = 0,529, или 52,9% ^(AlaOg) Массовую долю элемента можно выразить в процентах, если долю от единицы умножить на 100%. В итоге можно сделать следующий вывод. 0 Массовая доля элемента показывает, какую часть составляет масса *того элемента от массы всего вещества. Известная доля элемента помогает узнать массу элемента в веществе ■'Иобой массы. к. 57 Задача 2. Рассчитайте, сколько тонн оксида железа FegO^ "1 для выплавки суточной нормы железа, равной 3500 т, если массовая дол^ | железа в этом оксиде равна 0,72. ■ ’ < Воспользуемся вышеприведённой формулой! ‘ и преобразуем её. ■ 1 Рис. 52. Магнетит Fe.O. 3 4 co(Fe) = m(Fe) fft(Fe) co(Fe) Подставим данные в преобразованную формулу. mCFejOJ = = 4860 т ' ' 0,72 Итак, для получения 3500 т железа понадо-J бится 4860 т оксида железа FegO^. Вопросы и задания 1. 2. 3. 4. 5. 6. Какова массовая доля железа в минерале пирите FeS^? Определите массовую долю кислорода и водорода в воде, в пероксиде] водорода. В каком количестве оксида меди СиО содержится 8 кг меди? Свинец получают из сульфидных (PbS) или оксидных (РЬО) руд.] Какая руда содержит большую долю свинца? Какую массу меди можно получить из разных руд: Cu^S, CuO, CUgO,, CUgH^COj, если взять каждой руды по 1 кг? В железных рудах содержатся различные оксиды железа: FejO^, FeO, Fe„0, Рис. 53. Кристалл шпинели ..2-^3- Из какого оксида можно получить больше железа? 7. Драгоценный камень шпинель, который любила царица Елизавета Петровна, имеет состав MgAl^O^. Каковы массовые доли элементов, составляющих шпинель? 8. Минерал халькопирит имеет состав CuFeSg-Масса какого металла в этом минерале больше — меди или железа? 9. Серебро в природе встречается в виде нескольких минералов. Рассчитайте массовые доли серебра в следующих минералах: AgCuSe; AgFe3S20,^Hg; AggAsSg. 58 6 11. Определение состава вещества ^ и вывод химической формулы Состав __ важнейшая характеристика вещества. Многие поколения Рис. 54. Проведение анализа воды ков экспериментальным путем устанавливали состав различных ве-^ ств Для этого необходимо путём химического анализа определить мас-^^химических элементов, входящих в состав вещества. По данным анализа можно установить качественный и количественный состав вещества и химическую формулу. Простейшим анализом является разложение, подобно тому как мы разлагали воду. Повторим этот опыт. Мы уже знаем, что при разложении воды электрическим током одна пробирка прибора наполняется кислородом, а другая — водородом. Заметим, что когда водород заполняет пробирку полностью, кислород — только наполовину (рис. 54). Можно разложение воды вести до тех пор, пока кислород не заполнит пробирку полностью. Тогда для выделившегося водорода понадобятся две пробирки. Наблюдения показывают, что объёмы выделившихся газов при разложении воды относятся как о(Нз) : 0(0,) = 2:1 Отсюда мы можем установить массы, а затем количества каждого простого вещества. Задача 1. Каковы массы кислорода и водорода, если при разложении воды выделилось 2 л водорода и 1 л кислорода. Плотности газов при комнатной температуре равны р(Н,) = 0,083 г/л, р(0,) = 1,33 г/л. ^^^2) = 2 л • 0,083 г/л = 0,166 г, следовательно, /п(Н) = 0,166 г ~ 1л • 1,33 г/л = 1,33 г, следовательно, т(0) = 1,33 г вывести формулу вещества, нужно установить, какие элементы делить ^ состав и в каком количественном соотношении, то есть опре-из *^ВДексы. Как известно, индексы, показывают количество каждого нужно^^^“^°^ ^ ^ л1оль вещества. Поэтому при установлении «формулы влеме **^**^^ количество каждого из элементов и соотношение количеств тов. Найдём количества водорода и кислорода. 59 0,166 г 1,33 г га(Н) = -—;--= 0,166 моль; л(0) = —-----= 0,083 моль 1 г/моль 16 г/моль Определим соотношение количеств водорода и кислорода. л(Н) : л(0) = 0,166 : 0,083 = 2:1 Итак, мы доказали, что формула воды — Н2О. Определить состав вещества можно путём синтеза, измеряя массы вступивших в реакцию веществ. Задача 2. Взвесили 6 г магния и сожгли в кислороде. После реакции образовалось 10 г оксида магния. Рассчитайте его формулу. Из условия задачи следует, что к 6 г магния присоединился кислород массой т(0) = 10г-6г = 4г Исходя из этих масс, рассчитаем количества кислорода и магния в составе оксида магния. n(Mg) = 6г = 0,25 моль; л(0) = 4г = 0,25 моль 24 г/моль - — > ' ' г/моль Отношение количеств магния и кислорода в составе оксида магния составляет 0,25 : 0,25, или, в целых числах, 1 : 1. Отсюда химическая формула оксида магния — MgO. Формулу вещества можно также вывести, если известны массовые доли элементов в нём. Рассмотрим такой пример. Задача 3. Карбонат натрия (сода) содержит 11,3% углерода, 43,4% натрия, 45,3% кислорода. Определите формулу карбоната натрия. Для расчёта количеств элементов необходимо знать их массы. Предположим, что образец карбоната натрия имеет массу 100 г. Понятно, что в 100 г вещества в соответствии с массовыми долями содержится 43,4 г натрия, 11,3 г углерода и 45,3 г кислорода. Находим количества элементов по их массам. 43,4г 11,3г n(Na) = ------= 1,89 моль; л(С) = 77—;----= 0,94 моль; 23 г/моль 12 г/моль л(0) = 45,3г = 2,83 моль 16 г/моль Итак, соотношение количеств элементов равно 1,89 : 0,94 : 2,83. Чтобы составить формулу, соотношение количеств элементов необходимо 60 R целых числах. Для этого каждый член соотношения поделим нГн^м^ьшую величину (0,94). 1. 2. 3. 6. 7. 1,89 0,94 2,83 = 2:1:3 0,94 0,94 0,94 Отсюда состав карбоната натрия выразится формулой Na^COj. Вопросы и задания На образование аммиака затратилось 6,02 г азота и 1,29 г водорода. Определите формулу аммиака. В образце хлорида натрия содержится 4,6 г натрия и 7,1 г хлора. Выведите формулу хлорида натрия. Из 9,8 г кремния образовался 21 г оксида кремния. Какой элемент соединился с кремнием? Определите формулу оксида кремния. Химик произвел анализ некоего вещества. Он установил, что в исследуемом образце содержится 5,4 г алюминия и 21,3 г хлора. Какова химическая формула этого вещества? Дайте ему название. Гидроксид кальция (гашёная известь) содержит 0,541 часть кальция, 0,432 части кислорода и 0,027 частей водорода. Рассчитайте количества элементов и выведите формулу гидроксида кальция. В состав перманганата калия (в быту называемом марганцовкой) входит 24,7% калия, 34,8% марганца и 40,5% кислорода. Определите формулу перманганата калия. В быту часто употребляется растворитель ацетон, жидкость с характерным запахом. В ацетоне на 9 г углерода приходится 1,5 г водорода и 4 г кислорода. Какова химическая формула ацетона? По способности издавать сильный запах сделайте вывод о его строении. § 12. Валентность Вы теперь знаете, что разнообразие веществ живой и неживой природы обусловлено тем, что атомы различных элементов могут связываться друг с другом в различных комбинациях. Можно представить, каким стал ^Ь1 мир, если бы атомы не имели возможности связываться друг с другом. мире не было бы ничего, кроме беспорядочно двигающихся разрозненных атомов. Но, к счастью для нас, атомы, за редким исключением, обладают силой, которая связывает их друг с другом. Эта сила называется 0ентностью (от латинского valentia — «сила»), валентность — это свойство атомов соединяться друг с другом. 61 w 'Открылась Бездна звезд полна, [^Звездам числа нет, Бездне —дна^ ии. в, Ломоносов^ 'Звёзды меркнут и гаснут. В огнеобла!^ Белый пар по земле расстилается1| По зеркальной воде, по кудрям лозняка iOt зари алый свет разливается/^ Рис. 55. Благодаря валентности прекрасен наш мир. Его воспевают поэты и художники Итак, благодаря валентности су Л ществуем и мы, и весь многообраз-1 ный мир вокруг нас. Если мы поймём сущность ва-1 лентности, то сможем понять и мир] веществ. Понятно, что сразу всё о] валентности мы узнать не сможем.* Будем постигать это понятие посте-] пенно. Прежде всего установим ко-1 личественную характеристику ва-1 лентности. Сравним модели молекул хлори-1 да водорода, воды, аммиака, мета-' на (рис. 56). Атомы хлора, кислорода, азота, углерода в этих моле-. кулах связаны с разным числом атомов водорода. Следовательно, атомы разных элементов обладают разной способностью связываться с другими атомами. Атом хлора связан только с одним атомом водорода, атом кислорода — с двумя, атом азота — с тремя, а атом углерода — с четырьмя атомами водорода. 1. Как вы думаете, во сколько раз валентность углерода больше валентности хлора? Что можно принять за единицу измерения валентности? Чтобы охарактеризовать валентность с количественной стороны, за единицу её приняли валентность атома водорода. Иными словами, принято считать, что валентность водорода равна единице. Валентность атома хлора, присоединившего один атом водорода, также равна единице, то есть хлор в этом соединении одновалентен. Атом кислорода двухвалентен, так как присоединил два атома водорода. Атом азота в аммиаке проявляет валентность, равную трём, а атом углерода — четырём. 171 Численное значение валентности определяется числом атомов водорода, присоединяе-сн, мых атомом данного химического элемента. HCI Н,0 NH, СН, Рис. 56. Модели молекул: хлороводорода HCI, воды Н,0, аммиака NHj, метана 62 :у- 13' а- ip о а. е- )- Элементы проявляют в соединениях с другими химическими элемен-JJ те же валентности. Так, один атом четырёхвалентного углерода при-^о^длиит четыре атома одновалентного хлора и образует хлорид углерода qCI или два атома двухвалентного кислорода с образованием оксида угле- рода СО, 171 В бинарном соединении суммарная валентность всех атомов одного Цемента равна суммарной валентности всех атомов другого элемента. Например, в оксиде углерода СО^ валентность атома углерода равна суммарной валентности двух атомов кислорода. ^ IV II С 0^ (4 X 1) = (2 X 2) 4 = 4 Сверху римскими цифрами показана валентность каждого элемента, внизу — суммарная валентность. 2. Равны ли суммарные валентности в соединении азота с хлором — NClg? Руководствуясь правилом суммарной валентности, можно определить валентность химического элемента в соединении по известной валентности другого элемента. Например, определим валентность железа в оксиде железа FegOj, зная валентность кислорода (II). Суммарная валентность трёх атомов кислорода равна 2-3 = 6. Суммарная валентность двух атомов железа также равна 6. Следовательно, валентность одного атома железа 6:2 = 3. III II Ре, Оз 6 = 6 3. Определите валентность серы в оксиде серы SO,, зная валентность кислорода. Изучая состав веществ, Джон Дальтон обнаружил, что существуют два разных соединения углерода с кислородом. В одном оксиде массовые доли элементов равны ш(С) = 27,27% и со(0) = 72,73%; в другом — со(С) = 42,85% и со(0) = 57,15%. 4. Рассчитайте формулы двух разных оксидов углерода по массовым долям элементов. Определите валентности углерода относительно валентности кислорода. аятн°*^^^^ первого оксида отражается формулой СО,, а второго — СО. По-Род ч ' ®^®птности углерода в двух оксидах различны: в первом угле- аетырёхвалентен, а во втором — двухвалентен. Так было обнаружено. 63 1 что химические элементы могут иметь несколько разных валентностей то есть обладают переменной валентностью, которая проявляется в зав^ симости от условий образования вещества. Например, угарный газ Go'll образуется при сгорании веществ, содержащих углерод, в условиях нед(в| статочного притока воздуха. Если же кислорода будет избыточное колич^ ство, то образуется углекислый газ СО^. 5. Каковы валентности марганца в оксидах: МпО, МпО„ Мп„0„ Мп„0 ■) с с 6 2 7' Валентности химического элемента можно определить по его положу нию в периодической системе. Номер группы соответствует максимал1ф ной валентности элементов, относящихся к данной группе. Например, бор, алюминий, галлий и другие элементы третьей группы проявляю:} валентность, равную III. Элементы-неметаллы часто имеют переменные валентности, то есть в разных соединениях имеют различные валентности. Высшая из этих валентностей, как правило, равна номеру группы., а низшая определяете^ разностью между числом групп (8) и номером группы. Так, сера, относящаяся к шестой группе, проявляет высшую валентность, равную VI. Например, в оксиде серы SOg сера шестивалентна. Низшая валентность серы равна II (8 - 6 = 2), например, в сероводороде H^S. Сера также имеет' промежуточную валентность IV. 6. Определите валентности фосфора по положению его в периодической системе элементов. Совпадают ли эти валентности с валентностями, проявляемыми фосфором в соединениях РН^, РдО^, Р,0,? 2^3 Переменную валентность имеют многие элементы-металлы (Fe, Мп, Сг и другие). Их валентность, как правило, меняется от II до высшей в соответствии с номером группы. Так, марганец имеет валентности II, III, IV, VI, VII. 7. Какова валентность хрома в CrF^, если существуют соединения, состав которых выражается формулами H^S, PgS^, PF^? Но не всегда валентность соответствует номеру группы. Валентность меди — элемента I группы — изменяется от I до III, но преимущественно равна II. Валентность железа равна II и III, хотя оно находится в VIII группе. Также надо иметь в виду, что кислород и фтор не имеют валентности, равной номеру группы. Их валентности равны разности: для фтора 8-7=1, для кислорода 8-6 = 2. Знание числовой характеристики валентности химических элементов важно для химиков, так как даёт возможность определять состав вещества и составлять химические формулы, не обращаясь каждый раз к данным анализа. 64 составлении химических формул бинарных соединений следует ^ ывать правило равенства суммарных валентностей химических ^^^Определим состав и химическую формулу оксида азота, в котором азот проявляет валентность (V). ^ с ммарная валентность для двух химических элементов равна наи-иему общему кратному их валентностей. Для числовых значений ^^ентностей азота (V) и кислорода (II) наименьшее общее кратное равно 10 Для определения индекса необходимо суммарную валентность разделить на валентность единичного атома. Индекс азота равен 10 : 5 = 2, индекс кислорода равен 10 : 2 = 5. Состав оксида азота выразится формулой NgOj. 8. Каков состав оксида бора? Составьте его химическую формулу. Так как ряд химических элементов образует несколько соединений с одним и тем же элементом, в названиях соединений следует указывать их валентность. Например, угарный газ СО называют оксидом углерода (II), а углекислый газ СО^ — оксидом углерода (IV). Наряду с указанными названиями применяют другие. В них указывают не валентность, а число присоединённых атомов с помощью приставок. Например, СО называют монооксидом, а СО2 — диоксидом углерода*. 9. Дайте названия соединениям: СгО, Сг^Од, CrOg. Вопросы и задания 1. От какого свойства атомов зависит состав соединений? Как измеряется это свойство? 2. Определите и обозначьте римскими цифрами валентности элементов по водороду и кислороду в соединениях, состав которых выражен фор-мулами: НВг, H„S, РН.,, SIH,, ZnO, Р,0„ SO^, SO,. • определите и обозначьте валентности элементов в соединениях относительно серы и хлора: а) AlgSg, ZnS, NagS, MgS, CUgS, PbS, AggS; 6) KCl, CuClg, FeClg, CCl^, PClg, ZnClg, CrClg, SiCl^. Сера и хлор прояв- 4 низшие валентности. Назовите все соединения. 3 каких элементов состоят сульфид углерода (IV), оксид калия, хлорид кремния, сульфид фосфора (V)? Составьте формулы этих соедине-нии, учитывая, что элемент, знак которого написан на первом месте, один, ди — два, три — три, тетра — четыре и так далее. 5-З.К.в780 gg 1 5. 6. 7. 8. имеет высшую валентность (по номеру группы), а элемент, знак которого стоит на втором месте, низшую. Составьте формулы оксидов мышьяка, хлоридов фосфора в высшей и низшей валентностях. Уточните их названия. Составьте формулы оксидов железа и хрома, которые имеют валентности II и III для Fe; II, III, VI для Сг. Дайте названия. Определите состав и напишите формулы хлорида, нитрида и оксида кальция. Французский химик Лекок де Буабодран открыл новый элемент с атомной массой 69,7. При определении формулы оксида этого элемента он нашёл, что в нём содержится 74,4% нового элемента. Какова валентность элемента? К какой группе он относится? § 13. Сущность химических реакций. Закон сохранения атомов Как вам уже хорошо известно, химические свойства веществ зависят от их состава и строения. Зная состав и строение веществ, можно понять, что происходит с веществами в химических реакциях, то есть в процессе превращения одних веществ в другие. Можно предположить, что при этом изменяются либо сами атомы химических элементов, либо их взаимное расположение и их сочетания. Проверим высказанные предположения на опыте. щелочь серная кислота Рис. 57. Опыты с участием химического элемента меди 66 плас- Медную пластинку прокалим на огне (рис. 57, а). Поверхность покроется чёрным налётом. Это образовался оксид меди (II) СиО. п*”*^ытую оксидом пластинку опустим в соляную кислоту (рис. 57, б). ^ оксида меди с соляной кислотой происходит быстрее, если ре-кционную смесь нагреть. Оксид растворяется, раствор приобретает зеленовато-голубой цвет. Это образовался раствор хлорида меди (II) CuCl^. К полученному раствору добавим щёлочь (рис. 57, в) и получим тёмноголубой осадок гидроксида меди (II) Си(ОН)2. Осадок растворим в серной кислоте (рис. 57, г). При этом образуется голубой раствор сульфата меди (II) CuSO^. В раствор опустим железный гвоздь (рис. 57, д). Через несколько секунд на его поверхности образуется красный налёт. Это отложилась медь (рис. 57, е). Итак, мы совершили цепь превращений. Началом и концом цепи превращений послужила медь. Следовательно, в ходе реакций атомы меди не уничтожились и не превратились в атомы других элементов. На модельной схеме (рис. 58) показаны структуры образовавшихся в ходе опытов веществ. Хлорид и сульфат меди представлены в виде кристаллических структур. В реальном опыте эти вещества присутствуют в виде растворов, при выпаривании которых можно получить кристаллические вещества. Из схемы видно, что атомы меди только соединялись с атомами других элементов в различных сочетаниях. ''es-i-S медь гидроксид меди (II) сульфат меди (II) медь Рис. 58. Модели продуктов реакций веществ, содержащих химический элемент медь 5* 67 Перегруппировки атомов можно записать с помощью формул; Си —^ СиО —^ CuClg —^ Cu(OH)g —^ CuSO_j —^ Си Итак, химический эксперимент показал, что сущность химических j реакций заключается в перегруппировке атомов. Отсюда следует вывод. [71 Число атомов в ходе реакции не изменяется: сколько атомов каждого элемента было до реакции, столько же осталось после её завершения. Этот вывод назовём законом сохранения атомов. Закон — это объективное, то есть не зависящее от нас и нашей воли, положение, которое при определённых условиях выполняется постоянно. В химических реакциях число атомов каждого элемента и общее число атомов всегда сохраняется. К выводу о неизменности атомов пришли ещё древние философы Эпикур, Левкипп, Демокрит, считавшие, что вещества возникают из «первоначал» материи, которые представляют собой неделимые частицы — атомы. Из неделимости атомов философы делали вывод, что превращения веществ связаны с изменением сочетания атомов. Их взгляды выразил поэт Тит Лукреций Кар: Имеет большое значенье, с какими И в положеньи каком войдут в сочетание те же Первоначала и как они двигаться будут взаимно; Как, лишь слегка изменив сочетанья, они порождают Дерево или огонь. Исходя из неделимости атомов, Эпикур провозгласил принцип сохранения и неуничтожимости материи, отождествляя материю с веществом. Этим принципом руководствовались учёные более позднего времени — Роберт Бойль (1627—1691), Эдм Мариотт (1620—1684), Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765) и другие. Так, Ломоносов писал: «Все перемены в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому, так ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте» (1748). Теоретический вывод древнегреческих философов мог быть экспериментально доказан путём установления массы исходных веществ и образовавшихся в результате её. Однако на практике учёные наблюдали как бы увеличение или убывание массы в ходе реакции. Например, прокаливание металла на воздухе с образованием оксида (или окалины, как раньше говорили) приводило к увеличению массы за счёт присоединённого металлом кислорода — газа, который в таких опытах не мог быть взвешен на весах. Да и не были известны многие газы, в том числе кислород-Поэтому учёные не могли установить сущность такой реакции. Чтобы 68 J ^ъяснйть прибавку в массе, учё- е прибегали к предположению ^1;уществовании невидимых, нео-^имых видов материи: огненной ^1атерии, флогистона, теплорода и т. П. 1, Если на весах укрепить и уравновесить свечу, которую затем зажечь, то будет ли сохраняться равновесие весов? Соблюдается ли закон сохранения атомов в этой реакции? Как вы можете доказать ваши выводы? Рис. 59. Р. Бойль перед взвешиванием прокалённого металла вскрывал реторту Знаменитый англиискии ученый Роберт Бойль прокаливал свинец в запаянной реторте и после окончания опыта, вскрыв её, взвешивал (рис. 59). Реторта после опыта прибавила в массе. Он объяснял результаты опытов тем, что через мельчайшие «поры» стекла в реторту проникает «огненная материя» и «прилипает» к металлу, увеличивая его массу. Бойль не мог правильно объяснить наблюдаемое явление, хотя он пользовался законом сохранения материи: слишком многое было в ту пору ещё не известно. Подобные опыты проводил и М. В. Ломоносов (1756). В отличие от Р. Бойля, он после прокаливания взвешивал реторту, не вскрывая её (рис. 60). При этом в реторту не попадал извне воздух на место присоединённого металлом кислорода. В результате Ломоносов обнаружил, что масса реторты не изменилась. Тем самым он доказал, что «огненной материи» не существует, предположив, что увеличение массы при прокадивании металла происходит за счёт «части воздуха, во время обжигания проходящего над прокали-вае^м телом» (Ломоносов). о предположение было экспе-хи^^^тально доказано французским После Лавуазье (1775), gQ_ g ломоносов взвешивал реторту НК был открыт кислород. с прокалённым металлом без вскрытия сосуда 69 Прокаливая ртуть в присутствии кислорода, он доказал, что металл соед0.| няется с кислородом. Путём взвешивания Лавуазье доказал, что масса! ртути и кислорода, вступивших в реакцию, равна массе образовавшего в результате реакции оксида ртути. Этот вывод он доказал и другим спо^ собом, разлагая оксид ртути на два простых вещества — ртуть и кислород. Масса взятого оксида ртути была равна суммарной массе образовав*' шихся кислорода и ртути. 2. При разложении 7,58 г оксида ртути образовалось 7,02 г ртути. Какова масса выделившегося кислорода? Таким образом, из принципа сохранения и неуничтожимости материи, провозглашённого Эпикуром, следует закон сохранения массы вещества в химических реакциях. 0 Масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, образовавшихся в результате её. По сохранению массы веществ в результате реакции можно судить о сохранении атомов в ходе превращения веществ. Вопросы и задания 1. Что происходит с веществами в процессе химической реакции? Ответ аргументируйте. 2. Почему массы веществ, вступивших в реакцию и образовавшихся в результате её, одинаковы? 3. В результате горения вещества в открытом сосуде масса его уменьшается. Не противоречит ли это закону сохранения атомов? 4. На рис. 61 показаны два варианта проведения опыта с горящей свечой. Какой из них доказывает закон сохранения атомов? Объясните, почему нарушилось равновесие весов, когда свеча горит на открытом воздухе. Рис. 61. Опыты со свечой 70 5. 7. сгорании 1 кг древесного угля образуется 2000 л углекислого плотность которого равна 1,84 г/л (условия обычные). Какова сс’а кислорода, вступившего в реакцию с углём? азложении 8,39 г воды образовалось 5,6 л кислорода (плотность 1^33 г/л при обычных условиях ). Каков объём образовавшегося водо-’ о Плотность водорода равна 0,084 г/л. Плотности газов указаны обычных условиях. На заводе по получению негашёной извести СаО разложили 100 т известняка СаСОд и получили 56 т негашёной извести. При этом выделился угекислый газ. Какой объём углекислого газа СО^ выделился (при обычных условиях плотность СОд равна 1,84 кг/м^)? § 14. Уравнения химических реакций в серии опытов мы выяснили, что в ходе химических реакции происходит перегруппировка атомов, в результате чего возникают новые вещества. При этом химические связи между атомами в исходных веществах разрушаются. Освободившиеся атомы соединяются новыми связями в новых сочетаниях. Так образуются новые вещества. Состав веществ изображают химическими формулами. Используя их, можно записать ход химической реакции в виде химического уравнения. Химические формулы исходных веществ соединяют знаком +, так же как и формулы продуктов реакции. Между формулами исходных веществ и продуктов реакций ставят стрелку. Она показывает направление реакции, то есть какие вещества образуются из исходных. Такую запись называют схемой реакции. Например, при взаимодействии водорода с кислородом образуется вода. Схема этой реакции записывается так: Н. + Од н,0 Схема реакции не учитывает количественные соотношения участвующих в реакции веществ. На модельной схеме (рис. 62) показана перегруппировка атомов, проис-^Дящая в ходе химической реакции. показано, что с одной моле-взаимодействуют молекулы водорода. При этом об-Раз^тся две молекулы воды. анаем, что при взаимодей-пеществ участвует не одна и Рис. 62. Модельная схема реакции образования воды 71 не две, а огромные множества молекул. Если в реакцию вступает б-Хоаа молекул кислорода (1 моль О^), то потребуется в 2 раза больше молекуд водорода, то есть 12-10“ молекул (2 моль). При этом образуется 12-1огз молекул воды (2 моль Н^О). Эти количественные отношения необходи^(ц отразить в нашей записи. Если в схеме учесть количества участвующих в реакции веществ, то она превратится в уравнение реакции: 2Щ + О, = 2Н,0 В рассмотренной реакции вещества, участвующие в реакции, находятся в количественных соотношениях: 2 п(Н,) : ^(0^) : п(Нр) = 2:1 0 Количества веществ, участвующих в реакции, обозначаются коэффц. циентами, которые ставят перед формулами. Коэффициенты являются множителями, на которые умножают индексы, чтобы получить число атомов или групп атомов. Умножив коэффициент ты на индексы, убедимся, что закон сохранения атомов соблюдается: в двух молекулах водорода содержится 4 атома водорода, столько же, сколько и в двух молекулах воды, то есть до и после реакции атомов водорода поровну. Атомов кислорода также поровну. Поэтому вместо стрелки поставим знак равенства. Так схема реакции превратилась в уравнение реакции. Итак, уравнение данной реакции обозначает: а) каждая молекула кислорода вступает в реакцию с двумя молекулами водорода Н^, при этом образуются две молекулы воды Н^О; б) 1 моль кислорода 0^ вступает в реакцию с 2 моль водорода Н^, при этом образуются 2 моль воды Н^О. 0 Химическое уравнение отражает, в каких количественных соотношениях вещества вступают в реакцию и образуются в результате её. 1. Слепите из пластилина модели молекул фтора (F^) и водорода (Н^). Произведите перегруппировку атомов с образованием молекул фторида водорода HF. Зарисуйте модельную схему и составьте уравнение этой реакции. Составление уравнений химических реакций опирается на закон сохранения атомов в химических реакциях. Составим уравнение химической реакции алюминия с кислородом. В этой реакции образуется оксид алюминия AljOg. Запишем схему реакции: А1 + О, А1,0з Индексы в формулах показывают, что в 1 моль кислорода содержится 2 моль атомов О. После реакции в 1 моль образовавшегося оксида алюминия А1 О содержится 3 моль атомов О. Для уравнивания количества 72 кислорода найдём наименьшее общее кратное индексов 2 и 3. Оно йтомов^ значит, что в уравнении химической реакции до и после [равно быть по 6 моль атомов кислорода. Для этого перед форму- Р®^“рдсставим множители (коэффициенты): А1 + 30^ = 2AI2O3 Поставив коэффициент 2 перед формулой оксида алюминия, мы I ли количество алюминия. После реакции количество алюминия о 4 моль. Для уравнивания количества атомов алюминия необходимо подавить коэффициент 4 перед формулой алюминия до реакции: 4А1 + ЗО3 = 2AI3O3 Составленное уравнение показывает, что в реакцию с 4 моль алюминия вступает 3 моль кислорода, при этом образуется 2 моль оксида алюминия. Если в реакцию вступает удвоенное количество алюминия (8 моль), то и кислорода потребуется вдвое больше (6 моль). При этом образуется вдвое больше оксида алюминия (4 моль). Если же алюминия взять меньше, то соответственно уменьшатся количества кислорода и оксида алюминия. I Вопросы и задания 1. Что означает схема химической реакции? уравнение химической реакции? В чём их отличие? 2. Составьте уравнения реакций по приведённым схемам: а) Fe + О3 ^ FeO б) Сг + Cl^ ^ CrClg в) Си + S Cu^S г)К + CI3 ^ КС1 д) А1 + S AI3S3 е) Mg + ^ MgO По составленным уравнениям расскажите о данных реакциях: какие вещества и в каких количественных соотношениях вступают в реакции. Назовите продукты реакций. 3. Составьте уравнения следующих реакций: а) AI + CI3 б) Mg + N3 в) Zn + CI3 + ^2 д) Си + О3 е) Р + S Химические формулы продуктов реакций составьте по известным вам ^^внтности элементов определите по положению в перио-ляют ^^истеме. Хлор, кислород, сера и азот в этих реакциях прояв- 4. Сост ® остальные элементы — высшие валентности. Про^^^^ уравнение разложения основного карбоната меди CUgH^COg. ®^тами этой реакции являются оксид меди (II), вода и оксид ^ ■'‘арода (IV). 73 5. 6. 7. Составьте уравнение реакции гашения извести (оксида кальц^^ водой. В результате реакции образуется гашёная известь СаО Н , или Са(ОН)з. ' При горении в газовой горелке с кислородом взаимодействуют мета^ СН^, пропан Cglig, бутан Продуктами горения являются вода и углекислый газ. Составьте уравнения реакций горения метана, пропана, бутана. Вода и углекислый газ являются продуктами горения в кислороде ацетона CgHgO. Составьте уравнение реакции горения ацетона в кислороде. Домашний эксперимент Слепите из пластилина по 3—4 модели молекул и азота Nj. На моделях произведите перегруппировку атомов, отображая ход реакции между водородом и азотом с образованием аммиака NHg. Учтите, что все атомы должны быть использованы и лишних не должно оставаться. Заметьте, сколько моделей молекул аммиака образовалось, сколько моделей молекул азота и водорода понадобилось. Составьте уравнение реакции. § 15. Реакции соединения и разложения Среди множества реакций можно выделить такие, в которых из двух или нескольких веществ образуется одно. Такие реакции можно осуществить на опыте, например, сжигая магний в кислороде. На рис. 63 показана модельная схема этой реакции. Химические связи между атомами в молекулах кислорода и в кристаллах магния разрушаются, а освободившиеся атомы соединяются в кристаллы оксида магния. 2Mg + Oj, = 2MgO 0 Реакции, в которых два или несколько веществ образуют одно, называют реакциями соединения. Реакции соединения постоянно протекают в природе, на произвол' стве. Например, в топках горит уголь. Он соединяется с кислородом, при этом образуется углекислый газ. Теплота, выделяющаяся в этой реакция, расходуется на промышленные и бытовые нужды. 1. Составьте уравнение реакции соединения, которая происходит при прокаливании на огне красной медной пластинки. В этой реакции медь соединяется с кислородом и образуется черный оксид меди (II). 74 17 iitf бы в мире происходили только реакции соединения, то все веще- д,СЛИ V ^ образовали бы одно вещество. Но кроме реакции соединения осуществляются реакции, противоположно направленные. Так, на опыте мы ааблюдали разложение воды на кислород и водород. 2 Составьте уравнение реакции разложения воды. В этой реакции вода является исходным веществом, а водород и кислород — продуктами. Чем эта реакция отличается от той, модельная схема которой изображена на рис. 62? 0 Реакции, в которых из одного вещества образуется несколько новых, называют реакциями разложения. Проведём одну из таких реакций, которую мы наблюдали ранее (рис. 16). Поместим в пробирку зелёный порошок основного карбоната меди (толчёный малахит). Пробирку закроем пробкой с газоотводной трубкой, конец которой опустим в стакан с известковой водой. При нагревании происходят изменения: зелёный порошок чернеет. Это образуется оксид меди (II). На стенках пробирки оседают капельки воды, а известковая вода мутнеет от образовавшегося углекислого газа. 0„ MgO Mg Рис. 63. Модельная схема реакции соединения магния с кислородом СО, Cu^H^COj А н,0 Рис. 64. Модельная схема реакции разложения малахита 75 лг Таким образом, основной карбонат меди разложился на оксид мед^ \ (II), воду и углекислый газ. Уравнение реакции можно записать так; ' Си,Н,СО, I i 5 2CuO + Н^О + СО^ При разложении вещества химические связи между атомами ослабевают. Благодаря этому атомы имеют возможность соединиться новыми химическими связями в новых сочетаниях. Так возникают продукты реакции. На рис. 64 показана модельная схема перегруппировки атомов при разложении малахита. Реакции разложения, как и реакции соединения, важны в нашей жизни. Например, с помощью реакции разложения карбоната кальция (известняка) получают негашёную известь (оксид кальция). Она вступает в реакцию соединения с водой, и образуется гашёная известь Са(ОН)2. Вопросы и задания 1. 2. 4. 5. 6. 7. С какими двумя типами химических реакций вы встречались, наблюдая опыты на уроках? Что было бы, если бы на Земле происходили только реакции соединения? Только реакции разложения? Составьте уравнения реакций соединения серы со следующими металлами: натрием, барием, медью (валентность I и И), алюминием. Сера проявляет в этих реакциях соединения низшую валентность. Дайте названия продуктам реакции. Какая масса известняка СаСО^ вступает в реакцию разложения, если в результате образовалось 8,4 кг оксида кальция и 3,57 м® углекислого газа? Плотность углекислого газа при обычных условиях — 1,84 кг/м®. Составьте уравнение реакции разложения известняка. Подберите коэффициенты в схемах реакций и укажите, к какому типу они относятся: а) КСЮз КС1 + Оз б) А1 + Оз AI3O3 в) А1 + I3 ^ AII3 г) HgO Hg + О3 д) MgCOg ^ MgO + СО3 е) S -ь О3 ^ SO3 Объясните, почему при прокаливании известняка СаСОз в открытом тигле его масса уменьшается, а при прокаливании меди Си — увеличивается. Ответ подтвердите уравнениями реакций. Определите, к каким видам реакций относится каждая из них. Для различных целей в строительстве используют негашёную известь. Её заливают водой и получают гашёную известь Са(ОН)з. Напишите уравнение реакции. К какому типу — разложения или соединения она относится? ГЛАВА II Кислород. Водород. Вода Вы сделали первый шаг к познанию тайн вещества. Теперь вы можете понять состав того или иного вещества. Знаете, что состав и строение влияют на свойства веществ. Вам понятно, в чём заключается сущность реакций. Теперь эти знания вы должны применить для изучения кислорода и водорода — двух наиболее распространённых элементов на Земле и во Вселенной, их простых веществ и соединений. Изучая водород и кислород, вы не только научитесь применять знания, полученные ранее, но и пополните их новыми. § 16. Кислород — химический элемент и простое вещество Кислород — химический элемент, наиболее распространённый на Земле. Этот элемент буквально вездесущ; он содержится в атмосфере, гидросфере, литосфере. Атомы кислорода входят в состав воды, образующую гидросферу земли, в состав многочисленных минералов и горных пород, образующих литосферу. Он находится в биосфере, то есть в растениях, животных, человеке и других живых организмах. В земной коре на долю кислорода приходится 52,3% от общего числа атомов всех химических элементов. Массовая доля кислорода в земной коре равна 47,2%. Атомы кислорода образуют двухатомные молекулы О^, которые составляют газ, носящий то же название, что и химический элемент. Газообразный кислород вместе с другими газами (азотом, углекислым газом, аргоном и другими благородными газами) составляет земную атмосферу. тмосфера Земли возникла в результате выделения газов в ходе химических реакций в недрах Земли. И сейчас можно наблюдать, что во время извержения вулканов в атмосферу попадают различные газы: азот Nj, сероводород HgS, сернистый газ SO^, углекислый COg и угарный СО газы, воды HgO, хлороводород НС1 и другие. Но среди них нет кислорода. появился в результате жизнедеятельности живых организмов, чески**^^^^ ®°^®*^®^повения Земли в земной атмосфере кислорода практи-стала затем его количество стало возрастать. При этом биосфера доли интенсивнее, что привело к ещё большему повышению кислорода в атмосфере. Учёных давно интересовал такой вопрос: 77 1 если для возникновения биосферы необходим кислород, а для его появления необходима растительность, то как же появилось и то и другое? Одае из возможных объяснений таково: в древней атмосфере кислород появился за счёт разложения паров воды под действием энергии Солнца. 1. Масса земной атмосферы равна примерно 5,2-10*® т, а масса газообразного кислорода — примерно 1,2-10*®т. Какова массовая доля кислорода в атмосфере? В настоящее время массовая доля кислорода в воздухе равна 23%, а объёмная доля — 20,95%. Огромная масса атмосферного кислорода составляет ничтожную долю (всего 0,0001 часть) от общего запаса химического элемента кислорода на Земле. На рис. 65 изображены диаграммы, на которых показано, какую массовую долю составляет кислород в земной коре и организме человека по сравнению с другими наиболее распространёнными элементами. Рис. 65. Сравнительные диаграммы распространения кислорода в земной коре (а) и в организме человека (б) — в процентах 2. Рассчитайте массовую долю элемента кислорода в составе самых распространённых минералов земной коры — полевых шпатов: ортоклаза KAlSigOg и альбита NaAlSigOg. Характеристика химического элемента. Атомная масса кислорода равна 16, а молярная масса — 16 г/моль. Этот элемент входит в шестую группу периодической системы элементов. В соединениях он проявляет валентность II. Высшую валентность, равную номеру группы, он не проявляет. Строение и физические свойства простых веществ. Атомы химического элемента кислорода способны соединяться в двухатомные молекулы (рис. 66, а). При этом образуется простое вещество — кислород. Химическая формула — Og. 78 3. Рассчитайте молекулярную массу простого вещества кислорода Молекулы кислорода связаны между собой очень слабыми межмолекулярными силами. Поэтому при обычных условиях кислород нахо- ттлтттллт-t /'ттглтт П ог Рис. 66. Модели молекул кислорода (а) и озона (б) ится в виде газа. Его плотность (при О °С) рав-^ 1 43 г/л. При температуре -183 "С он пре-оащается в жидкость бледно-синего цвета, которая затвердевает при температуре -218 »С. Его кристаллы имеют синюю окраску. Кислород малорастворим в воде. Всего 44 мг кислорода растворяется в 1 л воды при 20 “С и атмосферном давлении. Однако этого достаточно, чтобы рыбы и другие обитатели водоёмов могли дышать. Кислород был открыт шведским учёным Карлом Шееле в 1772—1774 годах. Учёный обнаружил, что кислород способствует горению, и назвал его «огненным воздухом». Независимо от Шееле кислород выделил и английский химик Джозеф Пристли. В своих записях он указал точную дату открытия: 1 августа 1774 года. В 1785 году голландский учёный Мартин ван Маррум обнаружил новый газ, который назвали озоном (от греческого слова ozon — «пахнущий») за его своеобразный запах. Оказалось, что озон — простое вещество, состоящее из атомов кислорода, в отличие от привычного для нас кислорода, молекулы озона трёхатомны (рис. 66, б) и его формула — О3. Так было открыто явление аллотропии, которое заключается в том, что один химический элемент образует несколько простых веществ. Аллотропия характерна для многих химических элементов. Озон — газ голубоватого цвета. Он имеет более высокие, чем у кислорода, температуры кипения и плавления (-112 °С и -193 °С, соответственно). Его плотность (при о °С) выше, чем у кислорода, и равна 2,14 г/л. 4. Рассчитайте молекулярную массу озона. Сравните её с молекулярной массой кислорода. Какая связь между молекулярной массой и температурами кипения и плавления вещества? Озон возникает в верхних слоях атмосферы (22—30 км) из молекул кислорода. Щ = 2О3 JJ ^'^^■’^®'^°®®ниями доказано, что присутствие озона на таких высотах ®сё живое на Земле от губительной части солнечного излу- ' ^°^'^ощение солнечного излучения сопровождается превращением в кислород. 2О3 = ЗОз 79 едённых опытов можно сделать вывод, что кислород взаимо-Лз прив При этом образуются оксиды. действу®^ Составьте уравнение реакции горения серы в кислороде. Сера при ^ как правило, проявляет валентность IV. Как назвать полученное соединение? При сжигании магния мы видели, как ярко он горел в кислороде (рис. 43). 6 Составьте уравнение реакции горения магния в кислороде и назовите полученный продукт. Будут ли другие металлы также взаимодействовать с кислородом? Возьмём железную проволоку с прикреплённым на конце кусочком угля. Накалим уголь и опустим проволоку в склянку с кислородом. От накалённого уголька железо загорается и взаимодействует с кислородом (рис. 69). При этом образуется сложный оксид, в котором одни атомы железа проявляют валентность II, а другие — III. Его формулу можно обозначить ЕеО-Ее^Од или FOgO^, а ход реакции можно выразить уравнением 3Fe -Ь 20д = FegO^ Опыты доказали, что кислород взаимодействует не только с неметаллами, но и с металлами. Многие металлы взаимодействуют с кис- Рис. 69. Горение железа в лородом при обычных условиях без горения, кислороде При этом на поверхности многих металлов появляется оксидная плёнка, благодаря которой они приобретают защиту от дальнейшей реакции с кислородом, разрушающей металл. Защитная оксидная плёнка появляет-’ ®^пример, на алюминии, хроме, никеле и других металлах. ми ^ ^°®’’^®ьте уравнение реакции образования оксидной плёнки на алю-нии. Дайте название продукту реакции. Ции^с^^’ опыты показывают, что кислород вступает в реак- ** неметаллами с образованием оксидов. Кислород взаи- Наппи ^ очень многими простыми веществами, но не со всеми. ® также платина и некоторые другие металлы восьмой группы, ^ кислоп**^^*^^°^*”^^ неметаллы (фтор, хлор, бром, иод) непосредственно другим взаимодействуют. Оксиды этих элементов получают «т путем. а«к. 6780 81 Присутствие даже ничтожных количеств (10"^ %) озона в воздухе вг зывает головную боль, усталость, тошноту. Более высокое содержав озона во вдыхаемом воздухе приводит к смерти. • Химические свойства кислорода и озона. Первооткрыватели газе разного кислорода Пристли и Шееле отмечали, что тлеющая лучинв внесённая в кислород, вспыхивает ярким пламенем. До настоящего в{ мени эта реакция является самым простым и доступным способом обнар^ жения этого газа. Роль кислорода при горений выяснил выдающийся французск! исследователь Антуан Лавуазье, создал теорию горения, доказав, ч: при горении кислород вступает реакции с горючими веществами,5 Озон, как и кислород, взаим( действует с различными веществ{ ми, но проявляет значительно 66j шую, чем кислород, активность. Взаимодействие кислорода простыми веществами можно н блюдать на опытах. На подставк] поставленную в чашку с песком, поместим немного порошка красного^ фосфора. Подожжём его и накроем колбой с кислородом (рис. 67, а). Фосфор горит ярким белым пламенем. При этом колба наполняется густ1 белым дымом. Он состоит из крупинок hoboi вещества оксида фосфора (V) PgO^. Таким обра* зом, кислород не просто «поддерживает» roi ние, а участвует в реакции в качестве исходно- Рис. 67. Горение фосфора (а) и серы (б) в кислороде го вещества. 4Р + 50, = 2Р,0, I Рис. 68. Горение угля в кислороде В кислороде горят и другие вещества, на-i пример сера, уголь. В пламени горелки раскалим кусочек древесного угля и внесём его в склянку с кислородом (рис. 68). Уголёк полно-^] стью сгорает без дыма и пламени. Нальём в сосуд известковую воду. Она мутнеет. Помутнение известковой воды указывает на присутствие) углекислого газа (диоксида углерода (IV)) COj- С + О, = СО, 80 Озон, в отличие от кислорода, гораздо более активен, так как его молеЛ кула неустойчива. Он вступает в реакции практически со всеми прост^ ми веществами. В реакциях с озоном металлы проявляют более высокие валентности, чем с кислородом. Например, медь с озоном образует оксад1 меди (III), а серебро — оксид серебра (II) AgO. 8. Напишите уравнение реакции серебра с озоном. Взаимодействие со сложными веществами. Многие из вас ежедневнЗ наблюдают, как горит природный газ в газовой плите. С помощью этоЛ реакции мы готовим пищу. Газообразные вещества, входящие в состав! природного газа, вступают в реакцию с кислородом. Рассмотрим, как проч исходит реакция горения одного из газов — метана СН^. Модельная схема! этой реакции показана на рис. 70. Атомы углерода и водорода, вхоЛ дящие в состав молекулы метана,! соединяются с атомами кислорода,^ При этом образуются молекулы уг-1 лекислого газа и воды. Выразим ход! этой реакции уравнением Рис. 70. Модельная схема горения метана в ^^4 ^ ^^2® кислороде На примере реакции горения] метана можно видеть, что кислород! взаимодействует со сложными веществами. При этом, как правило, образуются оксиды элементов, входящих в состав сложного вещества. 9. Составьте уравнение реакции горения пропана С^Н^ — ещё одной’ составной части природного газа. С кислородом взаимодействуют многие сложные вещества, в том числе вещества, входящие в состав живого организма. В процессе дыхания растений, животных и человека происходят биохимические реакции, при которых освобождается энергия, используемая для других жизненно важных реакций. Поэтому без кислорода живые организмы, живущие на Земле, за исключением некоторых микроорганизмов, существовать не могут. Реакции кислорода со сложными веществами используют в промыШ' ленности. Это прежде всего сжигание топлива для получения энергий. С участием кислорода обжигают сульфидные руды и получают оксиды-Так, при обжиге сфалерита (сульфида цинка) образуются оксид серы (IV) и оксид цинка, из которого получают чистый металл. 2ZnS + SOg = 2ZnO 4- 2SO2 Озон также взаимодействует со сложными веществами. В отличие от кислорода, со многими из них он вступает в реакцию без нагревания- 82 Многие вещества в атмосфере озона самовоспламеняются (например, спирт, скипидар, эфир и другие). 10. Составьте уравнение реакции горения спирта CjHgO в озоне. Высокая активность делает озон при работе с ним опасным веществом. Он легко разла гается с образованием кислорода. Примеси различных газов (N0, 01,), попадающих в атмосферу, ускоряют разрушение атмосфеоно го озона. ^ Рис. 71. воздухе Горение спирта на Вопросы и задания 1. Дайте характеристику химического элемента кислорода. Какие простые вещества образует химический элемент кислород? Что такое аллотропия? В состав каких природных веществ входит элемент кислород? Каково его распространение в природе? 2. Сопоставьте физические свойства кислорода и озона: Признаки сравнения кислород озон Молекулярная масса Агрегатное состояние (0 °С и нормальное давление) Цвет Плотность (при 0 °С и нормальном давлении) Температура плавления Температура кипения 3. Какую роль играют кислород и озон в жизни живых организмов? кова роль живых организмов в возникновении кислорода в земной ^ атмосфере? Пе^числите химические свойства кислорода и озона. В чём их сход-Нал Подтвердите уравнениями реакций. Магн1^^^ УР^®нения реакций, в результате которых на поверхности ность пГ возникают оксидные плёнки. Хром проявляет валент- метал Какое влияние оказывает оксидная плёнка на поверхности На его химическую устойчивость? в* 83 6. Напишите уравнения реакций кислорода с медью, если она проявд^^ валентности I и II; с серой, проявляющей валентности IV и VI; фосфором, проявляющим валентности III и V. Дайте названия продув там реакций. 7. Рассчитайте, в каком соединении массовая доля кислорода больщ^ в воде Н^О, в углекислом газе COg или в кварце SiO^. 8. Составьте уравнения реакций кислорода со сложными веществац#! а) сероводородом H^S (сера в образующемся оксиде проявляет валеа^ ность IV); б) с фосфином РНд (фосфор в образующемся оксиде пяти^ лентен); в) ацетиленом С^Н^; г) бутаном С^Н^. 9. Составьте уравнения реакций горения в озоне: а) метана СН^, б) серы S. Какие вещества образуются в результате реакций? 10. При использовании минерала галенита PbS для получения свинщ)Г сначала его подвергают обжигу. Составьте уравнение взаимодействий кислорода с сульфидом свинца. Домашний эксперимент Слепите из пластилина модели молекул кислорода и этана CjHg. В молекуле этана два атома углерода соединены друг с другом и к каждому из них присоединены по три атома водорода. Произведите модельную перегруппировку атомов, происходящую в ходе реакции горения этана. Учитывая число молекул исходных веществ и продуктов реакции, составьте уравнение этой реакции. § 17. Оксиды. Горение и медленное окисление в результате взаимодействия кислорода с простыми и сложными веществами образуется особый класс веществ — оксиды. Чтобы составить понятие оксидов, необходимо выяснить то особенное, что выделяет их в отдельный класс. Вычленить особенное можно, если сравнить свойства некоторых оксидов. При этом необходимо обнаружить различия между отдельными представителями оксидов и выделить характерное общее. Сравним некоторые свойства ряда оксидов (см. табл. 2). Как можно убедиться, оксиды находятся в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. Различны их температуры плавления: одни плавятся при очень высоких температурах, а другие — при низких. Это зависит от их строения. Большинство оксидов имеет немолекулярное строение. Такие оксиды при нормальных условиях твёрдые. Некоторые оксиды имеют 84 (олекулярное строение. Они находятся в жил^ Ыии, но могут быть и твёрдыми, со сравнитеГькп"’’" '’^^^«бразном состо-«и плавления (например, Р^О^). н^^зкими температура- Т.блица 2. С.„йс„а [названий 1 Гхимическая формула) Цвет Агрегатное состояние Температура плавления, °С Строение 1. Оксид меди (II) СиО чёрный твёрдое выше 1000 разлагается немолекулярное 1 2. Оксид магния MgO белый твёрдое 2800 немолекулярное 1 3. Оксид железа (III) F®2®3 бурый твёрдое 1565 немолекулярное 1^4. Оксид кремния SiO^ бесцв. твёрдое 1714 немолекулярное [ 5. Оксид водорода Нр бесцв. жидкое 0 молекулярное 1 6. Оксид углерода СО^ бесцв. газообразн. -56,6 (при 520 кПа) молекулярное 1 7. Оксид азота (IV) N0 ^ бурый газообразн. -11 молекулярное Общей характерной особенностью оксидов является то, что в их состав входит кислород. Все оксиды бинарны. Отсюда можно вывести определение понятия оксидов. В определении указывают тип, к которому относятся данные вещества, а также характерные особенности, которые отличают эти вещества от других. 0 Оксиды — это сложные вещества, состоящие из двух химических элементов, один из которых — кислород. Среди всех оксидов можно выделить оксиды металлов и оксиды неметаллов. Оксиды металлов имеют немолекулярное строение. Они тугоплав-и при обычных условиях твёрдые. Оксиды неметаллов, как и сами аллы, характеризуются более разнообразными свойствами. Многие g * окрашены в различные цвета. Это даёт возможность использовать качестве пигментов для художественных и малярных красок (рис. 72). ным ок “широко распространены в природе. Наиболее распространён-также о является вода. В атмосфере находится углекислый газ СО^, а я результТ*^^ оеры (IV) SO^,, азота (II) N0 и (IV) N0^, которые появляются яасто встп!^ вулканической и антропогенной деятельности. В земной коре **агнетит оксиды в виде минералов: 2<вард SiO^, гематит Fe^O^, jjg * *’ ^®РУКД AlgOg, цинкит ZnO, пиролюзит МпО^ и другие. Таллов используют для получения металлов. 85 г Ре20з,Мп0; Ре^Оз СГзОз.ВзОз Рис. 72. Икона «Спас Нерукотворный» написана красками, в состав которых входили охра Fe^Oj и другие оксиды Оксиды, в чём вы могли убеда.^ ся на опытах, получают в реакщ кислорода и озона с простымиГ^ сложными веществами. Реакции с участием кислородЯ и озона относят к реакциям окне ления. Наблюдая эти реакции, мьП видели окисление фосфора, магнц железа, углерода. В повседневной! жизни мы часто наблюдаем, как го' рят природный газ, уголь, дрова! Такие реакции сопровождаются вы| делением большого количества тепл лоты и света. Их называют реащ циями горения. 1. Все ли реакции кислорода с] веществами сопровождаются образо ванием пламени? Подтвердите ответ примерами. Для того чтобы началось горе-; ние, необходимо вещество нагреть! до определённой температуры, которая носит название температуры вос^\ пламенения. Так, уголь загорается при температуре выше 300 “С, дерево —) при 270 "С, пары спирта — при 404 °С, пары ацетона — при 500 °С. Проведём следующий опыт. Смочим носовой платок в воде, а затем ву ацетоне. Поднесём платок к огню. Ацетон загорается, а увлажнённый] носовой платок не сгорает, так как теплота, выделяющаяся при сгорании] ацетона, расходуется на испарение' воды и температура воспламенения ткани не достигается (рис. 73). Не всегда реакции с участием кислорода сопровождаются выделением световой энергии. Например» при обычной температуре происходит окисление кислородом многих металлов с образованием на их поверхности оксидной плёнки. Эти реакции происходят медленно. Поэтому сильного разогрева вещества не происходит. Рис. 73. Опыт с платком: а — горит ацетон, пропитавший платок; б — платок не сгорел 86 можно наблюдать самопроизвольное воспламенение горючих Иногда происходит, если при медленном окислении теплота не материалов. ^ Qj^py^aiou^eM пространстве, а накапливается, что возни-рассеива массах вещества. Например, в куче промасленной вето- кает „ .рате медленного окисления масла теплота накапливается, что ^ ^т разогревание вещества. При этом постепенно достигается темпе-вызыв В результате происходит самовозгорание, то есть ратура зажигания извне. Медленное окисление происходит на го- ких свалках с последующим самовозгоранием мусора. При этом Гатмосферу попадает множество вредных газов. Накопление теплоты происходит в куче навоза. Это явление используют в сельском хозяйстве. В тех районах, где долго держатся весенние заморозки, теплолюбивые культуры высаживают в гряды из навоза, в которых делают лунки с почвой. Накапливаемая теплота способствует подогреву корней растений и предохраняет от замерзания. Как медленное окисление, так и горение могут быть полезными или вредными. Большой ущерб приносят людям пожары — реакции горения. Поэтому надо знать, как прекратить такую реакцию. Она не происходит в отсутствие кислорода. Перекрыв доступ кислорода к горящему веществу, мы прекращаем горение. Это можно сделать, накрыв горящий предмет одеялом, засыпав песком, залив пеной из огнетущителя. Понижение температуры горящего предмета ниже температуры воспламенения также приводит к прекращению горения. Сделать это можно с помощью воды, которая сильно поглощает теплоту при испарении и тем самым снижает температуру. 3. Вопросы и задания Какими характерными особенностями обладают оксиды? Дайте определение оксидам. Приведите примеры оксидов, находящихся при обычных условиях в твёрдом, жидком или газообразном состоянии. аково их строение? По каким признакам вы делаете вывод об их строении? к получают оксиды? Какие реакции называют окислением? Какие них можно назвать горением, а какие — медленным окислением? его примеры. Для чего необходимо нагревать вещество с целью Гоп Как называют температуру, при которой вещество за- Как понимаете термин «самовоспламенение»? б) двух веществ можно отнести к оксидам: а) NCl^ или Cl^O^, РУйте ^ СаО, в) AgNOg или Ag^O, г) ZnO или ZnSO^? Ответ мотиви- 87 4. Назовите следующие оксиды: СоО, COjOg, ASgOg, As^O^, MnO ]у[„)Я ^ МПдО,. "'‘I 5. ч1 6. N) 8. Какие оксиды образуются при взаимодействии кислорода с алюи!* нием, кремнием, сероуглеродом CS^, бутаном Составьте урав] ния химических реакций. Дайте названия оксидам. В земной коре встречаются минералы куприт Си^О и халькозин Си ? Рассчитайте массовые доли меди в этих минералах. Какие реак] нужно провести с Cu^S, чтобы получить медь? Напишите уравне: реакций. Титан — важный для техники металл — получают из оксида TiO Какую массу титана можно получить из 1 кг оксида? В школьных химических кабинетах при нагревании веществ испо. зуют спиртовку. Составьте уравнение горения спирта СдН^О. Что ну; но сделать, чтобы спирт загорелся? Как происходила бы эта реакци^в озоне? Напишите уравнение реакции. Как погасить спиртовку? Отв«| обоснуйте. 9. Приведите уравнения реакций образования углекислого газа СО^ из1 простого и сложных веществ. Домашний эксперимент Поместите в какой-либо сосуд свечу и зажгите её. Какими способами можно погасить свечу? Погасите горящую свечу разными способами и объясните свои действия. Лабораторная работа «Получение кислорода» Учитывая большое значение кислорода в технике, мы не удивляемой когда видим, как автомашины перевозят баллоны с надписью «Кислород». Как же получают кислород? Что служит сырьём для его получения? ^ 0 Сырьём называют те материалы, из которых получают продукт. Очевидно, наиболее доступным и дешёвым источником кислорода яв- | ляется воздух. Для этого достаточно кислород отделить от других составт^) ных частей воздуха. Это происходит в специальных разделительных ко- ■ лоннах, куда поступает сжиженный воздух. Основой разделения воздуха на составные части служит различие температур кипения сжиженных газов. Азот, кипящий при более низкой температуре, остаётся в газовой фазе, а кислород, кипящий при более высокой температуре, — в жидкой. Кислородом наполняют баллоны, где он содержится под давлением 150 атмосфер. 88 Кислород можно получить так-йз соединений, например воды. Мы видели это на опыте, когда подергали воду действию электрического тока. Из воды получают особо чистый кислород. Для получения кислорода в лаборатории используют вещества, содержащие в своем составе атомы этого элемента. Однако для этой цели используют не любые кислородсодержащие вещества, а только малоустойчивые, то есть те, которые легко разлагаются с выделением кислорода. Такими веществами являются пероксид водорода HgOj, перманганат калия КМпО^, бертолетова соль КСЮ^ и некоторые другие вещества. Прежде чем получить кислород, необходимо знать, как его собрать. Существует два способа собирания газов: вытеснением воды и вытеснением воздуха (рис. 74, 75). В этой работе вы будете получать кислород из перманганата ка- Рис. 74. Собирание кислорода вытеснением воды лия: Рис. 75. Собирание кислорода вытеснением воздуха 2КМпО^ = К^МпО^ -Ь MnOg -t- О^Т Соберите прибор, показанный на рис. 75. Одну пятую часть пробирк наполните перманганатом калия. Укрепите пробирку в лапке штатива. Плотно закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой, предваритель но поместив под пробку кусочек ваты. Вата будет задерживать пылинки твёрдых веществ, образующихся при разложении перманганата калия. Свободный конец газоотводной трубки опустите в стакан. Зажгите спир товку и нагрейте пробирку с перманганатом калия. Помните о правилах Нагревания пробирки; сначала прогрейте её по всей длине, а затем то место, где находится перманганат калия. Наполнение стакана кислородом проверьте тлеющей лучинкои, подне ''Я её к краю стакана. Если стакан наполнился кислородом, проведите 89 опыт по сжиганию угля. Уголёк, прикреплённый к проволоке, раске на огне и внесите в стакан с кислородом. Наблюдения запишите в тетрадь для лабораторных работ. Вопросы и задания 2. 3. 1. Д. Пристли получил чистый кислород из ртутной окалины HgO, на^ правляя на неё сфокусированные линзой солнечные лучи. Нагре солнечными лучами, окалина ртути разложилась на два простых ве-Ч щества. Напишите уравнение реакции, проводившейся Пристли. Как] называют теперь ртутную окалину? Как получают кислород в промышленности? Что служит сырьём для! его производства? Пероксид водорода H^Og разлагается с образованием воды и кислорода? Составьте уравнение получения кислорода из пероксида водорода. Ка^ кое количество пероксида водорода потребуется для получения 1 моль? кислорода? 4. Учитывая температуры кипения и плавленв азота (-195,8 и -209,9 °С), кислорода (-183,^ и -218,8 °С) и температуру сублимации (пере^ хода из газообразного в твёрдое состояний углекислого газа (-78,5 "С), определите, в] каком порядке испаряются эти газы из сжи-1 женного воздуха. В каких агрегатных состоя-] ниях будут находиться Ng, 0^ и СО^ при тем-] пературе -190 °С? 5. Какой объём кислорода можно получить из 1 1 м^ воздуха, зная, что объёмная доля кисло-^ рода в нём равна 21% ? Учтите, что с помощь» описанной технологии можно получить толь-j ко 97% от теоретически возможного объёма. 6. Напишите уравнение реакции разложения-бертолетовой соли. Кроме кислорода в этой реакции образуется хлориду калия. Какое количество кислорода можно получить из 1 моль KCIO3? -0 -50 -78,5 СО, -100 -150 -183,0 О, -200 -250 1-195,8 N, Рис. 76. Температуры кипения сжиженных газов, °С § 18. Кислород и озон в природе J Газообразные кислород и озон являются составными частями атмосфе* ры. Озон составляет очень небольшую часть атмосферы. Его общая масса примерно равна 4-10® т, то есть 0,8-10 ''% от массы всей атмосферы. О® 90 30 20 тся, главным образом, в верхних слоях содеря^*^’’ ’0рдозными частями приземного ат-атмосфер^^ воздуха являются азот, кислород, мосферн объёму в воздухе содер- азота (78,09%), кислорода (20,95%) и (О 93%). В небольшом количестве в воз-п^хГсодержится углекислый газ (0,03%). Кроме аргона в воздухе содержатся гелий Не, неон Ne, ксенон Хе, криптон Кг, радон Rn, которые называют благородными газами. Раньше их называли инертными (от слова inertia — «бездеятельность»). Считалось, что они не могут вступать в химические реакции. В состав воздуха входит ещё ряд газов, объёмные доли которых малы и со временем изменяются в зависимости от протекающих природных и техногенных процессов. Кислород, как мы убедились, — химически активная часть атмосферы. Он принимает участие в биохимических процессах (при дыхании живых организмов). Человек в среднем потребляет при дыхании около 720 л кислорода в сутки. Люди, работающие под водой, а также в разреженной атмосфере или в безвоздушной среде (космонавты, лётчики, водолазы, аквалангисты), пользуются специальными аппаратами, в которых находится кислород. Кислородные маски применяются в медицине, чтобы лучше снабдить кислорюдом организм больного и усилить биохимические процессы. массовую долю кислорода, в теч дыхания всех людей планеты Плот^****^ от общей массы атмосферного кислорода = 1,2-10*® т). насел**^'^^^ обычных условиях — 1,33 кг/м®. Численность ения Земли примите равной 6 миллиардам. скважина^**°^° ^^^^^^•’юрода расходуется при пожарах в лесах, на нефтяных ^ивых о ' меньше его расходуется при процессах гниения *^ым кла fi Если бы не было гниения. Земля стала бы непроходи- ищем остатков растений и животных. Рис. 77. Строение атмосферы 91 0,93 0,07 другие Благодаря большой доле рода в воздухе происходят те JHe Рис. 78. Диаграмма состава атмосферного воздуха (в % от объёма) реакции, что и в чистом кислоро де. Подсчитано, что если бы дод^ кислорода в воздухе уменьшилась до 15%, то горение на воздухе ста-ло бы невозможным. Кислород воз-духа участвует во многих производственных процессах. С его участием происходит сгорание горючего в двигателях авто- и авиатранспорта. Горение угля или природного газа на ТЭЦ, кокса в доменных печах может происходить только с участием кислорода. Чтобы процесс выплавки металла происходил быстрее и при более высокой температуре, в доменную печь подают кислород или воздух, обогащённый кислородом. Кислород потребляется при обжиге металлических руд, в процессе получения меди, никеля, свинца и других металлов. 2. Напишите уравнение реакции обжига сульфида цинка ZnS с образованием оксида цинка ZnO. В технике применяют не только газообразный, но и жидкий кислород. Жидкий кислород используется в ракетных двигателях для сжигания ракетного топлива. Жидким кислородом пропитывают некоторые пористые материалы (угольный порошок, измельчённую древесную кору). При этом образуют^ ся взрывчатые вещества, которые применяют при строительстве тоннелей, в горных проходках. Много кислорода используют в ацетиленовых горелках, применяемых при сварочных работах и при резке металлов. По одной трубке в горелку подаётся ацетилен, а по другой — кислород. Пламя, образующееся в ре* зультате горения ацетилена в кислороде, имеет температуру около 3000 "С. В технике наряду с кислородом применяется озон, хотя в значительно меньшем количестве. Озон всё чаще применяют вместо хлора для обеззараживания питьевой воды и сточных вод. Он убивает болезнетворных микробов, окисляет опасные примеси, а сам превращается в кислород-Поэтому озон гораздо безопаснее, чем хлор, который остаётся в воде и с примесями может образовать ядовитые вещества. Озон уничтожает микрофлору в складских помещениях, где хранят картофель, зерно и другИ® продукты сельского хозяйства. В промышленности озон используют получения душистых веществ, лекарств и другой продукции. 92 jCaK мы могли убедиться, на природные и технические процессы кис-расходуется в большом количестве. Можно предположить, что запа-природного кислорода должны иссякать. Однако содержание кислоро- в воздухе остается постоянным Откуда же поступает кислород в атмосферу? Из биологии вы знаете, что листья растений на свету с помощью хло-поЛилла осуществляют процесс питания. При этом из воды и углекислого газа синтезируется глюкоза. Кроме того, образуется кислород. 6С0, + 6Нр = С,Н,з0,+ 60,Т Такой процесс происходит не только в листьях наземных растений, но и в морских водорослях. Растительный мир ежегодно возвращает в атмосферу около 400 миллиардов тонн кислорода. Это гораздо больше, чем потребляют растения при дыхании. Половина поступающего в атмосферу кислорода продуцируется фитопланктоном — плавающими растительными организмами на поверхности морей и океанов. Подсчитано, что если бы фотосинтез прекратился, то весь кислород атмосферы израсходовался бы на дыхание живых существ и окисление различных веществ за несколько миллионов лет. Это ничтожный период относительно всего времени существования жизни на Земле (несколько миллиардов лет). Итак, одни процессы направлены на связывание свободного кислорода и превращения его в соединения, а другие — на освобождение его в виде простого вещества. В итоге сохраняется примерно неизменное содержание кислорода в атмосфере Земли. Полагают, что содержание кислорода в атмосфере с развитием жизни на Земле увеличивается. В древности кислорода в воздухе было меньше. Однако интенсивность использования человеком техники нарушает эту тенденцию: слишком много расходуется кислорода на техногенные процессы. Поэтому сохранение наземной растительности, особенно лесов, а также фитопланктона в Мировом океане жизненно необходимо для всего человечества. Процессы горения увеличивают долю углекислого газа и уменьшают содержание кислорода. Неполное сгорание угля, бензина и другого топлива наполняет атмосферу частичками сажи, угарным газом СО и другими газообразными веществами. Примеси серы в топливе являются источником газообразного оксида серы U V) bUg. От промышленности и транспорта в ат- много их выделяется, когда ма-мосферу поступает ежегодно около 70 миллионов шины застревают в «пробках» 93 тонн сернистого газа. В цилиндрах двигателей внутреннего сгорания обр^ зуются соединения углерода и азота — бензпирены, оксид азота (Ц) Двигатели самолётов и космических ракет выбрасывают массу оксидо азота N0 и NO2. ® Все упомянутые газы в атмосфере являются причиной многих бед Прежде всего они влияют на здоровье людей. Сернистый газ раздражение дыхательных путей, угарный газ вызывает удушье и затем смерть, оксиды азота вредны для работы сердца, бензпирены и частички сажи способствуют возникновению раковых заболеваний. ГазообразнЦ^ оксиды серы вызывают так называемые кислотные дожди, от которых гибнут растения, живые организмы в водоёмах. Накопление в атмосфере углекислого газа, образующегося при горении, способствует сохранению теплоты, поступающей от Солнца, и вследствие этого усиливается так называемый парниковый эффект. Полагают, что это приведёт к потеплению климата, которое вызовет таяние вечных льдов. В результате возможно поднятие уровня Мирового океана и затопление больших площадей суши. В присутствии газообразных оксидов в воздухе усиливается разрушение металлов и других материалов, разрушается озоновый слой атмосферы. Например, оксиды азота вступают в реакцию с озоном. N0 + О3 = NO3 + О3 Подсчитано, что при запуске одной ракеты-носителя космического корабля образуется столько монооксида азота, что при этом уничтожается около 10 т озона. Озон необходим для сохранения жизни на Земле, но возникновение его в зоне жизнеобитания человека нельзя назвать желательным. Озон в помещениях образуется при работе ультрафиолетовых ламп, ксероксов, рентгеновских аппаратов, электромоторов. Он также возникает в атмосфере больших городов при воздействии ультрафиолетового излучения на городской смог. Смогом называют смесь тумана, вредных газов и взвеси твёрдых частиц. Такой загрязнённый воздух с примесью образовавшегося озона вызывает сильное раздражение дыхательных путей и жжение в глазах. Много вредных веществ привносится в атмосферу при курении. При курении происходит неполное сгорание табака. Ни один процесс горения не происходит в таких неблагоприятных условиях, как окисление табачных листьев. Температура горения табака довольно низка (700—800 °С). В слабом притоке кислорода при такой температуре происходит образование множества токсичных веществ (рис. 80). 94 в табачном дыме обнаружено свыше трёх тысяч ядовитых ве-них 186 находится в количествах, выше допустимых. Суммар-^^^^^бличество токсичных веществ в 380 тысяч раз превышает допусти-*яорму- Наибольшая доля среди этих веществ приходится на печаль-звестный никотин. Он вызывает возбуждение нервной системы, кровяного давления, а в дозах, выше допустимых, — угнете-паралич нервной системы, остановку дыхания и прекращение сер-й деятельности. Условия горения в сигарете таковы, что если бы .. не листья табака, а какого-либо другого растения, не содер- жащего губительный никотин, то вреда было бы ненамного меньше. Вызывают умственную к отаалость, заболевание почек Способавуют развитию раковых заболеваний Блокируют гемоглобин крови Фенол, крезол, резорцин Засоряет дыхательные пути, вызывает бронхит Сажа Синильная кислота дициан Поражает нервную сиаему, вплоть до остановки дыхания, вызывает спазмы сосудов (особенно мозга), аенокардию, ухудшает зрение, половую функцию Повреждают слизисту; оболочку рта, десен трахеи, бронхов, вызывают мутации ^ и уродства______ Ц Ухудшают снабжение организма кислородом и обменные процессы, замедляют роа и развитие • 80. Некоторые токсичные вещества табачного дыма и вызываемые ими болезни Вызывают рак легких, пищевого тракта, мочеполовой системы Ядови' Р8К Лёгких и тые вещества табачного дыма вызывают различные заболевания: ®^8рдию * язву и другие болезни желудка, бронхит, стено- ** Мног^' сосудов с развивающимся некрозом (отмиранием) тканей другие. Заболеть может не только курящий человек, но и люди. 95 которые вдыхают табачный дым. Табачный дым вызывает большое смертей. В нашей стране ежегодно от курения умирают около 400 тьд. человек. Если бы все курильщики мира бросили курить, то воздух в ших домах стал бы гораздо чище. Понятно, что для человека важно сохранение чистоты воздуцщ^ океана. Очистка воздуха от различных вредных примесей требует огро|]^^ ных средств. Для очистки промышленных дымов от сажи и других вред ных веществ применяют особые фильтры. Более надёжной защитой от вредных выбросов является полное сжигание топлива и использовавв® отходящих газов для дальнейшей переработки. Например, оксид серы (IV) -отход производства цветных металлов — используют для получения серной кислоты. Существуют особые фильтры для выхлопных труб автомобильного транспорта. В них происходит окисление (дожигание) угарного газа СО, остатков несгоревшего топлива до сравнительно безвредного углекислого газа, а оксиды азота распадаются с выделением азота. Это очень важная мера, хотя и весьма дорогостоящая. Ведь автотранспорт привносит в город 60% всех вредных выбросов. Улицы, по которым проезжает множество автомобилей, особенно грузовых, — источник опасности для здоровья людей. Если же автомобиль остановился, а мотор продолжает работать, количество токсичных газов увеличивается. Поэтому у перекрёстков, где транспорт останавливается, содержание выхлопных газов высоко. Но именно около перекрёстков располагаются остановки, где скапливается много людей. Они вынуждены дышать загрязнённым воздухом. Особенно страдают маленькие дети, так как выхлопные газы тяжелее воздуха и их оказывается больше у поверхности земли. Производители автомобилей во всём мире озабочены проблемой вредоносности двигателей внутреннего сгорания. Поиск способов очистки атмосферы городов происходит по двум направлениям. С одной стороны, исследуется возможность применения более безопасного горючего. Есть технические решения использования спирта, природного газа в качестве автомобильного горючего. Продолжаются поиски применения в двигателях внутреннего сгорания водорода в качестве топлива. С другой стороны, инженеры ищут возможность создать двигатели, в которых сгорание тоП лива будет происходить более совершенно, без образования вредных про дуктов. В этом достигнуты большие успехи. На примере кислорода и озона мы убедились, как важно знать свои ства веществ, чтобы правильно их использовать и избежать вреда от за грязнения атмосферы. 96 Вопросы и задания ль играет в природе кислород и озон? Почему на Земле общее Какую ро-а*’ __________ гтрппг\сгмггп9 3. Какую в атмосфере практически постоянно? количе называют лёгкими планеты? Что произойдёт при полной 2. Почему лес вырубке лесов. ^ зка нефти танкерами по океану часто сопровождается авариями зультате — разливом нефти. При этом на поверхности воды зуется нефтяная плёнка. Как повлияет появление нефтяной плён-° ^на жизнедеятельность зелёных водорослей, обитателей океана и на поступление кислорода в атмосферу? Расскажите о применении кислорода и озона в промышленности. Почему кислород применяется для сжигания топлива, а озон — для уничтожения микрофлоры? Что означает фраза: «Кислород поддерживает горение»? Какие реакции происходят при горении угля, если он содержит серу? Напишите уравнения этих реакций. Какие газы попадают в атмосферу при полном и неполном сгорании угля? В состав природного газа входит метан СН^, пропан СзНд, бутан С^Н,ц, а также в качестве примеси сероводород H^S. Каменный уголь С имеет примесь серы S. Какие реакции происходят при сгорании природного газа и каменного угля? Какие продукты образуются при горении топлива? Что нужно сделать, чтобы топливо было экологически более чистым? 7. Вы закончили изучение кислорода. Расскажите о нём, пользуясь схемой, которая отражает систему знаний о данном веществе. 5. 6. Состав Строение Свойства Нахождение в природе Способы получения Применение § 19. Водород — химический элемент и простое вещество ^^^Мическим о ^селенной О водород является наиболее распространённым во звёзд о ’ составляет около половины массы Солнца и большинства ’’Уманностей н основной частью межзвёздного газа и газовых (11,3“/ атомы водорода приходится 88,6% всех атомов Вселен- атомы гелия, менее 0,1% — на атомы осталь- ’ 3*к. 6780 97 На Земле водорода намного меньше. В земной атмосфере газообразв водород составляет всего лишь 0,00005% по объёму. В гидросфере содержание достаточно высоко. Его вы можете рассчитать сами. 1. Какова массовая доля водорода в воде? Водород составляет 1% от массы земной коры. Атомы водорода вход^Я в состав воды, многих минералов и горных пород, нефти, живых организН мов. Несмотря на невысокую массовую долю в земной коре, по числ^ атомов водород занимает 2-е место после кислорода. Это и понятно: ведЛ водород имеет наименьшую атомную массу из всех известных химическим элементов. Атомная масса водорода равна 1. Нет другого элемента, который имел! бы меньшую атомную массу. В соединениях водород проявляет валент ность, равную I. Знак водорода Н помещён Д. И. Менделеевым в первую! группу периодической системы. В настоящее время его также помещаю?] в седьмую группу. Физические свойства простого вещества. Атомы водорода объединяв ся в двухатомные молекулы Н^, образуя простое вещество — газ водород. 2. Рассчитайте молекулярную и молярную массы водорода. Молекулы водорода имеют наименьшую массу среди молекул суще-] ствующих веществ. Молекулы Н^ слабо притягиваются друг к другу. По-, этому при обычных условиях водород находится в газообразном состоя-j НИИ. На Земле газообразного водорода мало, так как его лёгкие молекулы! слабо удерживаются гравитационным полем Земли и улетают в космос.] Кроме того, в верхних слоях атмосферы под действием солнечного излуче^] ния происходит реакция водорода с кислородом с образованием воды." Слабое взаимодействие молекул между собой яв-J ляется причиной кипения жидкого водорода при] очень низкой температуре. Его температура кипения равна -252,6 "С. При охлаждении водо-J рода до этой температуры он переходит из газообразного состояния в жидкое. Из всех газов м только у гелия температура сжижения более низкая, чем у водорода. При температуре -259,2 “Cj водород затвердевает. При обычных условиях водород — бесцвет'] ный газ, не имеющий запаха. По внешнему виДУ] он неотличим от воздуха или кислорода. Рис. 81. Заполнение стакана ^ная низкую молекулярную массу водороД? водородом можно предположить, что из всех известв* 98 Рис. 82. Наполненные водородом мыльные пузыри взлетают вверх газов водород имеет самую низкую плотность. В самом деле, она равна 0,0899 г/л при 0 °С и атмрсферном давлении 101,3 кПа. Поэтому водород можно собирать в перевёрнутый вверх дном сосуд (рис. 81). Водород вытеснит воздух, так как плотность воздуха в 14,5 раза больше плотности водорода. Мыльные пузыри, наполненные водородом, по закону Архимеда взлетают вверх (рис. 82). Водород, как и кислород, мало растворяется в воде, и его можно собирать вытеснением воды. Водород в чистом виде был впервые получен английским учёным Генри Кавендишем в 1766 году. Но прошли годы, пока были исследованы его свойства. В 1781 году Кавендиш показал, что водород при взаимодействии с кислородом образует воду. Это свойство отразилось в названии водорода — Hydro-genium — «воду рождаюш;ий». Химические свойства водорода. Характерным химическим свойством водорода является его способность вступать в реакцию с кислородом. Эта реакция имеет особые внешние признаки. Рассмотрим их на опытах. В специальном приборе, называемом аппаратом Киппа (рис. 82), получим водород. Если в газоотводную трубку от аппарата Киппа поместить медную сетку, то можно поджечь водород у кончика трубки. Медная сетка нужна для того, чтобы водород не загорелся внутри аппарата, что может привести к взрыву. Чистый водород горит незаметным пламенем. Обнаружить его можно, если поднести к горящему водороду лист бумаги, который тотчас загорится. Из стекла в горящий водород проникают атомы натрия и окрашивают пламя в жёлтый цвет. Если пламя водорода внести в стакан, то вскоре стенки стакана покроются капельками воды (рис. 83). Это продукт реакции — вода: 2Н,+ Оз = 2НзО Проведём эту реакцию ещё раз, но другим способом. Заполним маленький пластмассовый флакон на 1/3 кислородом и на 2/3 водородом в соответствии с коэффициентами уравнения. Поднесём отверстие флакона к огню (рис. 84). Раздастся оглушительный взрыв. Смесь водорода и кислорода в соотношении 2 : 1 сильно взрывается. Такую смесь называют гремучим газом. 99 Рис. 84. Взрыв гремучего газа Этот эффект реакции используют для опредед* ния водорода: при поднесении пробирки с чи^ тым водородом к огню он загорается почти бесл ^ шумно, а когда водород смешивается с кисдоЯ родом, то раздаётся резкий («лающий») Благодаря свойству взаимодействовать с кислоч родом, водород используют в качестве ракетноЛ го топлива. Как топливо он наименее опасе^ для окружающей среды. Продукт реакции вода — не только не вреден, но полезен для! природы и человека. Однако возможность взры-1 ва создаёт большие трудности при использовании водорода в этом каче-1 стве. В будущем, если человек освоит эту реакцию, водород может широ-1 ко применяться как топливо. Кроме кислорода с водородом вступают в реакцию другие неметаллы, например хлор Cl^, бром Вг^, сера S, азот N^. Неметаллы по отношению } к водороду проявляют низшую валентность. + С1^ = 2НС1 3. Составьте уравнение реакции водорода с бромом. Дайте название] продукту реакции. Вопросы и задания 1. Опишите физические свойства водорода. Рассчитайте молекулярные • массы газов: кислорода 0^, угарного газа СО, аммиака NH^, хлора Cl^, сернистого газа SOg, водорода Hg. Будут ли мыльные пузыри, наполненные кислородом, подниматься в угарном газе, аммиаке, хлоре, сернистом газе, водороде? Ответ обоснуйте. 2. Четыре пробирки наполнены кислородом, водородом, углекислым газом и воздухом. Как узнать, какой газ находится в каждой пробирке? 3. Напишите уравнения реакций водорода с азотом, серой, углеродом. Дайте названия продуктам реакции. 4. Рассчитайте массовые доли водорода в метане СН^, аммиаке NHj, хлориде водорода НС1. 5. Выделяющийся в природных процессах водород легко поднимается в верхние слои атмосферы. Попадая в озоновый слой, водород взаимо' действует с озоном. Напишите уравнение реакции, учитывая, что продуктами могут быть вода и пероксид водорода. В каком количествен ном соотношении водород реагирует с озоном? 100 содержит 12,5% водорода и 87,5% кремния. Определите форму-g Силан ^ напишите уравнение реакции горения этого газа. Какие образуются при его полном сгорании? §20. Рдда _ продукт взаимодействия водорода с кислородом уже знаете, что при взаимодействии водорода с кислородом образу-очень важное для живой и неживой природы вещество — вода. Её нтный состав мы доказали на опыте, использовав его данные для ^ыведения формулы воды. Впервые в истории химии состав воды определил французский химик А. Лавуазье. Он пропустил пары воды через раскалённый докрасна ружейный ствол. При этом водород выделился в виде газа, а кислород образовал с железом смешанный оксид, который называют также железной окалиной. А. Лавуазье установил состав воды также путём её синтеза из газообразных водорода и кислорода. Вода — одно из наиболее распространённых соединений на Земле (рис. 85). В земной коре при химических превращениях многих минералов выделяется вода, и её пары попадают в атмосферу. В атмосфере она находится в виде паров, облаков, туч, туманов. Она образует моря, океаны, реки, озёра, пруды, болота, ледники на вершинах гор, ледниковые полярные шапки, а в земле образует подземные водоёмы, а также находится в виде почвенной влаги, грунтовых вод. Вода — очень важное для жизни вещество. Без неё увядают растения, погибают животные и люди. Везжизненной пустыней была бы Земля без воды. Состав и структура молекул воды. Молекула воды состоит из трёх атомов и имеет угловую форму. В вершине угла располагается атом кислорода, к нему присоединены два атома водорода (рис. 86). Состав молеку- воды выражается формулой Н.,0, а структура молекулы — структурной формулой. Из химической формулы следует, что молекулярная масса М (Н О) = 18, молярная масса М(Нр) = 18 г/моль. межмол кристаллической решётки и физические свойства. Силы Нем Во ^^^^■’^^Рного сцепления между молекулами воды гораздо сильнее, аых других молекулярных веществах. Поэтому вода при обыч- У ловиях — жидкость. 1 Сравн ®1'Регатное молекулярные массы воды и кислорода. Соответствует ли состояние воды такой небольшой молекулярной массе? 101 0О величинам молекулярных масс, вода ^^^^находиться в том же агрегатном состоя-обычных условиях, что и кислород, же вода жидкая? Дело в том, что меж- Рис. 86. Модель молекулы воды и её структурная формула ^°'*^олекулами воды возникают особые связи: ДУ водорода одной молекулы притягивается к ^^°му кислорода другой. Такие связи носят на-ИЯ водородных (рис. 87, а). Они прочнее ных межмолекулярных, но слабее внутримолекулярных химических вязей Если бы водородных связей не было, молекулы воды могли бы легко разлетаться, и при обычных условиях вода находилась бы в газообразном состоянии. 2. При какой температуре кипит вода, при какой — затвердевает? Какова плотность жидкой воды? В жидкой воде молекулы находятся в движении: каждая из них притягивается то к одной, то к другой соседней молекуле, всё время меняя соседей. В кристаллах льда молекулы располагаются в строго определённом порядке и совершают только колебательные движения. Каждая молекула в кристалле связана с четырьмя соседними (рис. 87, б). При этом молекулы располагаются неплотно и образуют значительные пустоты. Поэтому лёд, то есть твёрдая вода, имеет плотность меньше плотности жидкой воды (1 г/см^ при -1-4 °С). При температуре О °С его плотность равна 0,92 г/см^. Благодаря меньшей плотности лёд плавает на поверхности воды. Это имеет большое значение для жизни в водоёмах. Лёд предохраняет глубину водоёмов и их обитателей от воздействия низких температур. Агрегатное состояние воды меняется в пределах небольшого диапазона температур. Твёрдая вода суще-ниже 0°С, жидкая — между и 100 °С. В газообразном состоянии вода может находиться как при ^ожительных значениях темпера-ы, так и при отрицательных, jjp уникальное вещество в одновременно на-трёх агрегатных состоя-Условй ^ Знмле температурные Них** П в зависимости ® втмосфеп ® виде паров 37. Водородная связь между соседними 'г ре, в жидком виде она молекулами воды 103 образует озёра, моря, океаны и другие водоёмы; в твёрдом состоянии ледники, айсберги, полярные ледовые шапки, снежные горные верщцд^ Вода обладает ещё одним особым свойством. Из всех жидкостей оц' ■имеет наибольшую теплоёмкость. Поэтому толща воды Мирового океану поглощает огромное количество солнечной энергии. При охлаждении воды в холодное время года эта теплота излучается и нагревает окружающий воздух. Это оказывает влияние на климат прибрежных областей. Он гораздо мягче, чем климат континентальных областей. Вопросы и задания ] 1. 2. 3. 4. 5. 6. Серебрится река. Серебрится ручей. Серебрится трава Орошённых степей. О каком серебре говорит в своих стихах С. Есенин? Ответ обоснуйте'. В какой форме существует на Земле вода? Какими способами можно доказать состав воды? Как по данным исследования состава можно найти формулу воды? Опишите физические свойства воды: агрегатное состояние при разных условиях, цвет, плотность твёрдой и жидкой воды, теплоёмкость. Какие физические свойства оказываются полезными для природы? С треском лопнул кувшин: Ночью вода в нём замёрзла. Я пробудился вдруг. Басё Объясните происшедшее ночью явление. Приведите несколько реакций, в результате которых образуется вода. Составьте уравнения этих реакций. Вода возникает в результате многих химических реакций. Составьте уравнения образования воды при горении водорода, метана СН^, сероводорода HjS, ацетона СдН^О. § 21. Растворяющие свойства воды в чистом виде вода в природных условиях не встречается. Одним из очень важных свойств воды, широко проявляющемся в природе и исполь зуемым человеком, является её способность растворять различные вещества. Она растворяет газы, находящиеся в атмосфере (углекислый, сернй стый газы, кислород и другие), твёрдые вещества, находящиеся в земной 104 минералы). Поэтому природная вода, с которой мы имеем коре представляет собой растворы с большим или меньшим содер- дело. ек ^^^дорённых веществ. Например, морская вода содержит раство-^анием иодиды, бромиды и другие соединения кальция, маг- рённые оотпия. Эти вещества придают морской воде горько-солёный „мЯ калия, па f ’ Пождевая вода растворяет различные газы, находящиеся в атмосфе--том числе и вредные газообразные отходы промышленности и транс-Р®’ ® Поэтому и она не является чистой. Таким образом, в природе мы "ртречаем не чистую воду, а растворы. ® g клетках живых организмов содержится клеточный сок, представ-яющий собой раствор различных питательных веществ в воде. В этом створе происходят все важные для организма процессы, затухание которых приводит к гибели организма. Вот почему всему живому необходима вода. Но потребление на протяжении долгого времени очищенной (дистиллированной) воды вредно для организма животных и человека. В чистой воде долго не живут и растения, так как в ней нет питательных веществ. Растения потребляют питательные вещества, если они растворены в грунтовой или почвенной воде. В то же время вода, содержащая много растворённых солей, вредна для живых организмов. Большое содержание растворённых веществ делает воду непригодной для питья, для полива растений. Бывало, моряки, лишившиеся в дальнем плавании пресной воды, погибали от жажды, хотя вокруг было необъятное количество воды. Морская солёная вода составляет такую же опасность для организма, как и отсутствие воды. Вода с большим содержанием растворённых веществ непригодна Для промышленных установок. На тенках котлов, труб, через которые откладывается слой солей. Это сокращает VOTQ "°'”^^ования промышленными „ „о « f тановками, увеличивает пасхол ® глубокими тре- ОПергии рисхид щинами — следами растворяющей способно- сти воды 105 йг Рис. 89. Насыщенный раствор над выпавшими кристаллами Водный раствор, как и любой другой, ур но можно разделить на растворитель и раств^' рённое вещество. Воду, как правило, считя растворителем. Растворёнными могут быть мые различные вещества. Одни из них лег растворяются в воде, другие — трудно. Раство-' ры друг от друга отличаются различным кола-' чественным содержанием растворённого вещества. Так, в стакане воды можно растворить 1 или 2 чайные ложки соли, но не более 7. 0 Раствор, который больше не может раство-' рять при данной температуре растворённое ве-. щество, называют насыщенным. С количественной стороны раствор характеризуется массовой долей растворённого вещества, которая показывает, какую долю от всей массы раствора составляет масса растворённого вещества. Массовую долю растворённого вещества в растворе находят по формуле: Л1(раств. в-ва) т(раств. в-ва) (0(раств. в-ва) = -----, ИЛИ (й(раств. в-ва) = ------ • 100% т(р-ра) /П(р-ра) Рассчитаем массовую долю соли в насыщенном растворе. Задача 1. Приготовили насыщенный раствор (при температуре 0“С), растворив 32,5 г соли — хлорида натрия NaCl — в 100 г воды. Какова массовая доля соли в насыщенном растворе? Для расчёта массовой доли соли нам необходимо знать массу растворённой соли и массу раствора. Масса раствора складывается из массы воды и массы растворённой соли: т(р-ра) = т(Н20) + m(NaCl) = 100 г -f 32,5 г = 132,5 г Подставив данные в формулу, рассчитаем массовую долю хлорида натрия: m(NaCl) 32,5 г co(NaCl) =-----= - — = 0,245, или 24,5% т(р-ра) 132,5 г 1. В воде Мирового океана, масса которого составляет 1,37-10*® т, содер жится 5,2-10*® т солей. Рассчитайте массовую долю солей в морской воде- 106 я доля является удобной характеристикой раствора. С её рассчитать массу растворённого вещества и массу домошью „тобы приготовить раствор с заданным содержанием ра- растворителя, ч створённого вещества а 2 Для подкормки цветочных растений применяют раствор удоб-^^^^массовой долей 0,2%. Какую массу удобрения нужно взять для ^^^готовления ведра раствора? Объём ведра - 10 л. п мем т(удобр.) = X. Подставим данные задачи в приведённую выше формулу, учитывая, что 10 л воды имеют массу 10 кг. т(удобр.) СО(удобр.) т(р-ра) • 100% , 0,2% = 10 кг+д: 100% Найдём из полученного выражения х: 0,2(10 + х) = ЮОх, отсюда х = 0,02 кг, или 20 г. Итак, для приготовления ведра питательного раствора нужно взять 20 г удобрений. Растворы с большой массовой долей растворённого вещества называют концентрированными (крепкими), а с малой массовой долей — разбавленными. Вопросы и задания 1. Какие растворы вы используете в быту? Приведите примеры. 2. Что понимают под массовой долей растворённого вещества и как её можно рассчитать? Какую массу соли и воды нужно взять для приготовления 400 г 18%-ного раствора? 3. Противоожоговым средством в химических лабораториях является 5%-ный раствор перманганата калия КМпО^. Какую массу перманганата калия нужно взвесить для приготовления 500 г раствора? В качестве противовоспалительного лекарства применяется 2%-ный раствор нитрата серебра. Какая масса нитрата серебра содержится в аптечной склянке, в которой находится 40 г раствора? Какой раствор имеет большую массовую долю растворённого вещества. тот, в котором растворено 30 г соли в 160 г воды, или тот, в 160 г которого содержится 30 г соли? Ответ подтвердите расчётами, ся ’'*®ссовой долей растворённого вещества будет характеризовать-® гранёном стакане воды (180 г) растворить две чай-ложки питьевой соды? В чайной ложке содержится примерно 12 г итьевой соды. 5. 107 7. При засолке огурцов в трёхлитровой баа помещается рассол из 1,5 л воды и 3 стод^Ч вых ложек поваренной соли. Какова масс' вая доля соли в рассоле, если в столов ч ложке помещается 30 г соли? К каким створам можно отнести рассол — к разба ленным или концентрированным? 8. К 80 г раствора с массовой долей растворёл ного вещества 0,15 прибавили 20 г воду Какова массовая доля растворённого веще^ ства в образовавшемся растворе? 9. К 230 г 20%-ного раствора соли добавила 22,5 г той же соли. Какова массовая доля соли в получившемся растворе? 10. При образовании насыщенного раствора при 20 “С, в 100 г воды растворяется 36 г соли. Будет ли раствор поваренной соли насыщенным при данной температуре, если массовая доля соли в нём составляет 25% ? 11. Массовая доля калийной селитры в насыщенном при 60 ®С растворе; составляет 52,4%, а при 20 “С она составляет 24%. Какая масса калийной селитры выпадает в осадок при охлаждении 250 г насыщенного раствора с 60 до 20 °С? Рис. 90. При засолке огурцов используют раствор поваренной соли — хлорида натрия Домашний эксперимент LiJ Определите массовую долю сахара в чае, который вы обычно пьёте. Заметьте, сколько чайных ложек сахарного песка вы кладёте в чашку. В чайной ложке помещается примерно 10 г сахара. Измерьте объём чашки и произведите расчёты. ГЛАВА III iOfiOn.fe- Важнейшие классы неорганических веществ в этой главе вы познакомитесь с важнейшими классами веществ. Раз-вещества взаимосвязаны друг с другом, так как из одних можно ^^^v4HTb другие. Как известно, совокупность объектов, связанных различными связями и отношениями, представляет собой систему. Система в переводе с греческого обозначает «целое, составленное из частей^. Из частей состоит и сумма. Но система — это не просто сумма. От суммы система отличается тем, что между частями устанавливаются взаимосвязи, в результате чего система представляет собой единое целое. Многие вещества, имеющие сходный состав и свойства, объединяются в единый класс веществ. Отдельный класс составляют металлы, отдельный класс — неметаллы. Металлы и неметаллы взаимодействуют с кислородом и образуют два класса оксидов — оксиды металлов и оксиды неметаллов. Между этими классами существуют генетические связи (от латинского слова genesis — «происхождение»): оксиды металлов происходят от металлов, оксиды неметаллов — от неметаллов. и другие классы, с которыми мы познакомимся в этой задача — не только выявить эти классы среди множества ®Ыявит^' установить между ними взаимосвязи и отношения, то есть сами ^ классов веществ. Взаимосвязи между отдельными клас- ®азыва^*^^*^^^’ отражающие происхождение одних веществ из других, •^омогу^^ ^адстическими. Генетические связи не единственные, которые нам вычленить отдельные классы веществ и их систему. 109 "1 Горение натрия в Взаимодействие простых веществ приво к образованию не только оксидов, но и ных соединений других классов. Проведём опыт: сожжём кусочек натрид струе хлора (рис. 91). При пропускании в про* бирку с нагретым натрием струи хлора натрд^ загорается. На стенках пробирки образуют(^ белые кристаллики. Это знакомая нам поварев ная соль — хлорид натрия: 2Na + CL = 2NaCl Рис. 91 Хлорид натрия, как можно судить по составу, не относится к оксидам. Он относится к особому классу, с которым нам предстоит познакомиться далее. 1. Составьте уравнение реакции между алюминием А1 и хлором С1. Дайте название продукту реакции. Представители каких классов взаимодействуют между собой в этой реакции? Для понимания состава, строения и свойств веществ этого класса вам понадобятся знания из курса физики о строении ^ома. Вспомним то, что вы знаете о строении атома. 2. Вспомните, какие частицы входят в состав атома, какие заряды они имеют. Рис. 92. Траектории альфа-частиц в опыте Э. Резерфорда К началу XX столетия было известно, что атом имеет сложный состав. Об этом свидетельствова!^ различные опыты, проводимые учёными мира. Вам известен опыт Эрнеста Резерфорда-В 1910 году английский физик пропускал через тончайшую золотую фольгу поток положительно заряженных частиц (альфа-частиц) и наблюдал их траектории (рис. 92). Оказалось, что большинство частиц пролетало сквозь фольгу, часть из них меняла траекторию и отклонялась от прямолинейного пути. Е0' ничные частицы отскакивали от фольги в обратной направлении, словно их отбрасывало невидимой си лой. Из опыта учёный сделгш вывод, что в атоме положительный заряд концентрируется в центре ядре. Частицы, составляющие ядро, назвали протО" нами. Позднее выяснилось, что кроме них в яДР® находятся нейтроны. 110 опытов Резерфорда в результате многолетних опытов было дока-За 13 лет ДО частицы, несущей минимальный заряд отрицательного элек-зано сУ“®^'^о‘’^^частицу назвали электроном. Резерфорд «нашёл» место в атоме трячества. Эту движутся вокруг ядра. Такая модель атома объясняла для этих р атома в ЮО 000 раз превышает размер ядра. Поэтому альфа- его опыт. проникают сквозь фольгу, и только редкие частицы сталки- частицы сво тлмрнно они, отталкиваясь от одноимённо заряженного ядра, „а г ядром, , ваются I' ^ отную сторону. Движущиеся электроны составляют электронную отлетают в занимает огромное пространство по сравнению с ядром. оболочку атома, ина атом электронейтрален. Это значит, что число электронов (число ^^ательных зарядов) равно числу протонов в ядре (числу положитель-°^^х зарядов). Понятно, что электроны удерживаются вокруг ядра силой ^^итяжения противоположных зарядов. Однако электроны могут покидать атом или присоединяться к нему. Тогда атомная частица приобретает положительный или отрицательный заряд. Она в этом случае называется ионом. Ионы образуются в химических реакциях при взаимодействии металла с неметаллом. Такую реакцию мы наблюдали на опыте при взаимодействии натрия и хлора. Рассмотрим этот процесс. Атом натрия имеет И протонов и 11 электронов. Как видим, число положительных и отрицательных зарядов скомпенсировано, и атом натрия не имеет заряда. Если один электрон удалить из атома, то их число станет 10 с общим зарядом -10. Отсюда заряд z образовавшейся атомной частицы — иона — равен: Z = (+11) + (-10) = +1 Так атом натрия превращается в положительно заряженный ион: Na“ - 1е -+ Na* Атомы хлора, напротив, присоединяют электроны. При этом атом хлора превращается в отрицательно заряженный ион. В ядре атома хлора протонов и 17 электронов, движущихся в поле ядра. 06-протонов равен +17, а общий заряд электронов составляет -17. ЛП1. ^ ®'^'пму хлора присоединить один электрон, то отрицательных заря-становится на один больше (-18): 2 = (+17) + (-18) = -1 С1“ + 1 е -+ С1-^ С ^тся аят заряд иона натрия с номером группы, в которой нахо- слр ’ з^Ряд иона хлора с номером группы хлора. Какие выводы яать из этого сопоставления? 111 Во многих случаях величина заряда иона совпадает с валентностью ■ может быть определена по номеру группы, в которой находится элем Положительный заряд иона часто равен номеру группы. У тех элемент ' у которых валентность не совпадает с номером группы, заряд ионов опре^ деляют по известной валентности. Так, ионы железа имеют заряды +9 или +3, ионы меди в большинстве случаев имеют заряд +2, а хрома___ что соответствует величинам их валентностей. ’ 4. Сколько электронов следует отнять у атома железа, чтобы npeepaj тить его в ион с зарядом +3? Напишите схему превращения атома железа в трёхзарядный ион. Величина заряда отрицательного иона элемента-неметалла совпадает с его низшей валентностью. Его величину можно вычислить, вычитая из номера группы, в которой находится элемент, число 8. Например, хлор находится в седьмой группе. Заряд хлорид-иона равен 2=7-8=-! Некоторые элементы не образуют ионов с зарядами, равными номеру группы. Например, в соединениях не бывает ионов С"*" или С"*'. Обычно величины зарядов невелики. Для положительных ионов они равны -К, +2, -ЬЗ, а для отрицательных -1, -2. 5. Определите величины зарядов элементов-металлов магния, лития, кальция; элементов-неметаллов фтора, серы, брома. § 22. Бинарные соли 1 Рис. 93. Кристаллическая решётка соли — хлорида натрия Хлорид натрия — типичный представитеяй соединений, образующихся в реакциях между металлами и неметаллами. В природе и в лаборатории известно множество подобных веществ. Они относятся к классу солей. Образовавшиеся из атомов элемента-металла и элемента-неметалла ионы соединяются друг с другом в кристалл соли (рис. 93). Как можно видеть, одни^ узлы кристаллической решётки соли занята отрицательными, а другие — положительными ионами. Таким образом, для солей характерно ионное строение. Их кристаллы так и называв*? ионными. Ионные кристаллы являются разно ^ 112 I » 9 т в- м в* г т m «и 00 я» 10- Ионное строение кристаллических решеток солеи легко доказать на опыте. Как известно из физики, растворы солей проводят постоянный электрический ток. В сосуд с раствором хлорида натрия опустим угольные электроды, подключив их к электрической лампочке и к источнику постоянного электрического тока (рис. 94, а). Электрическая лампочка тотчас загорится. Это убеждает нас в том, что в растворе соли есть частицы, переносящие электрические заряды — ионы. При обычных условиях ионы в кристалле не могут свободно передвигаться. Поэтому кристаллическая соль не проводит электрический ток, несмотря на наличие в ней зарядов. Об этом свидетельствует опыт (рис. 94, б): электроды опустим не в раствор соли, а в сухую соль. При подключении Г П k,. i ■' — 1 - --(-Г'у) г J 1 ^ iw Рис. 94. Раствор 8. а«к. 6780 соли в воде проводит электрический ток (а), сухая соль ток не проводит (б) 113 прибора к источнику постоянного электрического тока лампочка т загорается. Это означает, что электрический ток через кристаллы не проходит. При растворении ионы кристалла соли подвергаются действию моле* кул воды и в результате переходят в раствор. В нашем опыте при растай рении хлорида натрия в раствор переходят ионы натрия и хлора. В элец * трическом поле ионы, находящиеся близ электродов, притягиваются ним. При пропускании через раствор электрического тока отрицательные ионы хлора движутся к положительному электроду, а положительн!® ионы натрия — к отрицательному электроду. При этом происходит передача зарядов между ионами и электродами. Опыт доказывает, что продукт реакции между простыми веществами имеет ионное строение. Итак, между солями и простыми веществами существует генетическая^ связь. металлы соли неметаллы В реакциях образования солей металлы и неметаллы играют противоположные роли. Мы уже обсуждали противоположность их физическизЬ свойств (хрупки — ковки, электропроводны — неэлектропроводны и т. д.). Также противоположны химические свойства металлов и неметаллов. Противоположность свойств проявляется в реакциях их друг с другом; атомы металлов в этих реакциях образуют положительные, а атомы неметаллов — отрицательные ионы. В противоположности свойств реагирующих веществ проявляется всеобщий закон природы: единство и V. -f С Uв^ I МцЭгИ j J ' < FeCI, Рис. 95. Образцы бинарных солей борьба противоположностей. В химии этот закон выражается в том, что вещества с противоположными свойствами взаимодействуют между собой и образуют новое вещество» непохожее на исходные. В реакциях между металлами и неметаллами такими веществами являются соли* Состав солей определяется величинами зарядов ионов, образуюЩЯ* соль. Все вещества электрически нейтральны. Это значит, что число положительных и отрицательных зарядов в составе соли одинаково* Например, в сульфиде калия поло 114 цОЙ8 ЙОЯОВ фйда „ заряд иона калия (+1) вдвое меньше отрицательного заряда ^ягельный J -2) Поэтому в составе соли ионов калия вдвое больше, чем ..г,па серы I иона приходится один ион S^'. Состав суль- к^^ия выражается формулой K^S. Равны ли численно заряды двух ионов элементов в соединениях ci КВГ, BaS? йы составить формулу соли, нужно пользоваться модулями заря-же как валентностью. В формулах солей на первом месте записы-ДО®’’а*^ ’ читального иона, а на втором — знак отрицательного. азваниях солей сначала называют отрицательный ион (от латинского названия с суффиксом -ид), а затем положительный: Nal — иодид натрия, К S — сульфид калия. 2 Напишите уравнения реакций между хлором Clg и калием, серой S и магнием, иодом I2 и кальцием. Дайте названия солям. Укажите, из каких ионов состоят кристаллические решётки полученных солей. Вопросы и задания 1. 3. 4. Какие соединения называют бинарными? Приведите примеры бинарных соединений, относящихся к солям. Охарактеризуйте физические и химические свойства металлов и неметаллов. В чём причина реакций между ними? Какую роль играют в реакциях элементы-металлы и элементы-неметаллы? Как определить величину заряда иона элемента-металла и элемента-неметалла? Определите величины зарядов ионов алюминия, бария, цезия, иода, теллура. Напишите схемы их образования. Напишите формулы солей, образованных ионами и С1‘, Са®’" и F', Сг®+ и S®', Na'*' и S®', Fe®^ и С1', и дайте им название. • Составьте формулы хлорида бария, иодида калия, бромида бария. Из каких ионов они состоят? Определите заряды ионов по номеру группы элементов в периодической системе. Составьте уравнения реакций по-g ?^®ния этих солей из соответствующих металлов и неметаллов. уравнения реакций между фосфором Р и серой S, натрием а и иодом 1^, кальцием Са и хлором Clg, магнием Mg и бромом Вг^, ^лём С и водородом Н^, литием Li и серой S, калием К и хлором Clg. ния**^ полученных соединений относятся к солям? Дайте им назва-7, ^пажите, из каких ионов состоят эти соли. тате массой 3,175 г всыпали в нагретые пары серы. В резуль- ® образовалось 3,18 г продукта. Каков состав продукта? Найдите 8* 115 его формулу, учитывая, что в остатке осталось 0,635 г непрореа вавшей меди. Напишите уравнение реакции и назовите её продуц.^ 8. Минерал карналлит проанализировали в химической лаборатории. qI V ’ залось, что во взятом образце содержится 5,85 г калия, 3,60 г магл^ и 15,98 г хлора. Какие бинарные соли входят в состав карналл Дайте им названия. § 23. Реакции между оксидами. Соли со сложными ионами Класс солей объединяет не только бинарные соли. Есть в природе жество солей, которые в своём составе содержат сложный отрицатель) ион. Примерами таких солей являются сода Na^COg, селитра KNOg, BaSO , форстерит Mg SiO и другие. 1 На рис. 96 изображена кристаллическая структура нитрата калия — соли со сложнытд отрицательными ионами. Кристаллические решётки этих солей, так же как и бинарных, состоят из ионов, но в них одни узлы заняты простыми положительными ионами, а другие — сложными отрицательными ионами. Рис. 96. Структура нитрата калия 1. Определите формулу соли тринатрий(1юс-фата (продаётся в хозяйственных магазинах как умягчитель воды), если он содержит 42,07% на-' трия, 18,90% фосфора, 39,03% кислорода. Как же образуются соли со сложными ионами? Как можно видеть из структуры нитрата калия, сложный отрица' тельный ион состоит из атома неметалла и атомов кислорода. Поэтому можно предположить, что такие соли образуются при взаимодействия веществ, содержащих в своём составе атомы кислорода. Мы знаем, что кислород содержат оксиды. Выдвинем гипотезу, что такие соли обрЧ' зуются при взаимодействии оксидов. Для проверки гипотезы проведём опыт. В круглую колбу (рис. 97) местим оксид кальция и взвесим её. Затем через колбу пропустим уг-’’® кислый газ. Через некоторое время снова взвесим колбу, предварительяо пропустив через неё воздух, чтобы вытеснить тяжёлый углекислый газ< Масса колбы увеличилась. Это означает, что произошла реакция: оксй^ металла (СаО) взаимодействует с оксидом неметалла (СО^). [- I СаО + СОд = СаСОд 116 Рис. 97. Взаимодействие оксида кальция с оксидом углерода Проведённый опыт доказывает, что оксиды металлов и оксиды неметаллов обладают противоположными свойствами, как металлы и неметаллы. Как будто металлы и неметаллы, образуя оксиды, передали им противоположность свойств. Поэтому оксиды металлов взаимодействуют с оксидами неметаллов. При этом образуются соли — вещества, в которых противоположность свойств веществ, их образовавших, угасла. Как мы знаем, элементы-металлы в периодической системе Менделеева находятся в первой половине периода, а элементы-неметаллы — во второй. В том же порядке следуют оксиды металлов, соответствующие элементам-металлам, и оксиды неметаллов, соответствующие элементам-неметаллам. Na Mg А1 элементы-металлы Na,0 MgO А1,Оз Si SiO„ Р S элементы-неметаллы Cl оксиды металлов so„ С1А оксиды неметаллов аия *^Ротивоположности химических свойств оксиды натрия, маг- серы т^*^***^^^ вступать в реакции с оксидами кремния, фосфора (V), Сл ' (VII). В результате образуются соли со сложными иона- ®Рактич °'^метить, что не все подобные реакции можно осуществить Например, оксид хлора (VII) — это чрезвычайно неустойчи-Дить ^врывающаяся от удара и трения. Поэтому трудно прово- Реакции и окр(, ■ этим оксидом. Рассмотрим реакцию между оксидом маг-м серы (VI), в результате которой образуется сульфат магния: MgO -ь SO3 = MgSO^ 117 MgO d Mg О О Рис. 98. Модельная схема взаимодействия оксидов На модельной схеме (рис. 98) показана перегруппировка атомов в ходе i этой реакции. 41' В результате реакции образуются ионы. Молекулы SO3 превращают^^ в сложные отрицательные ионы 80^*, присоединяя атомы кислорода от > оксида магния. Атомы магния при этом превращаются в ионы магния Mg^". Образовавшиеся ионы составляют кристалл соли сульфата магния, MgSO^. Как видим, оксид металла образует положительные ионы, а ок-' СИД неметалла — отрицательные. В этом проявляется противоположность свойств оксидов металлов и оксидов неметаллов. Раствор этой соли проводит электрический ток, в чём можно убедиться на опыте. В растворе сульфата магния электрические заряды переносят простые положительные ионы Mg^* и сложные отрицательные сульфат-ионы SO4'. Вы заметили, что в состав нитрата калия входят сложные ионы треугольного строения, а в состав сульфата магния — тетраэдрическо!^^^, Такое строение имеют многие сложные ионы (рис. 99). Сложные ионы треугольного строения образуют некоторые элементы* неметаллы 2-го периода: один атом элемента-неметалла связан с тремя атомами кислорода, каждый из которых находится в углах воображаемого треугольника. Для элементов-неметаллов 3-го периода характерно тетраэдрической строение сложного иона: атом элемента-неме талла связан с четырьмя атомами кислорода* находящимися в углах равносторонней трех гранной пирамиды — тетраэдра. Нужно отметить, что при образовании слоис^ g ных ионов указанной формы элементы ^ ляют высшую валентность. Если валентное Рис. 99. Модели сложных „ л„г.г,1игя сЛО»' ионов: а - треугольной, элемента-неметалла понижается, ТО форма cj б — тетраэдрической форм ного иона меняется. 118 из пластилина модели сложных ионов, образованных п Изготовьте Дайте названия ионам. ОМИ фосфора и азота, образуется от латинского наименования эле-дазвание с образующего ион, с помощью суффикса -am. Так, ион J,eнтa'ЯC^^®’^^^д’oyJJьфaт-иoнoм от латинского sulfur — «сера». Сложные gQ2- вазыв также элементами-неметаллами с более низкой валент- ионы ‘^^р^^ссматривать их сейчас мы не будем. достью- н иона можно вычислить, зная валентности элементов. »ЗяпЯД СЛОЖИиА^^ валентности элемента-неметалла и суммарной валент-Он атомов кислорода. Например, заряд сульфат-иона есть раз- аости ®^^gjj^gocTH серы (VI) и суммарной валентности четырёх атомов кислорода. 6 - 2 X 4 = -2 3. Вычислите заряды фосфат-иона (POJ‘" и нитрат-иона (NOg) ". Напишите их формулы и укажите заряды. В таблице 3 приведены формулы сложных ионов элементов-неметаллов 2-го и 3-го периодов. Фтор сложных ионов не образует. Таблица 3. Состав и структура сложных ионов Период 2 3 Элемент В С N Si р S С1 Группа III IV V IV V VI VII Формула оксида ВРз СО, N3O3 SiO, Р2О5 S03 C1303 Структура сложного иона Формула СЛОЖНОГО иона Низвание сложного Иона вог сог N0; SiOj- РОГ SOl~ сю; борат- ион карбонат- ион нитрат- ион силикат- ион фосфат- ион сульфат-ион хлорат- ион Как Ион знаете, состав соли определяется ^ состоящая из ионов Са^* и NOj> имеет состав, ‘ Ь1И формулой V I > *УЛ0Й Са(Шз)^. Она означает, что в кристалле соли на каждый 119 ион кальция приходится два нитрат-иона. При таком соотношении положительных заряда иона кальция нейтрализуются отрицательн! зарядами двух нитрат-ионов. Чтобы отразить соотношение ионов в фопцпГ де соли, формула нитрат-иона заключается в скобки, а индекс ставя^ скобкой. Он относится ко всему иону. При составлении названий соли сначала называют отрицательный а затем положительный ион. Например, Са(НОз)2 — нитрат кальцц^' Na^SO^ — сульфат натрия. ’ 4. Составьте формулы карбоната калия и фосфата калия. Какие оксиды нужно взять для образования этих солей? Напишите уравнения соответствующих реакций. Можно провести несколько реакций, взаимосвязанных между собой участием одних и тех же элементов. Например: Са СаО СаСОд Для указанного превращения нужно осуществить две реакции: 2Са -Ь Од = СаО СаО + СОд = СаСОд 5. Напишите уравнения реакций следующих превращений: р^рр^^КдРО, Итак, соли могут быть получены из простых веществ и оксидов, которые, в свою очередь, происходят от простых веществ, что отражаете» схемой взаимосвязи веществ: Соли широко распространены в природе. Они образуют многие минера лы: карбонат кальция образует целый ряд минералов (мрамор, известия^ исландский шпат), хлорид натрия — минерал галит, сульфат натрия мирабилит, сульфат кальция — ангидрит и гипс, сульфат бария " рит, хлорид калия — сильвин. Минералов солевого происхождения оч много. 120 в ОКси-[ СООТ- собой , кото-кa.efSШ инеря' !СТЯЯв> рия ба* I очень содергкнтся в клеточном соке, вхо-состав различных живых тканей: кост-^нервной, мышечной и других. С уча-ионов солей происходят многие про-в живых организмах. Например, с ^^мощыо ионов натрия Na' происходит пе-°°дача нервных сигналов, благодаря чему ^ивой организм воспринимает внешнюю информацию и реагирует на неё. Ионы кальция Са^^ нужны человеческим и животным организмам для роста костей, зубов, ионы калия К‘ — для расслабления сердечной мышцы, ионы хлора С1" для поддержания кислотности в желудке и так далее. В раствор хлорида натрия погружён наш мозг. Соли важны и для растений. Недостаток определённых солей в почве приводит к угнетению растений. Поэтому многие соли применяют в качестве минеральных удобрений для сельскохозяйственных культур. Велика роль солей в промышленности. Их используют для получения стекла, масляных художественных и малярных красок, мыла, при получении металлов, важных химических веществ и других. Рис. 102. На портрете Анны Ахматовой художник Альтман применял краски, в состав которых входят соли Рис. 100. Карбонатные соли в пещере Нового Афона (Абхазия) Рис. 101. Кораллы строят свой скелет из карбоната кальция 2Пз(Р0^2. ВаЗОд ||\ CdS + CdSe NajSi03 + А12(ЗЮз)з + МЭзЗ Вопросы и задания Чем отличаются соли, полученные при j^e особенности бинарных соней, полученных из простых веществ? Какие ®®ч>единяют и те и другие в один класс солеи. И 2. 3. Вычислите заряды ионов рые имеют строение тетрад (рис. 99, б), если в центре полагаются атомы седев мышьяка, брома. Высшую) ^ лентность элементов опредед те по номеру группы. * Составьте формулы и дайте ва'< звания солям, образованны^^ ионами: а) и SO^ РОГ в) Li^ и N0: и SiO^ , д) Fe®* и SOf и no; 4. ж) Са2* и СОГ б) К^а I’) Са»‘ , е) Ва^^ Рис. 103. Структуры солей; а — хлорида лития, б — фторида кальция, в — карбоната кальция, г — сульфата бария Напишите уравнения реакций между следующими оксидами: а) оксидом магния и оксидом кремния, б) оксидом лития и оксидом азота (V), в) оксидом калия и оксидом углерода, г) оксидом бария и оксидом фосфора (V), оксидом цинка и оксидом серы (VI). Назовите полученные соли. 5. На рис. 103 показаны кристаллические структуры солей. Из каких веществ можно получить эти соли? Напишите уравнения реакций получения указанных солей. 6. В качестве удобрений широко применяют соли: фосфат кальция, карбонат калия. Определите заряды ионов, из которых состоят эти соли, и напишите их формулы. Напишите уравнения реакций получения этих солей из оксидов. 7. Какие оксиды нужно взять для получения солей: а) Na^PO^, б) KjCOj, в) CuSO^, г) КдРО^, д) MgSiO^? Дайте названия этим солям. Составьте уравнения цепи превращений: Р —> Р^О^ Mg3(PO^)2; MS —> MgO —> MgSO^. Назовите продукты реакций. Из каких веществ можно получить следующие соли: фосфат цинка> хлорид железа (III), сульфат алюминия, сульфид алюминия, иодиД калия, карбонат магния. Составьте уравнения реакций. 10. Анализом установлен следующий состав соли: 32,39% натрия, 22,54% серы, 45,07% кислорода. Дайте название соли. Из каких ионов ояа состоит? Какую форму имеет отрицательный ион? 8. 9. 122 24. Состояние солей в растворе Из по исследованию электропроводности раствора соли сделали вывод, что в растворе появляются свободно дви-(рис. 3 твёрдой соли ионы закреплены в кристаллической ре- 5^ущиеся переносить заряды. Следовательно, ионы соли разъеди- ^^дд^-д.гвием молекул воды. яяются „яппяла вещества на ионы в растворе под воздействием моле-*^створителя называется электролитической диссоциацией. кул pai На рис. 104 НИИ хлорида калия показана модельная схема электролитической диссоциа- ©’J Рис. 104. Модельная схема диссоциации хлорида калия Этот процесс можно записать с помощью уравнения: КС1 = -t- С1- Соли со сложными ионами диссоциируют в растворе на ионы, так же как и бинарные соли. При диссоциации бинарных солей в растворе образуются простые ионы, а при диссоциации солей со сложными ионами — сложные (сравните рис. 104 и 105). Группа атомов, образующих сложный «6. Чи*’ л ^ Рис. 105. Модельная схема диссоциации нитрата калия 123 ион, в растворе остается как единая целая частица, атомы которой диссоциации не обособляются, например: KNO3 = К* + NO3 В электрическом поле положительные ионы движутся к катоду цп му эти ионы называют катионами. Отрицательные ионы называют нами, так как они движутся к аноду. При написании уравнения электролитической диссоциации нужно уч тывать состав соли, а также равенство положительных и отрицательнь'" зарядов в растворе. В целом раствор остаётся электронейтральным. щ пример, при диссоциации сульфата алюминия на каждые два иона алюминия образуется три сульфат-иона. В таком соотношении они входят в состав соли: А1з(80^з = 2А1*- + 3SOI Общий заряд двух ионов алюминия [(+3) х 2 = -ь6] нейтрализует общий заряд трёх сульфат-ионов [(-2) х 3 = -6]. 1. Составьте уравнения электролитической диссоциации сульфата натрия, хлорида цинка, фосфата калия. Далеко не все соли заметно растворяются в воде. Многие соли труднорастворимы. При контакте таких солей с водой ионы переходят в раствор в очень небольших количествах. Одна из наиболее трудно растворимых солей — сульфат бария — растворяется в ничтожных количествах: в 100 г воды при 20 ”С растворяется 0,000285 г этой соли. При такой ничтожной растворимости в растворе на 4,6 миллиона молекул воды приходится по одному иону бария и сульфат-иону. Небольшая растворившаяся часть соли находится в растворе в виде ионов: BaSO^ = Ва"’ -ь SOf Представления о растворимости солей даёт таблица растворимости (см. таблицу на заднем форзаце). В ней буквой р помечены хорошо растворимые соли, а буквой т — труднорастворимые. Отмечены также малорастворЧЕ мые соли (буквой м), которые занимают промежуточное положение между растворимыми и труднорастворимыми солями. Это говорит о том, что рез" кой границы между труднорастворимыми и растворимыми веществами нет. Способность к электролитической диссоциации является общим свойством многих соединений. 0 Вещества, способные под воздействием растворителя (воды) подвергаться электролитической диссоциации, относят к электролитам. Те вещества, которые не могут диссоциировать на ионы, относят к неэлектр® литам. Следует выделить характерную особенность электролитической дйсс<^ циации солей, которая помогла бы отличить этот класс веществ от ДрУ^"^ электролитов. 124 »- f r tx вьте уравнения электролитической диссоциации сульфата 2- хлорида хрома (III), нитрата бария. Сопоставьте уравнения и меД‘^ (I найти общую особенность диссоциации всех солей. достараитес но видеть, что все соли диссоциируют на катионы и анионы. Ка-образуются из атомов элементов-металлов. Анионы же образованы тионы вд.^ов.неметаллов и могут быть простыми или сложными. Как ул<е отмечалось, между металлами и неметаллами нет резкой гра-Некоторые металлы, имеющие высокие валентности, также могут ””^^'овывать анионы. Например, марганец, находящийся в VII группе, ует анион МпО^ , в котором он проявляет высшую валентность (VII). В низшей валентности он образует катион Мп2\ Выделив существенное свойство, можно дать определение солям. 0 Солями называются сложные вещества, которые при растворении диссоциируют на катионы, образованные атомами элемента-металла, и простые или сложные анионы. Из природоведения и житейских наблюдений вы знаете, что раствор соли в открытом сосуде долго сохраняться не может. Вода испаряется, а растворённая в ней соль начинает кристаллизоваться. При испарении воды раствор становится насыщенным. Катионы и анионы в насыщенном растворе, притягиваясь друг к другу, образуют кристаллы соли. ^нссчитайте массовые доли голей NaCl, KI, CaSO^ в насыщенных растворах при 20 “С. В 100 г °ДЬ1 при этой температуре раство-NaCl, 144 г KI, 0,16 г ■'4* гя быстро кристаллизуют- ных ^ охлаждении насыщен- РДствор^^^^^*^^' насыщенный темпера при высокой выде;,_ори понижении её Ряется 36 г CaSO гляется при какое-то количество Рис. 106. Отложение солей на поверхности земли из концентрированных грунтовых рассолов (Турция) 125 JHO. СОЛИ. В природе процессы кристаллизации происходят постоянно. R солёных озёр покрыты слоем выкристаллизовавшихся солей. Этц используют в качестве сырья для химической промышленности. Вопросы и задания I 1. Какие соединения относятся к солям? Какой процесс называется эдек тролитической диссоциацией? Какие причины её вызывают? 2. Напишите уравнения электролитической диссоциации следующих со лей: а) сульфата калия, б) фосфата натрия, в) хлорида алюминия" г) карбоната натрия, д) нитрата меди (II). ’ 3. Какие соли образуются при кристаллизации из растворов, содеря<{[. щих ионы: а) Mg^'^ и СГ, б) А1®"" и SOf 4 в) К'' и СЮ^, г) Рис. 107. Кристаллические решётки хлорида цезия (а) и хлората натрия (б) и N0’, д) Са^-" и СГ ? Напишите их формулы и дайте названия. 4. На какие ионы диссоциируют соли хлорид цезия и хлорат (VII) натрия, кристаллические структуры которых представлены на рис. 107. Напишите уравнения их диссоциации. 5. Определите по таблице растворимости, какие из перечисленных, солей относятся к растворимым, малорастворимым, труднорастворимым: хлорид меди (II), сульфид свинца, карбонат лития, 6. сульфат железа (III), фосфат кальция, иодид свинца (II). Составьте формулы указанных солей и уравнения диссоциации растворимых солеи. Рассчитайте массу выпавших кристаллов нитрата калия, если ЮО г насыщенного раствора этой соли охладили с 80 “С до 20 °С. В 100 г воды при 80 °С растворяется 168,8 г соли, а при 20 °С — 21,2 г. Домашний эксперимент 1 Растворите в половине стакана горячей воды столько поваренной соли, чтобы получился насыщенный раствор (на дне остаются нерастворённые кристаллы). Профильтруйте раствор через вату и поместите его в эмалированную кружку. Поставьте раствор на огонь и выпаривайте до 126 появления на его поверхности кристаллической плёнки. Снимите раствор с огня и охладите. Наблюдайте появление кристаллов при охлаждении. При быстром остывании образуются мелкие кристаллы. а при медленном — крупные. Для получения крупных кристаллов сосуд с раствором следует поместить в такое место, где температура остаётся постоянной и раствор будет испаряться медленно. Раствор следует накрыть фильтровальной бумагой или стеклом, чтобы сохранить его чистоту. Один из более крупных кристалликов можно приклеить на волос или капроновую нитку и опустить в холодный насыщенный раствор. Постепенно кристалл будет увеличиваться. Так можно вырастить достаточно крупный кристалл. Если в насыщенный раствор опустить проволочку, изогнутую в виде какой-либо фигуры, например в виде цветка, то на ней осядут кристаллики, и вы получите забавное изделие из кристаллов. Рис. 108. Кристаллизация соли из раствора § 25. Ионные реакции NaCI Труднорастворимые соли могут образовываться в результате реакций между растворимыми солями. Сольём растворы хлорида натрия и нитрата серебра. Выпадает белый осадок (рис. 109). Как известно, осадок — это мельчайшие Щупинки нерастворимого веш,ества, которые сначала находятся в растворе во взвешенном состоянии. При этом раствор мутнеет. Со вре- м крупинки нерастворимого вещества осе-на дно. опыте? выпало в осадок в нашем Ной с ®®^®Рёмся в этом с помощью модель-нндно^^***"^ реакции (рис. 110). На схеме сеп1^^° кристаллы хлорида натрия и нитра-Рн в растворе диссоциируют на ионы. NaCl = Na" ci- АеЫОз = Ag' -ь no: Рис. 109. Образование осадка при сливании растворов 127 = ^ л„мгл _ . , NaCI = Na’ + Ch nh> § ' f AgNOj - Ag* + mq^ Na* + NO, Na* AgCI Na* + NO: ci- O Ag^ ^ no: Рис. 110. Модельная схема ионной реакции При сливании растворов образуется смесь ионов; Na^, Ag*, СГ, NOj-Ионы в растворе движутся беспорядочно и постоянно сталкиваются друг г ■ другом. Сталкиваться ионы могут в различных комбинациях: Na^ с Cl. ^ Na^ с NOg, Ag^ с NOg, Ag" с Cl*. При столкновении трёх пар образуются^ растворимые соли. Они остаются в виде ионов, и изменений не происходит. При столкновении Ag" с С1* образуется нерастворимая соль — хлориД серебра AgCl. Она выпадает в осадок: Ag- -f Cl- = AgCl i В растворе остаётся нитрат натрия, который можно выкристаллизо^ вать при выпаривании раствора. Соли как бы обменялись ионами, ^ результате реакции образовались две новые соли: нерастворимый хлор серебра и растворимый нитрат натрия. Можно записать уравнение э реакции: AgNOg -I- NaCl = AgCl i -I- NaNOg 128 pc IT, CO- ЙД Kt . в вЯ к не выпал, то в растворе образовалась бы просто смесь растворы нитрата калия KNOg и хлорида натрия NaCl. Подолов- ^■"^’донами должны образоваться нитрат натрия NaNOg и хлорид обмена калия Предположим, что произошла реакция: ^ ■ KNOg + NaCl = KCl + NaNOg изменений при сливании взятых растворов не наблюдаем. Что-Одяако составим ионное уравнение, когда вместо фор- бы соли записывают формулы ионов, из которых она состоит, ^улы ^ рассматриваемом процессе растворимы: К" + N0* + Na + 01- = К" -f 01- + Na ^ + no: Как можно убедиться, нового веш;ества не образуется, следовательно, веакция не происходит: KNOg + NaOl 5^ KOI + NaNOg Определить возможность реакции можно с помощью таблицы растворимости. Посмотрим, возможна ли реакция между растворами сульфата натрия и нитрата бария: NagSO, + Ba(NOg)g = BaSO^ + 2NaN0g По таблице растворимости определим, что нитрат натрия растворим, а сульфат бария нерастворим и выпадает в осадок (покажем это стрелкой). Следовательно, реакция происходит. Вывод подтверждается опытом: при сливании растворов названных солей выпадает белый осадок. С помощью ионного уравнения проследим, какие изменения происходят с веществами. Для этого состав растворимых солей запишем в виде ионов, а состав нерастворимой соли — полной формулой. Получим полное ионное уравнение: 2Na" -ь SOf -ь Ва^+ -н 2N0g = BaSO^ -ь 2Na-^ -f 2 NO' Ионное уравнение можно записать в краткой форме: краткое ионное уравнение. Для этого опустим те ионы, которые не претерпели изменений: Ва^^ -I- 80Г = BaSO, J, fCn ^ уравнение показывает сущность реакции. Данная вении в том, что ионы бария и сульфат-ионы при столкно- Реа нерастворимую соль, которая выпадает в осадок. ®®“олож солями происходят благодаря взаимодействию проти- ^ит и р ^^Ряженных ионов. Значит, принцип противоположности ле-В реакций. pgn Р®®*^Ции происходит обмен ионами между солями. Поэтому ®®мева, ИТ,,, ® растворах электролитов называют реакциями ионного "^и ионообменными. • «780 129 Вопросы и задания .1. 3. 4. 5. Пользуясь данными таблицы растворимости, укажите, какие солц падают в осадок при сливании следующих растворов: а) нитрата се ра и хлорида калия, б) хлорида алюминия и нитрата серебра, в) cv фата калия и хлорида бария, г) нитрата бария и сульфата железа fiTn Составьте уравнения реакций, запишите их в общем и в ионном (по ■ ном и кратком) виде. Какие соли выпадают в осадок в этих реакцид^^ Почему из разных солей образуются одинаковые осадки? Растворы каких солей можно взять для получения: а) карбоната маг ния, б) фосфата кальция, в) сульфата свинца (II), г) карбоната бария?. Составьте общие и ионные уравнения реакций. Слили растворы солей: а) хлорида кальция и нитрата меди (Ц) . б) нитрата кальция и карбоната калия, в) хлорида цинка и сульфида натрия, г) сульфата магния и хлорида натрия, д) хлорида цинка и фосфата калия. В каких случаях реакции происходят? Каков признак осуществившихся реакций? Составьте уравнения реакций, запишите их в общем и ионном виде. Какие два варианта сочетания солей приведут к образованию: а) карбоната лития, б) иодида свинца (II), в) сульфида железа (II), г) фосфата бария? Составьте уравнения реакций, выразите их в ионном виде. Составьте уравнения следующих превращений: 80,-^80з- Na^SO, PbSO. Fe ^ FegOg —> Fe2(SO^)g —> BaSO^ C ^ СОз -> Na^COg ^ MgCOg Zn ^ ZnO ^ ZnSO^ -> Zn3(PO^)3 К уравнениям ионообменных реакций составьте полные и краткие ион- ные уравнения. Домашний эксперимент I / И В одном сосуде растворите тринатрийфосфат, а в другом — ляпис (нитрат серебра). Ляписный карандаш можно купить в аптеке. Слейте растворы. Опишите наблюдения. Вы можете попробовать слить растворы других имеющихся в доме солей (медного купороса, поваренной соли — хлорида натрия, стиральной соды — карбоната натрия) и поэкспериментировать с ними. 130 1 ^аборзгориз^ работа «Ионные реакции» ание малорастворимого или труднорастворимого соединения Образо ^ обнаружения в растворе того или иного иона. Так, образо-использу!®’*^ jjpjj добавлении раствора хлорида натрия к неизвест- рание бе ^ указывает на присутствие в исследуемом растворе ионов вому с помощью растворимой соли серебра можно обнаружить серебра растворе ионы хлора С1'. Вещество, с помощью которого * ивают тот или иной ион в растворе, называют реактивом на дан- обяару Растворы солей серебра являются реактивами на ионы СГ, а растворимые хлориды — реактивами на ионы Ag . I Опыт 1. Обнаружение сульфат-иона. К раствору сульфата на-^ трия прилейте раствор хлорида бария. Что наблюдаете? Составьте ---- уравнения электролитической диссоциации взятых солей, уравнение реакции и её ионное выражение. Объясните причину реакции. Можно ли соли бария использовать для обнаружения сульфат-ионов в растворе? Для доказательства повторите предыдущий опыт, взяв вместо сульфата натрия сульфат магния. Напишите общее и ионные уравнения. п. I о п ы т 2. Доказательство присутствия ионов в растворах. При I помощи имеющихся у вас растворов докажите, что в растворе хлорида натрия присутствуют ионы С1", а в растворе сульфата калия — сульфат-ионы SO^’. Наблюдения занесите в таблицу. Номер опыта Формула исходной соли и её диссоциация Формула реактива и уравнение диссоциации Наблюдение Уравнение реакции и её ионное выражение ^ пыт 3. Определение неизвестного раствора. В двух неподпи-1 санных пробирках даны растворы хлорида кальция и сульфата помощи имеющихся реактивов установите, в ка-■^3 этого^*^^ находится хлорид кальция, а в какой — сульфат алюминия, а в к установить, в какой из пробирок содержатся ионы ^али^нп ~ SOr. Первой ЦП ^°п°Дите в следующем порядке. Отлейте немного раствора из пп обнаруд, ® чистые. К одной части раствора добавьте реактив не хлорид-ионов С1‘, а к другой — на обнаружение сульфат- 131 ионов SO4'. в какой из пробирок выпал осадок? Сделайте вывод, ионов содержался в первой пробирке. Учтите, что сульфат сереб”**'*^ малорастворимая соль. Поэтому ион серебра с сульфат-ионом даёт нение. 'ЮМут. Подобный анализ проведите с содержимым второй пробирки. Ре. таты анализа занесите в таблицу. 'ЗУЛь- Номер Формула Наблюдение Краткое пробир- И название ионное уравнение и название иссл{. ки реактива реакции дуемой соли § 26. Кислоты 1 Принцип противоположности свойств реагирующих веществ в химии распространён широко. Мы изучили реакции между металлами и неметаллами, между оксидами металлов и оксидами неметаллов, подчиняющиеся этому принципу. Например: Nap + SO3 = NapO, Произойдёт ли реакция, если вместо оксида натрия взять оксид водорода — воду? Опыт показывает, что такая реакция происходит очень энергично и сопровождается выделением большого количества теплоты. Запишем уравнение этой реакции: яр + SO3 = H3SO3 Исследуем полученный раствор на электрическую проводимость. На опыте убеждаемся, что раствор проводит электрический ток. Значит, продукт реакции диссоциирует с образованием ионов. На основании состава полученного соединения можно написать уравнение его диссоциации: H3SO3 = 2Н^ + 80^* В растворе находятся ионы водорода Н^ и сульфат-ионы SO^"- При _ ВИЛЬНО ли наше предположение? Появление в растворе сульфат-ионов но проверить с помощью ионной реакции. Прильём к части полученясЯ^ раствора несколько капель раствора хлорида бария. В результате зуется белый осадок, что подтверждает присутствие в растворе сульФ л ионов (рис. 111, а). ^ Ионы водорода обнаруживают с помощью специальных веществ, спо'- ХХЧУХХХ2Х \J\J ПО. у I V 11ITl V/i-Ц О XV/ V/XX JriCWlOri X7X X»4^**-*— собных в их присутствии изменять окраску. Их называют индикагпор^^^ (от латинского indicator — «указатель»). Например, фиолетовый ря^^ 132 в присутствии ионов водо-становится красным. Р®^^.ледуем полученный раствор Sm (РИ«- красный цвет. Следователь-растворе присутствуют ионы ода Н". Итак, соединение, по-при реакции оксида серы т) с водой, диссоциирует на ионы водорода и сульфат-ионы SO, . 1 Составьте уравнение реакции оксида фосфора (V) с водой, а так-ясе уравнение диссоциации продукта реакции. Какие ионы образуются при диссоциации? лакмус Рис. 111. Установление состава серной кислоты; обнаружение сульфат-иона (а) и иона водорода (б) Исследуем индикатором растворы нескольких веществ, содержащих в своём составе атомы водорода: НС1, Н3РО,, HNO3. Во всех растворах лакмус приобретает красный цвет. Это свидетельствует о том, что в растворах взятых веществ присутствуют ионы водорода, которые сообщают веществам общие свойства. HNO3 = н- + no; НС1 = Н" + Cl- Поэтому вещества, в растворах которых есть ион водорода Н^, объединим в отдельный класс. Этот класс веществ называют кислотами. Такое название они получили за кислый вкус. (Пробовать нельзя! Опасно!) ^им определение кислотам. с это сложные вещества, которые диссоциируют в растворе разеванием ионов водорода. ^ионы в составе кислоты называют кислотными остатками. ляется ®^Д®ть, что число атомов водорода в молекуле кислоты опреде-HeMv аниона: каков заряд аниона — столько атомов водорода к У присоединяется. • Составьте формул! AsO^ '4 > КгО^', 1ы кислот по следующим кислотным остаткам: ТеОГ- Сложные кислот, продолжив таблицу 3, в которой приведе- анионы элементов II и III периодов. 133 Таблица 4. Кислоты со сложными ионами Формула сложного аниона вог сог NO3- 8ЮГ SiOj- РОГ SOJ- СЮ; Название сложного аниона борат- ион карбонат- ион нитрат- ион силикат- ион фосфат- ион сульфат- ион Хлор0^. иоа Формула кислоты Н3ВО3 Н3СО3 HNO3 Нз810з H,SiO, Н3Р0, H,SO, нею, Название кислоты борная угольная азотная кремние- вые фосфор- ная серная хлорная Название кислотам дают по названию элемента, который их образует; HgSO^ — серная, HNO3 — азотная. Если по заряду кислотного остатка можно определить число атомов водорода в молекуле кислоты, то и по числу атомов водорода можно определить заряд кислотного остатка в незнакомой кислоте. 3. Определите заряд кислотного остатка по формуле марганцевой кислоты НМпО^, хромовой кислоты HgCrO^. Составьте уравнения их диссоциации. Некоторые кислоты, подобно солям, являются бинарными соединениями. Названия их часто традиционны. К таким кислотам относятся соляная (хлороводородная) НС1, сероводородная H^S, плавиковая (фтороводородная) HF и некоторые другие. 4. Составьте уравнения диссоциации соляной кислоты и хлорида калия, азотной кислоты и нитрата натрия. Сопоставьте процесс диссоциа ции кислот и солей. Какое между ними различие, что общего? Кислоты имеют сходство с солями: у тех и у других анионы одни и т® же. Различие кислот и солей в том, что в качестве катионов в солях выступает ион элемента-металла, а в кислотах — ион водорода. Соли Na NO, = Na^ -Ь NO: HNO3 = Н^ + NO" KCl = К" -Ь Cl- Кислоты HCl = Н' -ь Cl" __________, „ __, в отличие от солей, кислоты не являются ионными В их молекулах ионов нет (рис. 112). Ионы образуются при действии на молекулы кислот. 134 3 о Оф HCI HNO, H,SO, Н3РО, H3S Рис. 112. Модели молекул кислот На рис. 113 приведена модельная схема электролитической диссоциации серной кислоты. 9> О 01 0^ Рис. 113. Модельная схема электролитической диссоциации серной кислоты Итак, кислоты со сложными анионами получают взаимодействием кис лотных оксидов с водой. Оксиды, которым соответствуют кислоты, назы вают кислотными. Бинарные кислоты можно получить из простых веществ с последующим растворением продукта реакции в воде. Так, соляную кислоту полу чают растворением в воде газа хлороводорода, который образуется при взаимодействии водорода с хлором: Иого-лик^^^**’ полученный раствор — кислота, можно с помощью ка- + С\ = 2НС1 Щивается например лакмуса. Лакмус в этом растворе окра- ®°Дорода- ^^Рвсный цвет. Следовательно, в растворе присутствуют ионы Таким -Ь С1- кислоты бывают бинарными, или бескислородными, и *^**освязи *^*^^'’*°'^пыми остатками, или кислородсодержащими. Схема веществ пополняется ещё одним классом. 135 Из схемы видно, что можно осуществить цепь следующих превраще-ний: неметалл кислотный оксид кислота. Например, для осуществления превращений Р ^ НдРО^, необходимо провести следую- щие реакции: 4Р + 50„ Р,0, + ЗН,0 2Р.О, = 2Н3РО, 5. Напишите уравнения реакций для осуществления цепочки превращений С COg —> HgCOg Что получают при насыщении воды углекислым газом? Не все кислоты можно получить при растворении соответствующего оксида в воде. Есть ряд оксидов, которые в воде не растворяются. К ним относится оксид кремния SiO^. Но каждому нерастворимому оксиду соответствует своя кислота. Оксиду кремния соответствует кремниевая кислота H^SiO^. Эта кислота неустойчива. Её молекулы соединяются друг с другом с отщеплением воды уже в момент получения. Например, три молекулы кремниевой кислоты объединяются через атомы кислорода. НО I. НО —Si I О 0- 'Si: он 'si—он I О НО"^ ^он Это не единственный способ объединения молекул кремниевой ты. Объединяться могут 6, 8 и больше молекул. Формулу кислоты, стру ^ тура которой изображена выше, можно записать HgSigOg. Если этой формуле сократить, то получим формулу H^SiOg. Кислотный о этой кислоты — SiOg*. Кремниевые кислоты в воде нерастворимы. 136 '■т ' 114 Кислоты в природе: щавелевая — в щавеле (а) и крапиве (б), лимонная — в лимоне (в), ябл*очная — в яблоке (г), молочная — в кислом молоке (д), муравьи для обороны вырабатывают муравьиную кислоту (е). Кислоты широко распространены в природе. Из своего жизненного опыта вы знаете, что многие продукты питания обладают кислым вкусом. Кислый вкус лимону придаёт лимонная кислота, яблоку — яблочная, скисшему молоку, квашеной капусте — молочная. В листьях щавеля содержится щавелевая кислота. Не все природные кислоты безопасны. Так, щавелевая кислота токсична в больших количествах. В молодых листьях щавеля её мало и вреда от неё не будет. А старые листья в пищу употреблять не следует, так как в них накапливается опасное для здоровья количество щавелевой кислоты. Людям с заболеванием печени и желчного пузыря щавель употреблять не следует. лабо^*^*^^ кислоты, как серная, соляная, азотная и другие, хранящиеся в тем, что вступают в реакцию со многими вещества-лами ц^®^^**^°Л®™’^иуют с бумагой, тканью, кожей и другими материа-кислоть материалах брызги кислоты оставляют дырки. Разъедают ’’ке ткан ткани (человеческую кожу, слизистую оболочку и дру- вызывает попадание кислоты на кожу и в глаза опасно. Она ’'Райне л заживающие язвы. С кислотами нужно обращаться осторожно. 1. Как Вопросы и задания Раст^^ ®®Щества относятся к кислотам? Как убедиться, что данный ®ор является кислотой? 137 2. Составьте уравнения электролитической диссоциации кислот’ ТТ/ЛТ*’ ЛЛ V ТТЛГЧТТЛТ» Т’> \ /V^i’W'kT-r ГЧТж Т/* пт#т*гч ▼ V W V А W I, б) хлорной, в) фосфорной. Какие оксиды нужно взять для^ц^”’' [ИЯ этих кислот? Составьте уравнения реакций. 3. ной, чения этих КИСЛОТУ доставьте уравнения реакций. Составьте формулы и дайте названия кислотам, кислотные которых имеют следующий состав: ВЮ4, SeO^', ЮГ- остат] 4. В шестидесятых годах XX столетия впервые были получены нения ксенона . Среди них кислота, содержащая 1,02% водоп 66,54% ксенона, 32,44% кислорода. Определите формулу ксенон тэлтх 1^т[глттлтг ¥ ^ Кй соедц. а. вой кислоты. 5. 6. 7. Из каких оксидов можно получить следующие кислоты: HNO Н д п ТЛГЧГ» 9 -----------------л___________________ *’ нею ? Составьте уравнения реакций получения этих кислот и уравне- ния их диссоциации. Как назвать эти кислоты? Выпишите формулы солей с общим анионом: Na^PO^, Cu(NO ) AlCl MgSO^, CaCl,, K^SO^, Са(НОз),, Li^SO^, K3PO4, ZnCl^, СазСРО,)^, Ba(N0,/’. C какими кислотами имеют общий анион эти соли? Напищите формулы этих кислот. Дайте названия солям и кислотам. Какие из реакций осуществимы? а) ВаС1з + H3SO4 б) РЬ(ЫОз)з + HI в) KNO3 + НС1 Сделайте вывод: могут ли кислоты вступать в реакции ионного обмена? Ответ обоснуйте. Домашний эксперимент Говорят, что впервые индикаторы обнаружил английский химик Р. Бойль (1663). Случайно капнув серной кислотой на лепесток фиалки, он увидел, что цвет лепестка изменился. Так он обнаружил, что кислоты изменяют цвет окрашенных растительных соков. Исследуйте действие кислот на лепестки цветов, листья различных растений, окрашенные соки. В качестве кислот используйте уксус (6%-ный раствор уксусной кислоты), раствор лимонной кислоты или сока, сок квашеной капусты и другие кислые жидкости. § 27. Взаимодействие кислот с металлами Следуя принципу противоположности свойств реагирующих можно предположить, что кислоты обладают способностью взаимод вать с оксидами металлов, металлами. Проверим предположение ействО" о ъать с икиидами металлов, металлами, проверим предпололчешг*'' -циях кислот с металлами на опыте (рис. 115). Поместим в коничес 138 •да, tofio- Г k Г \NO, H,SO. Cu HNO, Рис. 115. Взаимодействие кислот с металлами ор серной кислоты и опустим в нее колбУ Наблюдаем выделение пузырь- ® испытании газ оказывается водо-ков газа. НР гую коническую колбу поместим азот-® '*^^лоту и опустим в неё кусочек меди, дую е происходит бурная реакция с вы- ® Гением бурого газа. Это оксид азота (IV). Та-^ образом, опыты доказали верность нашего "^радположения: кислоты взаимодействуют с ме- ^^Эти реакции протекают разнообразно. Продуктами этих реакций будут соли и различные газы. В нашем опыте осуществляются реакции: Си -ь 4HNO3 = CuCNOa)^ + 2NO3 Т + 2Н3О Zn + H3SO, = ZnSO, -Ь Н3Т Часто одновременно происходит несколько реакций. Так, при взаимодействии серной кислоты с цинком одновременно идут реакции с выделением водорода (как приведено выше), сероводорода, серы, сернистого газа. Мы рассмотрим только одну разновидность таких взаимодействий, а именно: реакции с выделением водорода. Проведём опыт по исследованию взаимодействия кислоты с разными металлами. Опыт осуществим в приборе, изображённом на рис. 116. Он состоит из пробирки с соляной кислотой (а), газоотводной трубки, конец которой подведён в перевёрнутую пробирку (б), наполненную водой. Водород, который выделится в результате реакции, поступит в пробирку (б) и вытеснит воду. Исследуем отношение к соляной кислоте магния, железа и меди. кусочек металла в пробирку (о), Кой ч её пробкой с газоотводной труб- время, за которое пробирка (б) дордд водородом. В опыте с магнием во-зом п энергично. В опыте с желе- с медыо протекает медленно, а в опыте Зарег**^ никаких изменений не наблюдаем. ^Рпруем наблюдения в специальной Рис. 116. Исследование реакции кислоты с металлом 139 Название кислоты и формула Соляная кислота НС1 Металл магний Mg железо Fe медь Си Время заполнения пробирки Hj, с 620 реагирует активно реагирует неактивно не реагирует Итак, опыты показали, что металл вытесняет из кислоты водород а при этом образуется соль. Наличие соли в полученном растворе можно доказать на опыте: каплю полученного после реакции раствора выпарим на часовом стекле. После испарения воды на стекле остаются белые кристаллики соли. Из нашего исследования следует, что не все металлы могут взаимодействовать с кислотами путём вытеснения водорода. Металлы, вытесняющие водород из растворов кислот, назовём активными, а те металлы, которые водород не вытесняют, — неактивными. В нашем опыте активными металлами являются магний и железо, а медь — неактивный металл. Активные металлы различаются между собой степенью активности. Так, в опыте мы наблюдали большую активность магния и меньшую активность железа. Напишем уравнения проведённых реакций: Mg + 2НС1 = MgClg + HjjT Fe -ь 2HC1 = FeCl^ + Н^Т Расположим исследуемые металлы по убыванию активности в ряд: Mg, Fe, (Hg), Си. Формула водорода в этом ряду делит металлы на активные и неактивные. Все металлы можно расположить в соответствии с их химическ^ активностью в ряд активности. Металлы в нём располагаются следуюЩЯ» образом. Li К Са Na Mg А1 Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H^) Cu Hg Ag Au В этом ряду исследованные нами металлы занимают те полонсевия. которые определились в опытах. Магний располагается в начале менее активное железо занимает место в середине ряда, а медь ° водорода. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода, вытес ^ водород из кислот. Те из них, которые стоят после водорода, такой ностью не обладают. Активность металлов убывает от начала ряда ^ цу. В начале ряда находятся металлы, которые очень активно вытес 140 /.ттпт Реакции некоторых из них (Na, К, Cs, Rb) происходят ^дород « ■ язры®®^' С” уравнения реакций алюминия с соляной кислотой, каль- й кислотой. Какая реакция протекает активнее? Какое влия-цця jjg скорость реакции то, что хлорид алюминия растворим, а °‘‘®^®^ьция — малорастворим? кислоты реагируют с металлами с вытеснением водорода. Так, ® содействии азотной кислоты с металлами (активными и неактив-привза^^^ образуются газообразные оксиды N0, N0^, азот Ng. ^ячески не реагируют с металлами трудно- и малорастворимые кисты (кремниевые, борная), а также неустойчивая угольная кислота. ^°^Проведённое исследование позволяет внести дополнение в схему взаимосвязи веществ: яяе сульфв' 1. 2. 3. 4. 5. Вопросы и задания Какими общими свойствами характеризуются кислоты? Все ли кислоты вступают в реакции с металлами? Какие продукты образуются, какие газы могут выделяться при этом? Какие металлы Датируют с кислотами с вытеснением водорода? ^0 какому признаку мы делим металлы на активные и неактивные? g металлам относится медь? Будет ли медь взаимодействовать азотной кислотой, с соляной кислотой? Будет ли медь вытеснять Q ^ород из азотной кислоты? Какими металлами может взаимодействовать соляная кислота? При-примеры реакций. Фос(Ь^ реакций произойдут с вытеснением водорода: а) натрий и Рная кислота, б) ртуть и соляная кислота, в) магний и серная 141 кислота, г) серебро и азотная кислота, д) никель и соляная е) хром и серная кислота? Составьте уравнения тех реакций происходят с вытеснением водорода. ’ Закончите уравнения реакций. а) Сг + НС1 б) Mg + HgSO^ в) Li + HCl г) К + НзРО^ д) Ni + H3SO, ж) Li + Н SO. 3) Ва + НС1 е) Са + НдРО^ и) А1 + H,SO, Какие особенности протекания реакций можно отметить при вза действии натрия и калия с кислотами? Какие реакции протекают лее активно, менее активно? Ответ обоснуйте. § 28. Основания Из схемы генетической связи веществ следует цепь превращений-неметалл -> кислотный оксид —> кислота. Очевидно, подобная цепь превращений возможна и для металлов: металл оксид металла ?. Взаимодействуют ли оксиды металлов с водой, подобно кислотным оксидам? Чтобы решить этот вопрос, проделаем опыт. Кальций легко соединяется с кислородом. Если его оставить на воздухе, то он взаимодействует с кислородом при обычной температуре. При этом образуется оксид кальция. 1. Напишите уравнение реакции кальция с кислородом. Оксид кальция зальём водой (рис. 117)-Происходит реакция. Об этом можно судить по выделению теплоты. Исследуем полученный раствор. Прежде всего убедимся, что он проводит электрический ток. Какие же ионы переносят электрические заряды? Логично предпо дожить, что в растворе присутствуют ионы Са Прибавление к раствору карбоната натрия вы зывает выпадение белого осадка карбонатв кальция. Это доказывает правильность преД положения о присутствии ионов кальция. Испытаем раствор индикатором, иояо» Рис. 117. Взаимодействие оксида кальция с водой 142 прилитый к раствору, приобретает окраску. Это значит, что в растворе нет водорода Н'^. Синяя окраска лакмуса указ присутствие других ионов — ионов ОН'. Они называются гидроксид- йй иона^’^ образом, в результате взаимодействия оксида кальция с водой в Таким g^^pyJJ^ивaютcя ионы Са^^ и ОН*. Если раствор выпарить, то рдстворе о (.^дллы вещества состава Са(ОН)2. Следовательно, можно •"iTb да-»'™ СаО + Н3О = Са(ОН)2 JJ лученное вещество и ему подобные вещества относятся к классу осяовании^^^ диссоциации основания в растворе можно записать так: Са(ОН)2 = Са^^ + 20Н- 171 Основания — это сложные вещества, диссоциирующие в растворе с образованием гидроксид-ионов. Формулы оснований составляются с учётом заряда катиона и гидроксид-иона. Поскольку гидроксид-ион имеет единичный заряд, то его индекс численно равен модулю заряда катиона, как можно видеть на примере гидроксида кальция. Названия оснований составляются из названий гидроксид-иона и иона металла. Например, КОН — гидроксид калия, Fe(OH)2 — гидроксид железа (II), Ее(ОН)з — гидроксид железа (III). 2. Составьте формулы гидроксида алюминия и гидроксида натрия, учитывая заряды катионов алюминия и натрия Na*. Какое из оснований растворимо? Напишите уравнение его диссоциации. 3. Напишите формулы оснований, диссоциирующих на ионы и ОН , Li+ и ОН", Ва^"*^ и ОН' . Назовите эти основания. Напишите уравнения их диссоциации. На рис. 118 показана структура основания и схема его диссоциации. ■tS» Рис. 118. Модельная схема диссоциации гидроксида калия 143 4. Сравните диссоциацию солей и оснований на примерах натрия и гидроксида натрия, нитрата бария и гидроксида бария Основания имеют нечто общее с солями: и в тех, и в других кати являются ионы металла. Различие же заключается в анионах. ~ ^ В ниях в качестве аниона выступает гидроксид-ион ОН", а в солях ОСНовя лотные остатки. Это видно при сравнении их диссоциации в растворе- Ва(НОз)з = Ва^^ + 2NO^ Кйс- Соль Na,SO, I 4 2Na^ + SOf Основание NaOH = Na" + ОН Ва(ОН), = Ва2+ + 20Н" По таблице растворимости можно видеть, что гидроксиды больщ ства металлов труднорастворимы в воде. Растворимые в воде основани называют щелочами. К ним относятся гидроксиды металлов I и II грущ, периодической системы: лития, натрия, калия и других щелочных металлов, а также кальция, стронция, бария — Щёлочноземельных металлов. Основания, особенно труднорастворимые, — вещества неустойчивые и при нагревании (иногда и при обычной температуре) разлагаются. Например, голубой гидроксид меди (II) при малейшем нагревании чернеет, так как при разложении образуется оксид меди (II) чёрного цвета. Си(ОН)з = СиО + яр Не все оксиды металлов могут взаимодействовать с водой, а только те, которые образуют растворимые основания. Но каждому из оксидов металлов (в случае низкой валентности металла) соответствует основание. Так, оксиду железа (II) FeO соответствует основание Fe(OH)2. Оксиды металлов, которым соответствуют основания, называют основными. 5. Напишите уравнения реакций цепи превращений: Li —> Li^O LiOH. Составьте уравнение диссоциации основания при его растворении в воде-В какой цвет окрасится лакмус в полученном растворе? Труднорастворимые основания могут быть получены с помощью ций ионного обмена с использованием растворов щелочей. 6. Пользуясь таблицей растворимости, укажите, какие растворим^® соединения нужно взять, чтобы провести реакцию, которая выража ионным уравнением + 20Н" = Zn(OH)2-i. пнМУ^ в качестве источника ионов цинка можно взять любую раствор соль цинка, например хлорид цинка: Источником ионов ОН' ZnCl^ = Zn^" -f 2СГ служит щёлочь, например гидроксид н NaOH = Na^ -ь ОН" атра^‘ 144 При сливании растворов хлорида цинка и гидроксида натрия ионы 2^2+ и ОН" взаимодействуют между собой, в результате чего выпадает осадок гидроксида цинка: ZnClj + 2NaOH = 2п(ОН)з i + 2NaCl 7. Растворы каких веществ нужно взять, чтобы получить нерастворимый гидроксид меди (II) Си(ОН)2? Итак, на опыте мы установили генетическую связь: металл основной оксид —> основание, что отражается в схеме взаимосвязи веществ. При работе с щелочами нужно соблюдать такую же осторожность, как и при работе с кислотами. Щёлочи разъедают бумагу, ткани. При соприкосновении с живыми тканями (кожей, слизистыми оболочками, глазами) щёлочи повреждают их. Поэтому нельзя допускать, чтобы растворы щелочей разбрызгивались. Работать с ними нужно осторожно. Основания встречаются в природе реже, чем кислоты и соли. Их получают в промышленности или в лабораториях. Наиболее важными являются гидроксиды калия, натрия, кальция. Гидроксид кальция называют гашёной известью. Её получают из негашёной извести СаО. При заливании водой негашёной извести происходит бурная реакция, как мы убедились на опыте, с выделением большого количества теплоты. В результате вода закипает, раствор разбрызгивается. Поэтому эту реакцию называют гашением извести. Эта реакция, как можно понять, дала такое необычное техническое название и оксиду кальция. Хотя гидроксид кальция — малорастворимое основание, в растворе гашёной извести его содержание довольно значительно. В насыщенном растворе один гидроксид-ион приходится на 1,5 тысячи молекул воды, то есть в одной капле раствора содержится примерно ионов ОН". Это не так мало, если сопоставить с содержанием ионов бария при образовании осадка сульфата бария — одного из самых труднорастворимых. Раствор гидроксида кальция Са(ОН)2 называют известковой водой, а взвесь 10. Зак. 6780 145 нерастворившихся частичек Са(ор в растворе — известковым молоко^ Гашёную известь применяют оштукатуривании стен. При «Рй с известью строители соблю Работу Aaiof определенные правила: работают резиновых перчатках, защищаю^ глаза специальными очками, чтобы брызги извести не попали в глаза и на кожу. 8. Почему при гашении извести глаза защищают очками, а руки — перчатками? Рис. 119. Фреска — живопись по сырой известковой штукатурке По сырой известковой штукатурке художники делают росписи стен. Такие росписи носят название фресок. Фрески встречаются в древних храмах (рис. 119). Они представляют собой большую художественную и историческую ценность. Вопросы и задания 1 1. 2. 3. Какие вещества образуют класс оснований? Какие особенности состава имеют основания? Приведите примеры оснований. С какими классами веществ связаны основания? Приведите примеры реакций, с помощью которых осуществляется связь оснований с веще ствами других классов. Напишите уравнения электролитической диссоциации веществ: NaO НС1, CuCL, FeSO,, Ва(ОН)„, Pb(NO.) г'2’ H,SO„ Sr(OH), HNO3. Дайте на- звание каждому веществу. Какие из веществ относятся к солям, кис лотам, основаниям? Какие отличия и что общего имеют соли и осн ния, соли и кислоты? 4. Какие вещества образуются при взаимодействии воды с таллов, с оксидами неметаллов? Напишите уравнения реакции с оксида бария, оксида азота (V), оксида серы (VI), оксида лития, .j,. хлора (VII), оксида стронция. Какие из оксидов относятся к ки ным, а какие — к основным? 146 е формулы оснований, соответствующих оксидам СоО, Al^Og, тге О а также оксидов, соответствующих основаниям fSoH).. Ni(OH)„ Cr(OH).. те уравнения реакций, происходящих при превращени: Д Ва(ОН)з; Na Na^ ^ NaOH ^ Zn(OH),; Си ^ СиО Си(ОН)2 СиО. Ва олучить гидроксид свинца (II), гидроксид хрома (III), гидроксид Как ^.идроксид железа (II), гидроксид железа (III), гидроксид це-Где нужно, напишите общие и ионные уравнения реакций. Домашний эксперимент С кусочком негашёной извести можно проделать опыт. В стакан налейте воды и бросьте в него кусочек извести. Будьте осторожны: не берите известь голыми руками (можно надеть резиновые перчатки или взять кусочек извести пластмассовой ложечкой), не наклоняйтесь над стаканом. Чтобы подтвердить, что в результате реакции образовалась щёлочь, надо раствор испытать индикатором. В качестве индикатора используйте фенолфталеин, который продаётся в аптеках в качестве слабительного. Меняет ли фенолфталеин окраску при добавлении к вашему раствору? Опишите свои наблюдения. Раствор сохраните для следующих опытов. § 29. Реакция нейтрализации Схема взаимосвязи веществ позволяет предположить, что кислоты и основания, как вещества, противоположные по свойствам, могут взаимодействовать друг с другом. Проверим это на опыте. Рас ® стакан с раствором гидроксида натрия 2—3 капли лакмуса. ®*^Расился в синий цвет. Теперь к раствору будем осторожно до-собой^*” ‘^^•’^яную кислоту из бюретки (рис. 120). Бюретка представляет Раст трубчатый сосуд для осторожного приливания одного Из другому. На нижнем конце бюретки имеется кран или зажим, сковч **оясно добавлять раствор по каплям, чтобы точно установить Фёлочь**^^ соляной кислоты мы добавили столько, что вся ^Ракт я реакцию, то лакмус приобретает фиолетовый цвет, Цвета Мы нейтральной среды. В момент появления фиолетового Можем быть уверены, что щёлочи в растворе больше нет, так Ю* 147 Ca(NO,)2; б) Р -> PgO^ Н^РО^ Na,PO. MgJPOJ,; в) SO, ’3'—i реакций H,SO, ^ А1,(80,)з BaSO^. Назовите продукты Домашний эксперимент 1 К раствору гашёной извести (известковой воде) добавьте раствор фенолфталеина. Какую окраску приобретает фенолфталеин в известковой воде? Добавляйте к раствору по каплям уксусную кислоту (пищевой уксус, на котором стоит пометка 6% или 9%) до исчезновения малиновой окраски. Поместите раствор в металлический сосуд (лучше эмалированный) и выпаривайте до появления на поверхности раствора кристаллической плёнки. Раствор охладите. Кристаллы, появившиеся на дне, отфильтруйте через промокательную бумагу или марлю и высушите. Напишите уравнение реакции, приняв формулу уксусной кислоты как HR, где буквой R обозначен сложный кислотный остаток — ацетат-ион. Какую соль вы получили? Лабораторная работа «Знакомство с кислотами и основаниями» Я®* Наиболее распространёнными в лаборатории и промышленности ^ ляются соляная и серная кислоты. Среди оснований наиболее требляются гидроксиды кальция, калия, натрия. Серная кислота ^ __________________________________________/СГ_________ •ГУ.ТХЛТТЛФ- KpflC няется для производства минеральных удобрений, других кислот, кр лей, моющих веществ, лекарств и других необходимых продуктов. Ь 150 Л' Яь |в- Ре- Гы вс- Ра- гы I важ-металлов поту называют хлебом химической промышленности. Также рервЯ® ^ д кислота. Она используется для очистки поверхности ga й сой производства солей — хлоридов различных металлов. ^ оксидой’ калия и натрия применяются при приготовлении электро-о^ных аккумуляторов, в производстве красок, мыла, целлюло-оксид кальция широко используется в строительстве. зЫ. свойствами кислот и оснований мы уже познакомились. ^ ^^на опытах увидим, как в реальности они проявляются. jjaK опасны кислоты и щёлочи, работайте с ними осторожно и тно. Нужно защищать одежду, руки, глаза от попадания брызг ^ ^растворов. Если вы разлили кислоту, то следует её засыпать содой, а щёлочи нейтрализовать уксусной кислотой. Попавшие на кожу, в глаза капли кислоты или щёлочи необходимо быстро смыть большим количеством воды. п, I Опыт 1. Отношение кислот и щелочей к индикаторам. Налей-те в три пробирки воды и капните по одной капле индикаторов: в одну — лакмус, в другую — метилоранж, в третью — фенолфталеин. Во все пробирки внесите по несколько капель кислоты. Отметьте окраску индикаторов в присутствии кислоты. Опыт повторите с щёлочью и также отметьте окраску индикаторов. Наблюдения запишите в составленную таблицу. Название Окраска индикаторов Уравнение диссоциации и формула лакмуса метил- оранжа фенол- фталеина Кислота Щёлочь 0крэ1 ски индикаторов в кислоте и в щёлочи полезно помнить. ^ Опыт 2, Исследование химических свойств серной кислоты. "—I три пробирки поместите: в одну — кусочек цинка, в другую — индикатора и 1 мл раствора щёлочи (высота столбика жид-оксида равняться примерно 1 см), в третью — немного порошка '^^Риой Внесите во все пробирки по несколько капель раствора и Отметьте взаимодействие кислоты с данными вещества- йте уравнения реакций. Наблюдения запишите в таблицу. 151 в одну пробирку влейте примерно 1 мл щёлочи и каплю фенолфталеина. Затем по каплям добавляйте раствор серной кислоты до исчезновения окраски индикатора. Напишите уравнение реакции. Во вторую пробирку налейте примерно 1 мл раствора щёлочи и добавьте столько же раствора хлорида железа (III). Запишите наблюдаемое.'и составьте общие и ионные уравнения реакций. Название И формула основания Наблюдения Отношение к воде Отношение к кислоте Отношение к раствору соли § 30. Кислотные и основные оксиды Схема взаимосвязи веществ объединяет два класса простых веществ (металлы и неметаллы) и четыре класса сложных (оксиды, соли, ния, кислоты). Вы уже знаете, что оксиды делятся на два противопо ^ ные класса — основные и кислотные, которые взаимодействуют другом по принципу противоположности свойств. Можно что они взаимодействуют не только друг с другом, но и с других классов, обладающих противоположной природой. Отсюда что основные оксиды должны взаимодействовать с кислотами, а ные — с основаниями. Проверим предположение на опыте. В раствор серной кислоты добавим несколько капель Затем небольшими порциями будем вносить порошок оксида 152 с 121) Наблюдается реакция, реакционная ^месь^^разогревается, а цвет индикатора меняет !я и указывает на взаимодействие кислоты с --тт МдоС~> эвяы’'^ оксидом. Рис. 121. Реакция кислоты с основным оксидом СО, Составьте уравнение реакции оксида маг-^ серной кислотой. Какое вещество образо- Опыт подтвердил наше предположение. Напишем уравнение реакции: MgO -ь HjSO^ = MgSO^ + Н^О Проверим на опыте предположение о взаимодействии кислотных оксидов с основаниями. Через известковую воду пропустим углекислый газ который является кислотным оксидом (рис. 122). Мы замечаем, что раствор мутнеет, затем образуется густой белый осадок. Происходит реакция между основанием и кислотным оксидом. 2. Составьте уравнение наблюдаемой реакции. Какое вещество образуется в результате реакции? Вспомните, какой анион образуется оксидом углерода (IV). Белый осадок — это образовавшаяся соль карбонат кальция. Молекулы углекислого газа превращаются в карбонат-ионы СОд'. Ионы кальция, находящиеся в растворе известковой воды, соединяются с образовавшимися карбо-ват-ионами и образуют нерастворимую соль. Са(ОН)^ + СОз = СаСОд | + Нр Итак, на опыте мы убедились, что кислотные оксиды взаимодей-уют с основаниями, а основные — с кислотами. На схеме взаимосвязи тя»* отметим взаимодействие кислотных и основных оксидов с кисло-р ^ ®онованиями. и ц оксидов с кислотами и основаниями используются в технике Входи ® природе. Так, известковая штукатурка, в состав которой твердеет на воздухе. Гидроксид кальция по-цнд У1'лекислый газ и превращается в нерастворимый карбонат каль-орый придаёт штукатурке прочность. Рис. 122. Реакция основания с кислотным оксидом ! I 153 в быту при очистке раковин от ржавчины (смеси оксидов и гидрокси дов железа) используют кислоты: уксусную, лимонную и другие. Кислоты взаимодействуют с оксидами и гидроксидами железа. Образуются растворимые соли, которые смываются водой. Поверхность очищается от ржавчины. 3. Составьте уравнения реакций, происходящих при снятии налёта ржавчины (смеси Fe^Og и Ге(ОН)з) с поверхности раковины соляной кислотой. Вопросы и задания 1. Растворится ли оксид меди (II) в азотной кислоте? Каков будет цвет раствора? Ответ обоснуйте. Составьте уравнение реакции. 2. Какая соль образуется при взаимодействии гидроксида натрия с оксидом фосфора (V)? Составьте уравнение реакции. Какое количество гидроксида натрия реагирует с 1 моль оксида фосфора (V)? 3. Как осуществить следующие превращения: алюминий сульфат алюминия —> гидроксид алюминия —> оксид алюминия —> нитрат алюминия; кремний —> оксид кремния силикат натрия —> кремниевая кислота —> силикат кальция? Напишите уравнения реакций, дайте названия продуктам реакций. 4. В колбу с углекислым газом налили раствор щёлочи и быстро закры^ пробкой. Через некоторое время в колбе создалось разрежение, объяснить этот факт? Ответ подтвердите уравнением реакции. 5. Ученикам дали задание получить хлорид меди (II). Один из них ^ металлическую медь и соляную кислоту, другой — оксид меди1 соляную кислоту. Кто из них достиг цели? Расскажите, как они пр ДИЛИ опыты и что наблюдали. Напишите уравнения реакции. 154 1!и- СК № JB* if I опускании воздуха через раствор гидроксида бария появился g При ПР газ вступил в реакцию с гидроксидом бария? Какое осадок-^^ g осадок? Напишите уравнение реакции, ^^^опытным путём различить два белых порошка: оксид магния и фосфора (V)? Ответ подтвердите уравнениями реакций, оксид щ^дочи, находясь на воздухе, «портится». Что происходит с да воздухе? Напишите уравнение реакции. Для предохране-щёлочи склянку закрывают пробкой, через которую пропущена ®”^ка с оксидом кальция. Зачем трубку заполняют оксидом кальция? Как он может предохранить щёлочь? Ответ подтвердите уравнением реакции. 9 На американских космических кораблях «Шатл» для поглощения вы-дыхаемого космонавтами углекислого газа применяют смесь гидроксидов лития и кальция. Составьте уравнения реакций поглощения углекислого газа этими основаниями. 10. Даны оксид магния, оксид серы (VI), вода, гидроксид натрия, соляная кислота. Напишите уравнения возможных реакций между данными веществами. 11. Напишите уравнения реакций следующих превращений: Li —» LigS <— S i SO„ Li^O LijSO, ^ SO3 LiOH i H3SO, Домашний эксперимент В оставшийся от предыдущего домашнего опыта раствор гидроксида кальция опустите трубочку и продуйте через неё выдыхаемый воздух. Что наблюдаете? Объясните происходящее. Напищите уравнение реакции. 155 j 'I § 31. Обобщение сведений о важнейших классах неорганических веществ Изучая последовательно вещества различных классов, вы не 1зу достаточно полно охарактеризовать каждый класс. Познакоми^'^*'^ с веществами всех классов, обобщим знания о свойствах каждого клас отдельности. ОКСИДЫ 0 Оксиды — это бинарные соединения, в состав которых вхо кислород. Оксиды бывают газообразными (COg, SO^), жидкими (Н^О, NgO^), твёрдыми (РгО;., SiOj, CuO). Газообразные и жидкие оксиды, несомненно молекулярны. Твёрдые оксиды имеют молекулярное (SO^, Р2О5) или немолекулярное (AlgOg, SiOj) строение. Из оксидов можно выделить группу кислотных и группу основных оксидов. Резкой границы между ними провести нельзя. Есть оксиды, сочетающие свойства кислотных и основных. Основным оксидам соответствуют основания: СиО ^ Си(ОН)2, MgO Mg(OH)2, К^О ^ КОН Точно так же кислотным оксидам соответствуют кислоты: СО2 ^ Н2СО3, Р2О3 Н3РО,, 810з ^ Нз8Юз В силу противоположности свойств основные оксиды взаимодействуй;^ с кислотами и кислотными оксидами, кислотные оксиды взаимодействуют с основаниями и основными оксидами. Отношения оксидов к воде иное, чем у веществ других классов. Они не являются электролитами (не диссоциируют на ионы), но взаимодействуют с водой. При этом образуются кислоты и щёлочи. Взаимодействие с водой происходит в том случае, если образуются растворимые кислоты и основания. С водой взаимодействуют почти все кислотные оксиды и неболь шое число основных. 1. Какими реакциями можно доказать, что оксид кремния имеет кис лотные, а оксид железа (III) — основные свойства. Ответ подтвердите нениями реакций. СОЛИ 0 Соли — это сложные вещества, которые при растворении дисс' руют на катионы элемента-металла и кислотные остатки. оЦй“' 156 имеют ионные кристаллические решётки. Ионное строе-^{вогие немолекулярного строения. Поэтому соли при обыч- вие - твёрдые вещества. gbix соли растворимы в воде, но большая их часть мало- или труд- jjHorHe растворении соли диссоциируют на ионы, то есть яв- „яСТВОрИМЬЬ ААК ^1ектролитами. .уе уравнения диссоциации фосфата калия и хлорида алю- ие правила вы соблюдаете при написании этих уравнений? пиния. Каки вступают в реакции ионного обмена с другими электролитами щелочами и другими солями), если в результате реакции ||бразуется осадок. 3 Составьте общие и ионные уравнения взаимодействия сульфата железа (Ш) с хлоридом бария, гидроксидом натрия. Соли образуются при взаимодействии веществ с противоположными свойствами: а) металла с неметаллом; б) основного оксида с кислотой; в) кислотного оксида с основанием; г) кислотного оксида с основным оксидом; д) основания с кислотой; е) металла с кислотой. Сами соли не проявляют свойств, противоположных какому-либо из классов веществ. Противоположность заключена в самих солях (положительные и отрицательные ионы). В них угас бурный характер веществ, из которых они образовались (кислотный и основной). Поэтому соли — наи-^лее устойчивые вещества. В природе встречается множество минералов, Разованных солями. Они сохраняют устойчивость в течение геологиче-ских эпох. ofino ^®иишите уравнения возможных реакций, в результате которых зуется сульфат кальция. получить в ионообменных реакциях. Они осуществляются б! ^ кислотами; Ми и другими солями. ^отой. сульфат бария взаимодействием соли с солью, соли с кис- 157 кислоты и Кислоты — это сложные вещества, которые диссоциируют в п , с образованием ионов водорода. Кислоты находятся в жидком или твёрдом состоянии. Из твёрды^ но назвать кремниевую, фосфорную, борную, а также некоторые ки растительного происхождения: щавелевую, лимонную и другие кислоты жидкие. Все они имеют молекулярное строение. Большинство кислот хорошо растворяются в воде, а многие ряются неограниченно (серная, азотная, уксусная). Кислоты явля»^ электролитами, так как диссоциируют в растворе на ионы. * 6. Составьте уравнение диссоциации азотной кислоты в воде. Какие ионы образуются при этом? Какой цвет приобретут в этом растворе лак мус, метилоранж? Ионы водорода, образующиеся при диссоциации, окрашивают лакмус в красный, метилоранж в розовый цвета. Благодаря ионам водорода, присутствующим в растворах кислот, происходит реакция с активными металлами, в результате которых выделяется водород. 7. Какие из металлов вытесняют водород из серной кислоты: медь, алюминий, серебро, магний? Ответ подтвердите уравнениями реакций. Кислоты вступают в реакции с веществами, противоположными по свойствам: основными оксидами, основаниями. Реакцию кислоты с основанием называют реакцией нейтрализации. Суть этой реакции заключается во взаимодействии ионов водорода с гидроксид-ионами. 8. Составьте уравнения реакций азотной кислоты с оксидом железа (Ш) и гидроксидом цинка. Напишите ионное уравнение реакции нейтрализации. Поскольку кислоты являются электролитами, то они могут вступать в реакции ионного обмена с солями, если в результате образуются трудн® растворимые соединения. 9. Какие соли можно получить в осадке, используя соляную кислоту Ответ подтвердите уравнениями реакций. ОСНОБАНИЯ 0 Основания — это сложные вещества, которые диссоциируют в с образованием гидроксид-ионов. ■хвор* 158 ых условиях основания находятся в твёрдом состоянии. Они Лри об ^gj^y^3pHoe строение. Часть оснований (щёлочи) хорошо рас-jjfjeioT воде. При растворении щелочей происходит их диссоциация, относятся к электролитам. псвоваиия ^ Напишите уравнение электролитической диссоциации гидроксида барии- ния взаимодействуют с веществами, обладающими кислотными — кислотами, кислотными оксидами. свойствами. При пропускании углекислого газа через раствор гидроксида ка-масса раствора увеличилась. Почему? Ответ обоснуйте и в доказатель-етвоТриведите уравнение реакции. Щёлочи вступают в реакции ионного обмена с растворимыми солями. Эти реакции используются для получения нерастворимых оснований. 12. Напишите уравнения реакций, в результате которых осадок гидроксида железа (III) сначала выпадает, а затем растворяется. Щёлочи образуются при взаимодействии основных оксидов с водой. Нерастворимые основания получают ионообменными реакциями. 13. Как можно получить гидроксид натрия и гидроксид цинка? Ответ подтвердите уравнениями реакций. I Вопросы и задания !• Оксид фосфора (V) и оксид кальция применяют для удаления водяных паров из воздуха. На каком свойстве этих оксидов основано такое их 2 ^^пользование? Ответ подтвердите уравнениями реакций. • Почему нельзя держать в руках оксид калия? Что будут ощущать пальцы при несоблюдении этого правила? Ответ подтвердите уравне-2 Пием реакции. ■ из реакций возможны: а) СО^ + Са(ОН)з, 6)Si02 + LiOH, в) AICI3 + ^ КОН, г) CuSO^ + NaCl, д) SiO^ + Нр, е) H^SO, + MgO, ж) BaCl^ + ^2^04 ^^(NOg)^, и) H^SO^ + А1. Напишите уравнения 4. ^ объясните причины их протекания. гил оксидов будут взаимодействовать с водой, соляной кислотой, натрия: оксид кальция, оксид углерода (IV), оксид фос-Урав железа (III), оксид серы (VI), оксид бария? Напишите ппния возможных реакций. 159 серной 5. При пайке металлических изделий проводят травление поверх металла. Это нужно для удаления оксидной плёнки, для чего няют соляную кислоту. Напишите уравнения реакций, • щих при травлении поверхности меди, цинка. Чем отличают процессы? 6. Какие из реакций сопровождаются выделением водорода: а) Ag + t, б) Fe + H^SO,, в) Ва + Н^РО^, г) Си + HNO3, д) Zn + H^SO^, е) Mg + S’ Закончите уравнения реакций, в которых образуется водород. ^' 7. Какое количество гидроксида калия прореагирует с а) 1 моль кислоты, б) 1 моль фосфорной кислоты? Как окрасится раствор дд Муса, если смешать а) 1 моль КОН с 2 моль H^SO^, б) 3 моль КОи с 0,5 моль НдРО^? ^ 8. Какие вещества понадобятся для следующих превращений: а) медь оксид меди (II) —> хлорид меди (II) гидроксид меди (II) оксид меди (II) -> сульфат меди (II); б) уголь оксид углерода (IV) -> карбо- нат калия карбонат бария; в) гидроксид алюминия оксид алюминия нитрат алюминия гидроксид алюминия сульфат алюминия? Напишите уравнения реакций. 9. Оксид кремния не растворяется в воде. Каким способом можно получить кремниевую кислоту? Выберите для этого необходимые вещества из следующих: силикат натрия, оксид кремния, вода, карбид кремния SiC, соляная кислота. Напишите уравнения реакций. 10. С какими из перечисленных веществ взаимодействует соляная кислота: магний, оксид кальция, оксид углерода (IV), серная кислота, гидроксид цинка, серебро? Напишите уравнения возможных реакций. 11. Напишите уравнения возможных реакций, в которых можно получить соль сульфат бария. § 32. Вода. Химические свойства По составу воду можно отнести к классу оксидов. Химическое назва ние — оксид водорода. Изучая вещества различных классов, мы встреч»^ лись с реакциями, в которых участвует вода. Вода взаимодействует^^ кислотными и основными оксидами. К каким же оксидам она относи'^ В реакциях с основными оксидами вода проявляет противополо свойства — кислотные, то есть выступает в роли кислотного оксида- СаО -f Н„0 = Са(ОН)„ основной оксид кислотный оксид 160 При взаимодействии с кислотным оксидом она проявляет основные свойства: ЗН,0 + рр. 2НЗРО, основной оксид кислотный оксид |7| Проявление одним веществом противоположных свойств в различных реакциях называется амфотерностью. Слово «амфотерность» произошло от греческого amphoteros — «и тот и другой». Амфотерность — широко распространённое явление. Вещества проявляют кислотные и основные свойства в момент реакции с веществами противоположных свойств. Причём вещество кислотной природы образует анион, а вещество основной природы — катион. В первой реакции вода образует анион ОН'. В этой реакции она относится к кислотным оксидам. Во второй реакции анион образуется кислотным оксидом фосфора (V), а вода образует катионы Н’ и относится к основным оксидам. Следовательно, вода — амфотерное вещество. 1. Составьте уравнения реакций воды с оксидом натрия, оксидом азота (V). В каком случае проявляются кислотные, а в каком — основные свойства воды? Воду можно рассматривать не только как оксид, но и как кислоту Н—ОН. Молекула воды содержит один атом водорода, способный вытесняться атомом активного металла. Проверим это на опыте (рис. 123, а). Поместим небольшой кусочек натрия в сосуд с водой. Происходит бурная реакция с выделением водорода. При этом выделяется много теплоты, от которой образующийся водород может даже вспыхивать. Гидроксильная группа воды в виде аниона остаётся в растворе, а атомы натрия переходят в раствор в виде катионов. В результате образуется гидроксид натрия. Это легко проверить, добавив к полученному Рис. 123. Натрий с водой (а) реагирует так энергично, что приходится принимать меры предосторожности. Магний реагирует с водой (б) при нагревании. 11. Зак. 67в0 161 раствору несколько капель фенолфталеина. В нашем растворе фено леин окрасился в малиновый цвет, что свидетельствует об щелочи: 2Na + 2Н—ОН = NaOH + Т 2. Составьте уравнение реакции воды с кальцием. При пропускании через воду электрического тока вода разлагаете* водород и кислород. Итак, вода является химически активным веществом. В реакциях она проявляет амфотерные свойства, то есть как кислотные, так и основные Как мы помним, вода является хорошим растворителем. При растворении многие вещества, относящиеся к электролитам, под воздействием молекул воды диссоциируют на ионы. К электролитам относятся соли кислоты, основания. Вопросы и задания 1. 5. 6. Как доказать амфотерность воды? Приведите примеры реакций и напишите их уравнения. С какими из перечисленных веществ взаимодействует вода: гидроксидом магния, оксидом бария, соляной кислотой, оксидом серы (VI), медью, кальцием? Напишите уравнения реакций. Какие свойства проявляет вода в каждой из реакций? Какие из веществ под действием воды диссоциируют на ионы? Составьте уравнения диссоциации. Составьте уравнение реакции оксида мышьяка (V) с водой. Какие свойства проявляет вода в этой реакции? Какое количество мышьяковой кислоты образуется из 1 моль оксида мышьяка (V)? Какое количество воды расходуется? Какое количество водорода выделится при взаимодействии 1 моль калия с водой? Ответ подтвердите уравнением реакции. Какие свойства проявляет вода в этой реакции? Составьте уравнение реакции, происходящей в опыте (рис. 123, )• В какой цвет окрашивается раствор, если в воду предварительно был внесён фенолфталеин? ^ Алюминий активно реагирует с водой. Почему же вода, налитая алюминиевую кастрюлю, не вступает в реакцию? Составьте уравн реакции очищенного алюминия с водой. Какое вещество алюминий от реакции? Напишите уравнение реакции образования вещества. ГЛАВА IV Периодический закон и периодическая система элементов Д. И. Менделеева. Строение атомов в предыдущих главах вы узнали, что свойства веществ в большой степени зависят от их элементного состава. Чем больше мы знаем о ?сими-ческих элементах, тем более полно понимаем свойства веществ. В то же время знаний о веществах накапливается так много, чт<^ возникает необходимость в их систематизации, то есть в сведении знаний в единую систему. В системе знаний о химических элементах необходимо установить взаимосвязи между ними. Давно было замечено, что свойства некоторых элементов, а такжо простых и сложных веществ, ими образованных, имеют большое сходство. Например, калий и натрий очень похожи между собой. Оба — м:ягкие металлы (режутся ножом), очень активные. И калий, и натрий йурно взаимодействуют с водой, кислородом и азотом воздуха. Поэтому и?^ хранят под слоем керосина. Оксиды натрия и калия также похожи по свойствам. Это основные оксиды, образующие с водой щёлочи. Подобными свойствами обладают ещё три металла: литий, цезий, рубидий. В соединениях эти элементы проявляют одинаковую валентность. Химики заметили сходство элементов и объединили Li, Na, К, Rb, Cs в одну грулпу и назвали щелочными металлами. Подобно этим элементам, сходство проявляют F, С1, Вг, I, объе;*инён-ные в группу галогенов. Также объединены в одну группу О, S, Se, ГГе. За такой группировкой элементов угадывается определённая закономерность. В 1869 году профессор Петербургского университета Д. И. Менделеев, изучив не только сходства, но и различия свойств элементов и их соединений, установил закономерную связь между элементами и открыл еакон, называемый периодическим. Попытаемся понять мысли Д. И. Менделеева. 11* 163 § 33. Изменение свойств простых веществ с возрастами атомных масс химических элементов ем Расположим знаки химических элементов в ряд по возрастанию ных масс и укажем высшую валентность каждого из них. йтом- Элемент н Не Ы Be В С N О F Ne Na Mg А1 Si P S Cl Ar К А Г 1 4 7 9 10 12 14 16 19 20 23 24 27 28 31 32 35,5 40 39 Высшая валент. I 0 I II III IV V II I 0 I II III IV V VI VII 0 I Заметим, что в приведённом ряду валентность элементов меняется от О до VII. 1. Сколько элементов в приведённом ряду имеют валентность О, I, Ц и т. д. до VII? Перечислите их. После гелия, имеющего нулевую валентность, следуют семь элементов, а восьмой — неон — имеет, подобно гелию, нулевую валентность. После неона следует ещё одна семёрка элементов, а восьмой элемент — аргон — вновь отличается нулевой валентностью. В этом повторении можно заметить закономерность. Разберёмся в этом. Выясним свойства простых веществ, образованных рядом элементов от натрия до аргона. Элемент Na Mg А1 Si Р S Cl At Формула простого вещества Na Mg A1 Si P,, P S3 CI2 Ar Характер простого вещества металлы неметаллы Простые вещества начала этого ряда представляют собой металлы. Все они имеют характерный блеск, серебристо-белый цвет, обладают хорошей электропроводностью, высокой теплопроводностью, очень пластичны, н трий режется ножом, магний и алюминий можно царапать твёрдыми метами. Наиболее активно взаимодействует с кислородом натрий. Маг и алюминий также активны относительно кислорода. На воздухе они крываются оксидной плёнкой. ^ Кремний — первый неметалл в этом ряду, хотя кристаллический V ний имеет характерный металлический блеск. Это тёмно-серое, хру 164 то Ка- при определенных условиях проводит электрический ток, полупроводником. Таким образом, кремний обладает есть я® о ^(еталличности. Далее следуют; фосфор — красный поро- кой'Ч'® __хрупкое жёлтое вещество, хлор — жёлто-зелёный газ. Аргон jjjoK, с У рдд 0.J.Q бесцветный газ, состоящий из разрозненных ато- замыи ^ простые вещества от кремния до аргона плохо проводят теплоту, ются проводниками электрического тока, кроме кремния. ^ мические свойства простых веществ проявляются во взаимодействии г. р лоугом. Так, нагретый натрий сгорает в хлоре ярким пламенем, их ДРУ^ 2 Составьте уравнение реакции натрия с хлором. Какой продукт обра-ся? К какому классу он относится? Назовите его. Как он диссоциирует в растворе? Какой элемент образовал катион, а какой — анион? Металлы и неметаллы во взаимодействии друг с другом играют противоположные роли: атомы металла образуют катионы, а неметалла — анионы. По лёгкости образования катионов и анионов можно судить о степени проявления металлических и неметаллических свойств. Активность взаимодействия металла с кислотой может служить показателем лёгкости образования катиона. Следовательно, она показывает степень проявления металлических свойств. Опыты показывают, что активность взаимодействия натрия с кислотами очень высока. Такие реакции могут сопровождаться взрывом. Поэтому проведение реакции натрия с кислотой требует большой осторожности. Небольшой кусочек натрия помещают в фарфоровый тигель с песком (рис. 124). Над тиглем помещают бюретку с кислотой. Осторожно откры-кран бюретки, капают кислоту на натрий, происходит небольшой взрыв. Магний также очень активно реагирует с кислотами, = Диться, проводя опыт. Реакция протекает хотя и бурно, но без взрыва зы^^^ ’^^^^^^ппно взаимодействует с кислотами алюминий. Эти опыты пока-т, что металлические свойства от натрия к алюминию ослабевают. 8ой^ ^®^^®пьте уравнения реакций натрия, магния и алюминия с соля-названия продуктам реакций. Напишите уравнения образовавшихся солей. Какие ионы образованы элементами- '^таллами? Рис. 124. Реакция натрия с кислотой сопровождается взрывом В чём ВЫ могли 165 Судить о степени проявления неметаллических свойств mojk активности образования анионов. Как известно, неметаллы oGpaav только простые, но и сложные анионы. Образование простых ап «яиоцоа показывает более яркие неметаллические свойства, а образование Про- го аниона — более слабые. Так, хлор в реакции с натрием образует стой анион — хлорид-ион. У хлора неметаллические свойства выраясе' ярко. Кремний в подобной реакции аниона не образует. Продукт взаи^ действия кремния с металлом, например магнием, не является ионн соединением и не относится к солям. 4. Составьте уравнения реакций кремния с магнием и хлора с маг нием. Назовите продукты реакций. Напишите уравнение диссоциации соли MgCl^. Продукт реакции магния с кремнием не диссоциирует. Какое из простых веществ — кремний или хлор — обладает более выраженными неметаллическими свойствами? В реакции кремния с магнием образуется бинарное вещество неионного характера. В нём атомы кремния не превращаются в анионы. Но тот факт, что кремний взаимодействует с активным неметаллом, свидетельствует о том, что он всё же обладает неметаллическими свойствами, хотя в меньшей степени, чем хлор. Неметаллы проявляют свои свойства также во взаимодействии с растворами щелочей, в противоположность металлам, которые реагируют с кислотами. В результате образуется соль. Например, кремний реагирует с раствором гидроксида натрия с образованием силиката натрия: Si + 2NaOH + Яр = Na^SiOj + 2Н^ 5. Составьте уравнение диссоциации силиката натрия. Простой или сложный анион образует кремний? в этой реакции кремний образует сложный анион — силикат-ион. указывает на слабо выраженные неметаллические свойства кремния. Фосфор, сера, хлор взаимодействуют с щелочами, но водород не в няют. Фосфор образует сложные анионы, а сера и хлор — как слож так и простые. ЗС!^ -f 6КОН = KClOg + 5КС1 + ЗН^О 166 и пишите уравнения диссоциации хлората (V) калия KCIO3 и хло- ^ ИЯ КС1. Какие ионы образуют атомы хлора в этих реакциях — гг тенденции образовывать простые и сложные анионы можно судить, в ряду простых веществ от Si до С!^ проявление неметаллических ТВ усиливается. Аргон ни в какие реакции не вступает и никаких ______ни металлических, ни неметаллических — не проявляет. Лхак, наши наблюдения приводят к выводу, что металлические и не-еталлические свойства у простых веществ различных элементов проявляются по-разному. В ряду простых веществ, расположенных по возрастанию атомных масс, наблюдается постепенное изменение свойств: в начале ряда проявляются активные металлические свойства, затем они ослабляются и переходят в неметаллические, которые усиливаются к концу ряда. В середине выбранного нами ряда элементов находятся алюминий и кремний, у которых металлические и неметаллические свойства, соответственно, выражены слабее, чем у других элементов этого ряда. Исходя из того что металлические и неметаллические свойства постепенно изменяются, можно предположить, что _ ^ алюминий и кремний могут проявлять амфотерность. Такое предположение можно проверить на опытах. Опустим по кусочку предварительно очищенного шкуркой алюминия в соляную кислоту и в раствор щёлочи (рис. 125). В обоих случаях образуются соли и выделяется водород. В реакции с кисло-образуется хлорид алюминия, а реакции с щёлочью — алюминат натрия: Рис. 125. Взаимодействие алюминия с кислотой и щёлочью 2A1 + 6НС1 = 2AICI3 -ь ЗН3Т металл кислота хлорид алюминия 2А1 + 2NaOH -ь 6Н3О = 2Na[Al(OH)J металл щёлочь алюминат натрия ЗН3Т 167 в реакции с кислотой атомы алюминия превращаются в катионы а в реакции с щёлочью — в анионы [А1(ОН)^] . В отличие от сложд ’ анионов, образуемых типичными неметаллами (РО^", SO^ ), алюмиаи^ растворе образует анион не с атомами кислорода, а с гидроксильа ** * группами ОН'. Кремний двойственной природы не обнаруживает. Сделаем вывод 171 Металлические свойства простых веществ в ряду элементе Na — Cl ослабевают, неметаллические усиливаются, в середине ряда (да границе металлов и неметаллов) сочетаются и те и другие, то есть один из элементов образует простое вещество с амфотерными свойствами. Вопросы и задания 1. К какому периоду относятся элементы ряда от натрия до аргона? Как меняются свойства простых веществ элементов одного периода? Как меняются атомные массы химических элементов в периоде? 2. Охарактеризуйте простые вещества, образованные элементами следующего ряда: Li, Be, В, С, N, О, F, Ne. Какие свойства проявляет каждое из простых веществ в реакциях: литий с соляной кислотой, фтор с кальцием, бериллий с соляной кислотой, бериллий с щёлочью? Напишите уравнения реакций. Учтите, что бериллий образует анионы Ве(ОН)^'- Как изменяются свойства простых веществ в этом ряду? Похоже ли изменение свойств в этом ряду на изменение свойств в ряду от натрия до хлора? 3. Могут ли натрий, магний, алюминий взаимодействовать с фтором Fj? Объясните это положением фтора в приведённом ряду. Ответ подтвердите уравнениями реакций. 4. Кусочки цинка опустили в пробирку с щёлочью и в пробирку с соля ной кислотой. В результате обеих реакций выделяется водород. О ч^ свидетельствуют эти опыты? Ответ подтвердите уравнениями реакци Цинк образует анион с четырьмя гидроксидными группами. Рассчя тайте его заряд и напишите формулу соли. Как она называется? Какие свойства проявляет цинк в этих реакциях? 5. Калий и бром относятся к одному периоду (какому?). Какие проявляют калий и бром в реакции друг с другом? Ответ подтверД^^ уравнением реакции и уравнением диссоциации образовавшейся Дайте название соли. 168 § 34. Изменение свойств оксидов с возрастанием атомных масс химических элементов Вы заметили, что ряд элементов от натрия до аргона составляет третий период периодической системы элементов? Следовательно, мы исследовали характер изменения свойств простых веществ элементов одного периода, теперь исследуем характер изменения свойств оксидов в периоде. Свойства оксидов — кислотные или основные — зависят от свойства элементов, которые образуют эти оксиды. Можно сделать предположение, что характер изменения свойств оксидов будет напоминать характер изменения свойств простых веществ, образованных элементами выбранного нами ряда. Металлам соответствуют основные оксиды, а неметаллам — кислотные. Поскольку в исследуемом ряду от натрия до неона сначала проявляются металлические свойства простых веществ, а затем они переходят в неметаллические, то логично предположить, что характер оксидов будет изменяться от основных свойств к кислотным. Опыты подтверждают такой вывод: при взаимодействии с водой оксид натрия и оксид магния образуют основания, а оксиды фосфора (V), серы (VI), хлора (VII) — кислоты. Таким образом, с возрастанием атомных масс элементов свойства оксидов в ряду Na^O — изменяются от основ- ных к кислотным. Элемент Na Mg А1 Si P s Cl А г 23 24 27 28 31 32 35,5 Формула оксида Na,0 MgO AI2O3 SiO^ P2O5 SO3 CI3O, Характер оксида основные кислотные 1. Составьте уравнения следующих превращений: Na —> Na,0 NaOH; S ^ SO2 SO3 серы (VI) в этих реакциях? H^SO^. Какие свойства проявляют оксиды натрия и О степени проявления оксидами основных либо кислотных свойств можно судить по активности взаимодействия их с водой. Оксид натрия с водой взаимодействует очень активно, образуя щёлочь. Оксид магния менее активен в такой реакции. Он взаимодействует медленно и образует малорастворимое основание. Оксид алюминия с водой не взаимодействует. Его основные свойства проявляются в реакциях с кислотами и кислотными 169 оксидами. Можно видеть, что основные свойства оксидов от начала п середине ослабевают. 2. Составьте уравнения реакций оксида натрия с соляной кисло оксида магния с оксидом углерода (IV), оксида алюминия с окси серы (VI). Какие свойства проявляют в этих реакциях оксиды металлов^ Изменяется и степень проявления кислотных свойств оксидами неме таллов. Оксид кремния с водой не может взаимодействовать. Его кислот ные свойства проявляются в других реакциях. Оксид фосфора (V) жадно поглощает воду, а оксид серы (VI) реагирует с водой со взрывом. Отсюда видно, что к концу ряда оксидов SiO^ — 01^0^ кислотные свойства оксидов усиливаются. 3. Приведите уравнения реакций, доказывающих кислотные свойства оксида кремния и оксида хлора (VII). Постепенное изменение свойств оксидов приводит к тому, что некоторые из них сочетают противоположные свойства, то есть проявляют амфотерность. Можно предположить, что амфотерным является оксид алюминия Al^Oj. Для исследования свойств оксида алюминия проведём опыт. Опустим алюминиевую пластинку, покрытую оксидной пленкой, в соляную кислоту. Сначала мы не видим изменений, а через некоторое время начинает выделяться водород. Это алюминий взаимодействует с кислотой. Следовательно, оксидная плёнка прореагировала с кислото и более не защищает металл. ДРУ гую пластинку опустим в раствор щёлочи. В этом случае через неко торое время начинается реакций алюминия и щёлочи с выделени ^ водорода. Оксидная плёнка рилась и в кислоте, и в щёлочи. КИМ образом, опыты убедили растворяется оксид оксид растворился Рис. 126. Взаимодействие оксида алюминия с кислотой NaOH растворяется оксид оксид растворился Рис. 127. Взаимодействие оксида алюминия с щёлочью 170 ХОМ' ВОЙСТВ^> = qxo ОКСИД алюминия проявляет как основные, так и кислотные Al^Og + 6НС1 = AICI3 ОСНОВНОЙ кислота соль оксид зяр А\р^ + 2NaOH + ЗН,0 = 2Na[Al(OH)J КИСЛОТНЫЙ оксид основание Будет ли гашёная известь (раствор гидроксида кальция) очищать поверхность алюминия от оксидной плёнки? Ответ обоснуйте и подтвердите ^равнением реакции. Итак, опыты показали постепенное изменение свойств оксидов. 0 Оксиды элементов начала периода проявляют яркие основные свойства, затем основные свойства ослабевают, проявляются кислотные, которые усиливаются к концу периода. Оксид середины периода сочетает и те и другие свойства, то есть проявляет амфотерность. Вопросы и задания L*t к 1. Какими свойствами обладает оксид лития? При ответе учтите изменение свойств простых веществ в ряду от лития до фтора. Напишите уравнения реакций, доказывающих свойства оксида лития. 2. Будет ли оксид бериллия амфотерным? Приведите уравнения реакций, подтверждающих свойства оксида бериллия. Будут ли взаимодействовать оксид лития и оксид серы (VI), оксид магния и оксид фосфора (V), оксид калия и оксид селена (VI)? Напишите уравнения реакций. Какие свойства проявляет каждый из оксидов? Связаны ли эти свойства с местом положения соответствующих элементов в периодах? Какие из оксидов ряда Na^O — Cl^O^ взаимодействуют между собой? Приведите примеры реакций и составьте их уравнения. Какие свой-g ства проявляет каждый из оксидов? Составьте уравнения реакций для цепи превращений ZnO —> ZnSO^ —> 2п(ОН)з ZnO ^ Na2[Zn(OH)^]. Какие свойства в этих реакциях проявляет оксид цинка? В каком месте периода стоит цинк? '^Ра стоит в конце периода. Составьте цепь превращений серы и её •соединений (оксидов, кислот, солей) и докажите, что сера и её соеди-пания проявляют свойства соответственно её положению в периоде, пое Же задание выполните по отношению к элементу кальцию. 171 6, 7. Оксид меди (II) растворили в соляной кислоте. Раствор выпарили калили до удаления воды и получили вещество, содержащее меди и 52,7% хлора. Ещё одну порцию оксида меди (II) раствори ■ горячем концентрированном растворе щёлочи NaOH. После вьща ** * ния раствора получили вещество, содержащее 25,91% натрия, 35 меди, 36,05% кислорода и 2,25% водорода. Установите состав ппо тов реакций. Напишите их уравнения. Какие свойства проявляет ^ СИД меди (II)? Соответствуют ли они положению меди в IV периоде?^ § 35. Изменение свойств гидроксидов с возрастанием атомных масс химических элементов Характер изменения свойств простых веществ и оксидов элементов одного периода наводит на мысль, что свойства оснований и кислот будут изменяться подобным же образом. Кислородсодержащие кислоты и основания можно назвать одним термином — гидроксидами, так как в их структуре имеются группы ОН, как показано на рис. 128. Рис. 128. Структуры щёлочи (а) и кислоты (б) Здесь мы можем наблюдать важный закон природы: единство противоположностей и отсутствие границ между различными явлениями. В данном случае противоположные по свойствам кислоты и основания оказы ваются объединёнными в единый класс гидроксидов. Внутри этого класса различия доходят до противоположности. Они выражаются прежде всего в способе электролитической диссоциации. В основаниях в этом процессе разрушается связь между атомом металла и гидроксогруппой ОН. ® зультате в растворе появляются гидроксид-ионы, а атомы элемента, о р зевавшего гидроксид, образуют катионы (рис. 129). _ В процессе диссоциации кислот разрушению подвергается связь атомами кислорода и водорода внутри гидроксогруппы. В растворе ляются ионы водорода Н^, а атомы элемента, образовавшего кисл гидроксид, образуют анионы (рис. 130). 172 9 о» ® О» ® Рис. 129. Образование гидроксид-ионов при диссоциации щёлочи о 9 » Рис. 130. Образование ионов водорода при диссоциации кислоты В формуле кислоты знак водорода записывают на первом месте, подчёркивая способность его атома отщепляться от атома кислорода. Например, формулу кремниевой кислоты можно было бы записать Si(OH)^. Но принято её записывать H^SiO^. Нет резких границ и между другими классами веществ: оксидами и гидроксидами, солями и кислотами, солями и основаниями и так далее. Рассмотрим, например, постепенный переход гироксида алюминия в оксид. Структуры гидроксида и оксида алюминия отличаются ненамного: в гидроксиде атомы алюминия связываются через гидроксогруппы, а в оксиде через атомы кислорода. Ридроксид алюминия неустойчив. От него постепенно отщепляются •|^лекулы воды. При этом в структуре происходят изменения: постепенно “Дроксогруппы, связывающие атомы алюминия, превращаются в атомы ‘кислорода. НО ОН А1 А1 Но 1 ^ОН^ I \н но он -н,о о о ^ А1 А1 о" I О" I 'о О о 173 Трудно установить, в какой момент основание становится ок Можно только выделить крайние состояния структуры, когда все я металла будут связаны атомами кислорода (в оксиде) либо гидроксогв"'**^ ‘ --'“ОГруц пами (в гидроксиде). Между ними существует масса переходов, когда ве щество является одновременно гидроксидом и оксидом. Так, промежуток, ные между оксидом и гидроксидом составы имеют минералы бёмит АЮ(ОН), входящий в состав бокситов, лимонит FeO(OH). Такой же процесс постепенного перехода можно наблюдать при дегидратации кислот, например кремниевой кислоты. С постепенным отщеплением воды кремниевая кислота превращается в оксид кремния. Итак, выделение классов неорганических веществ касается крайних случаев структур соединений. Между ними наблюдается множество веществ с переходными структурами и постепенно меняющимися свойствами. Проследив свойства в ряду оксидов, мы можем исследовать изменение свойств в ряду гидроксидов, образованных элементами одного Рис. 131. Минералы боксит (а) и лимонит (б) периода. Формула оксида Формула гидроксида Характер гидроксида Na-O MgO А1,0- основания SiO, NaOH Mg(OH) Al(OH), Si(OH), P,0, SO, C1,0, H,A10, H^SiO, H,PO, H,SO, HCIO, кислоты Ha опыте мы убедились, что продукты взаимодействия оксидов натрия или магния с водой окрашивают лакмус в синий цвет, то есть основания. Продукты взаимодействия оксидов фосфора (V) и серы (VI) окрашивают лакмус в красный цвет, то есть образуют кислоты, основно-кислотные свойства будут постепенно изменяться от NaOH к ^ подобно изменению свойств соответствующих оксидов. нет®’ Гидроксид натрия представляет собой белое кристаллическое ^ ство, легко растворимое в воде. Раствор гидроксида натрия предст 174 "лочь. Гидроксид магния — белый порошок — мало растворяется собой активность ниже активности гидроксида натрия, в воД®- Приведите уравнения реакций, подтверждающих основные свойства ^^роксидов натрия и магния. Поскольку оксид алюминия проявляет амфотерные свойства, то и его ид должен быть амфотерным. Для подтверждения этого проведём К осадку гидроксида алюминия в двух стаканах добавим в один я в другой щёлочь. Осадок быстро растворяется как в одном, так кислоту, а и в другом случае (рис. 132). 2А1(ОН)з + ЗН^ЗО^ = А1з(80,)з + 6Н3О ОСНОВНОЙ кислота соль гидроксид А1(ОН)з кислотный гидроксид + NaOH = Na[Al(OH)J щёлочь соль 2. Что можно наблюдать, если к гидроксиду алюминия добавить раствор гидроксида лития? Ответ подтвердите уравнением реакции. В ряду гидроксидов элементов выбранного периода после гидроксида алюминия следуют кремниевые кислоты H^SiO^ или Н^ЗЮз. Последняя представляет собой студнеобразное вещество, которое образуется, как уже говорилось, из молекул Н^ЗЮ^ отщеплением молекул воды. Кислотные свойства кремниевых кислот проявляются в реакциях с щелочами. 3. Составьте уравнение реакции кремниевой кислоты с гидроксидом калия. Фосфорная кислота также спо-^ на к объединению молекул, хотя ^^меньшей степени. Она проявляет свойства в большей сте-кремниевая. Наиболее ^**слотные свойства прояв-‘'Исл ^ ряду серная и хлорная Все CTByjo ряда взаимодей- ссйп» ^ основными оксидами, "'^®»ниями. HCI / NaOH Рис. 132. Гидроксид алюминия растворяется как в кислоте, так и в щёлочи 175 ота? оваа- 4. С какими веществами вступает в реакции фосфорная Ответ подтвердите уравнениями реакций. ^ • Итак, мы проследили изменения свойств гидроксидов, образ ных элементами одного периода. ' 0 Свойства гидроксидов в ряду NaOH — НСЮ^ постепенно изменяют от основных с постепенным ослаблением и усилением кислотных св ” до типичных кислотных. Гидроксид середины ряда проявляет амфоте^ ные свойства. 1. 3. 4. 5. Вопросы и задания Докажите с помощью уравнений реакций основной характер гидроксида лития, амфотерный — гидроксида бериллия, кислотный — азотной кислоты. Докажите, что гидроксид калия обладает типичными основными свойствами. Приведите соответствующие уравнения реакций. Как доказать амфотерные свойства гидроксида цинка? Какие опыты следует провести? Составьте уравнения реакций, доказывающих амфо-терность гидроксида цинка. Какими реакциями можно подтвердить кислотные свойства хлорной кислоты? Напишите соответствующие уравнения реакций. Составьте уравнения реакций цепи превращений: S —> SO^ —> SO3 U,SO,-^ 7. 8. -> MgSO^ -> Mg(OH)2 —> Mg(N03)2. Какой характер проявляют гидроксиды (HgSO^ и Mg(OH)2) в этих реакциях? Ответ обоснуйте. Составьте уравнения реакций цепи превращений: А1 AICI3 А1(0Н)з А1з(80Дз -> А1(ОН)з Са[А1(ОН)^]з. Дайте названия продуктам реакций. Какие свойства в этих реакциях проявил гидроксид алюминия? Оксид таллия Tl^O с водой образует щёлочь, а оксид мышьяка (V) AS3O3 — кислоту. Объясните положением таллия и мышьяка в периодической системе, почему оксид таллия (I) проявляет основные свои ства, а оксид мышьяка (V) — кислотные. Ответ подтвердите уравнения ми реакций. Какими реакциями можно подтвердить основной харак^ тер гидроксида таллия (I), кислотный характер мышьяковой кислоты-Приведите примеры. Составьте уравнения следующих реакций: а) H^SeO, + NaOH б) Сг(ОН)з + НС1 в) Сг(ОН)з -t- КОН г) Ва(ОН)з + Н3РО, д) H3SO, + LiOH е) H3ASO, + RbOH Соответствуют ли свойства, проявляемые гидроксидами, поло элементов, их образующих, в периодической системе? 176 g 36, Периодический закон и строение атома Лтак, мы проследили изменения свойств простых веществ, оксидов и ,люксид0в, образованных элементами одного периода. На основании на-^^ений и умозаключений можно сделать общий вывод. Свойства простых веществ и соединений одного периода постепенно ^меяяются от металлических к неметаллическим, от основных к кислот-Хм с возрастанием атомных масс элементов. Вещества, образованные элементами середины периода, проявляют амфотерные свойства. Если проследить изменение свойств простых веществ и соединений элементов других периодов, то обнаруживается та же закономерность йх изменений. Дмитрий Иванович Менделеев, профессор Петербургского университета, сопоставил свойства элементов и их соединений известных групп. Сначала он сличил элементы групп, полярно различающихся по свойствам: щелочные металлы (Na, К, Rb, Cs) и галогены (F, С1, Вг, I). Рядом с группой щелочных металлов он поместил группу щёлочноземельных (Са, Sr, Ва). Получилась поначалу небольшая табличка: F = 19 Cl = 35,5 Вг = 80 I = 127 Na = 23 К = 39 Rb = 85,4 Cs = 133 Са = 40 Sr = 87,6 Ва = 137 Затем табличка расширялась с присоединением других групп элеме тов. Обнаружилось, что постепенное изменение свойств элементов и их соединений повторяется через определённое число элементов. Менделеев увидел, что металлические свойства сменяются неметаллическими, а основные — кислотными. Затем происходит резкий скачок свойств при переходе от галогена к щелочному металлу. На фоне постоянно меняющих ся свойств веществ от постепенного к скачкообразному, атомные массы элементов монотонно возрастают. Весь ряд элементов, выстроенных по ®®зрастанию атомных масс, естественным образом распадается на отдель-“'‘'е участки, в которых обнаруживается всё разнообразие свойств, пол-их цикл. Эти участки, включающие в себя определённое число эл^ **ввтов, Менделеев назвал периодами (от греческого слова periodos ‘^<икл. Круг»). Ему стало ясно, что элементы объединяются в период не ^^УЧайно, а подчиняясь определённому закону. Он назвал этот закон Рнодическим и сформулировал его так: ’2.; ■ «780 177 0 «Физические и химические свойства элементов, проявляю в свойствах простых и сложных тел, ими образуемых, стоят в пе*^**^*® ческой зависимости от их атомных весов». В те времена атомную массу называли атомным весом, вещество телом На основе периодического закона все элементы объединяются в ственную (природную) систему, которую Менделеев назвал «Периол^'^^^ ская система элементов по группам и рядам». Естественная взаимосвя^ элементов отражается графически в виде таблицы элементов, которая л*** нас стала привычной. ” Все элементы в периодической системе объединены в семь периодов (длиннопериодная периодическая система на заднем форзаце). 0 Период — это расположенные в ряд в порядке возрастания атомных масс химические элементы, которые проявляют постепенно изменяющиеся противоположные свойства простых и сложных веществ. Повторение периодов приводит к тому, что образуются вертикальные ряды элементов — группы. Поскольку в каждом периоде проявляется одна и та же закономерность упорядочения элементов, то в группы попадают элементы со сходными свойствами. Группа представляет собой ряд химических элементов, проявляющих сходные свойства. Вот эти группы элементов учёные обнаруживали задолго до открытия Менделеевым периодического закона. В периодической системе все элементы объединены в восемь групп (короткопериодная периодическая система на переднем форзаце). Периодическая система элементов помогала химикам упорядочить химические знания об элементах и их соединениях. Однако уровень знаний того времени не позволял обнаружить причины периодичности. Менделеев видел, что связь атомной массы и места элемента в общем ряду не всегда соблюдается. Например, можно видеть, что калий имеет атомную массу 39 и стоит после аргона, который имеет большую, чем У калия, атомную массу (АДАг) = 40). Как бы поменялись местами также теллур и иод, кобальт и никель. Если строго придерживаться порядке возрастания атомных масс, то следует поменять местами перечисленные пары элементов. Но тогда аргон попадает в группу щелочных металлов, на которые совсем не похож по свойствам. Калий попадает в группу инерт ных газов, будучи чрезвычайно активным металлом. Менделеев отд главенствующую роль свойствам элементов, а не значениям атомных Поэтому он позволил нарушить строгий порядок следования элементов^^^ возрастанию атомных масс. Но это нарушение свидетельствовало, 178 Рис. 133. Небесные тела Галактики состоят из тех же элементов, которые встречаются и на Земле С50цествуют какие-то неизвестные существенные причины периодичности свойств элементов. Раскрытие этих причин стало возможным после открытия строения атома. Из курса физики вам известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. Они создают электронную оболочку атома. Общий заряд электронов в атоме и заряд его ядра численно равны. Поэтому атом электронейтрал ен. Свойства химических элементов проявляются в химических реакциях простых и сложных веществ. В ходе химических реакций ядра атомов не изменяются, сохраняются их заряд и масса. Изменяются лишь электронные оболочки. Так, в реакциях металлов с неметаллами атомы превращаются в ионы. Известно, что положительный ион образуется путём отрыва одного или нескольких электронов от атома. Отрицательный ион образуется в результате присоединения электрона к атому. Следователь-®о> атомная масса не является определяющей, наиболее стабильной характеристикой элемента. !• Составьте уравнение взаимодействия магния и хлора. Что образует- в результате реакции? Напишите уравнение диссоциации продукта 12* 179 реакции. Какие ионы образовались из атомов магния, из атомов Напишите схемы превращений атомов в ионы. В начале XX столетия учёные смогли установить заряды ядер ат всех химических элементов. При этом оказалось, что в периодиче системе элементы следуют друг за другом точно по возрастанию зап*^*^'^^ их ядер. Заряд ядра является наиболее стабильной характеристикой ма. В связи с этим периодический закон в наше время формулируй более точно. ^ 0 Свойства химических элементов, а также свойства простых веществ соединений находятся в периодической зависимости от зарядов ядер «х атомов. В клетке каждого химического элемента обозначено число — порядковый номер. Он указывает на заряд ядра атома химического элемента. Изучая физику, вы узнали, что в состав ядра атома входят два вида частиц: протоны с зарядом +1 и нейтроны, не имеющие заряда. Массы протона и нейтрона примерно равны 1 а.е.м. От числа протонов зависит заряд ядра, а от общего числа протонов и нейтронов — его масса. Так, ядро атома углерода содержит б протонов и 6 нейтронов. Отсюда заряд ядра атома углерода 2 = +6, а масса ядра m = 12. Заряд ядра и его массу принято обозначать слева от знака элемента. 12 31 2. Каковы заряд и масса ядра атома, в состав которого входит 8 протонов и 8 нейтронов? Назовите этот химический элемент. Число протонов в ядре атома данного химического элемента неизменно. Если каким-либо способом изменить число протонов, то атомы одного химического элемента превращаются в атомы другого. Происходит ядер-ная реакция. Ядерные реакции могут происходить самопроизвольно или при бомбардировании ядер какими-либо частицами: протонами р, нейтронами п, электронами е, альфа-частицами, то есть ядрами гелия Не с заря* дом +2 и массой 4. Например, если ядро атома азота бомбардировать альфа-частицами, то заряд ядра изменяется до 4-8. Но это будет ядро атома кислорода. 14 ,N + зНе 17 -4 -О -f ,р 3. в результате ядерного процесса ядра атомов алюминия бомбард**^ руются альфа-частицами. При этом образуются ядра атомов кремния 180 ,н ,н о .н Рис. 134. Различие в составе ядер атомов водорода Г.МЫ Какова масса ядра атома кремния? Напишите уравнение этого лротои” • ЛроДвсса- Итак, главной характеристикой элемента является заряд ядра его ато-Тогда следует уточнить определение химического элемента. Химическим элементом называют вид атомов с определённым заря-дом ядер. Число нейтронов не влияет на заряд ядра. Чдра одного химического элемента могут иметь разное число нейтронов. Так, атомы углерода могут иметь 6, 7 или другое число нейтронов. При этом атомы будут различаться массами ядер. В первом случае масса ядра атома углерода равна 12, во втором — 13. Таким образом, к одному и тому же химическому элементу относятся атомы, ядра которых могут иметь различное число нейтронов, а следовательно, различную массу (рис. 134). 0 Разновидности атомов данного химического элемента, отличающиеся массой ядер, называют изотопами. Определённое ядро с данным числом протонов и нейтронов называется нуклидом (от латинского nucleus — «ядро»). Изотопы одного химического элемента занимают в периодической системе одно и то же место. Они получили своё название от греческих слов isos — «одинаковый», topos — «место». К химическому элементу углероду относятся нуклиды с массой 12 и 13 (другие изотопы нестабильны). Оба нуклида находятся в одной клетке периодической системы под номером б, так как заряды ядер всех изотопов углерода равны -f6. 4. Каковы массы ядер кислорода, состоящих из 8 протонов и 8 нейтронов; 8 протонов и 9 нейтронов; 8 протонов и 10 нейтронов? Масса ядра составляет примерно 99,9% всей массы атома. Поэтому на величину атомной массы элемента общая масса электронов влияния практически не оказывает. Она зависит от изотопного состава и является усреднённым значением масс атомов всех нуклидов, составляющих данный химический элемент. Так, хлор состоит из 75,8% атомов с массой 35 и 24,2% атомов с массой 37, а усреднённая атомная масса хлора будет Равна 35,5: 181 wrn 75,8% • 35 + 24,2% . 37 Зная изотопный состав химических элементов, можно объяснить • чему калий, теллур и некоторые другие элементы с большей атом1^о° массой предшествуют элементам, имеющим меньшую атомную мае ** Природный теллур состоит из восьми изотопов. Среди них преоблада^^ нуклиды с массой ядер 126, 128 и 130. Усреднённая атомная масса теллу- ра (127,6) оказывается больше атомной массы иода (126,9), Но заряд ядра атома теллура (+52) меньше, чем заряд ядра атома иода (+53). Потому-то теллур располагается в периоде раньше иода. Вопросы и задания 1. Какую структуру имеет периодическая система: как называют горизонтальные, вертикальные ряды, сколько их? 2. Какие элементы объединяются в один период? в одну группу? 3. Как изменяется в периодах валентность химических элементов в оксидах, в водородных соединениях элементов? Напишите формулы оксида азота в высшей валентности и нитрида водорода (низшая валентность азота). Чему равна сумма высшей и низшей валентностей азота? С каким числом в периодической системе совпадает эта сумма? 4. К какой группе относятся элементы, имеющие формулу оксида ЭО? Э — любой элемент этой группы. Какими свойствами обладают эти оксиды? Что образуется при взаимодействии этих оксидов с водой? Ответ подтвердите примерами и приведите уравнения реакций, 5. Какими свойствами обладают оксиды элементов с порядковым номером 37 и 33? Могут ли они взаимодействовать друг с другом, с водой? Ответы подтвердите уравнениями реакций. 6. Каков состав атома? Каков состав ядра атома? Заполните таблицу^ перечислив частицы, входящие в состав атома: Название частицы Масса Заряд В состав какой части атома входит частицу 1. 2. 3. 7. Определите по периодической системе заряд ядра и число электрод в атомах алюминия, кальция, цинка, иода. 182 химического элемента включает в себя 16 протонов и 16 нейтро-g элемент. Сколько электронов входит в состав его ? Каковы атомная масса и заряд ядра атома этого элемента? а’*'® „ому периоду и какой группе относится этот элемент? Какова ^ ^ vлa и характер его оксида в высшей валентности? Подтвердите фениями реакций. Сколько протонов и сколько нейтронов входит в состав ядер атомов .Si, 39 Вг, ,,К? Чем отличаются атомы изотопов одного химического элемента? Дайте определение химическому элементу. Какая числовая характеристика элемента является наиболее важной? 11 Природный калий состоит из нуклидов '^®К (93,26%), '“’К (0,0117%) и як (6,73%); аргон состоит из ^®Аг (0,337%), ®®Аг (0,063%) и ^®Аг (99,6%). Используя указанные в скобках массовые доли нуклидов, рассчитайте усреднённые атомные массы элементов. Как с помощью этих данных объяснить, что калий в периодической системе стоит после аргона? § 37. Причины периодичности свойств элементов Химические свойства элементов и их соединений проявляются в химических реакциях. Как уже было сказано, химические свойства элементов связаны со строением электронных оболочек их атомов. Рассмотрим строение электронных оболочек. Наиболее простую электронную оболочку имеет атом водорода. Его ядро состоит из одного протона, то есть имеет заряд -Ы. Электронная оболочка образована единственным движущимся вокруг ядра электроном. Опыты Э. Резерфорда, с которыми вы познакомились при изучении ч* зики, показали, что ядро занимает очень небольшую часть объёма все-атома. Так, в атоме водорода ядро имеет диаметр в 100 000 раз меньше Ров сферы, в которой движется электрон. Соотношение разме- и всего атома можно представить в сравнениях. Если увеличить шара с диаметром 1 мм (размер булавочной головки), то втома увеличится до 100 м (размер футбольного поля), ставл пример, не правда ли? Он даёт сравнительное пред- о внутреннем строении атома. Атом можно представить как Ядро пространство, в глубинах которого затерялось крошечное этом пространстве с огромной скоростью движется ещё более III Рис. 135. Модель атома водо рода крошечный электрон, масса которого примерно в 1840 раз мен{, массы протона — ядра атома водорода. Представление о строении атома можно выразить с помощью мол "Но модель не может передать истинное соотношение размеров атома ядра. Поэтому придётся пренебречь истинным соотношением размеп ** На рис. 135 приведена модель атома водопо* без учёта соотношения размеров. В атомах других химических элементов за ряды ядер больше единицы, а число электрово соответствует заряду ядра. Но сколько бы электронов ни находилось в электронной оболочке все они движутся в определённом порядке. Иными словами, электронная оболочка имеет определённое строение. Чтобы узнать, какова структура электронной оболочки, атомы исследуют различными способами. Один из них заключается в энергетическом воздействии на атомы. При действии на атом энергией в какой-либо форме (чаще электромагнитной, светом, рентгеновским излучением и др.) от атома отрываются электроны. Энергию, которая затрачивается на отрыв электронов и удаление их из атомов, можно измерить. Исследованием установлено, что для отрыва от атома бериллия двух электронов требуется затратить 2657 кДж энергии на 1 моль атомов. Для отрыва двух оставшихся электронов уже затрачивается 37 540 кДж на 1 моль атомов. Такая огромная разница в затрачиваемой энергии свидетельствует о том, что два первых электрона притягиваются ядром слабее, а два других — сильнее. Сила притяжения между разноимёнными зарядами зависит от расстояния между ними. Отсюда следует вывод, что в атоме бериллия электроны движутся на разном удалении от ядра: два из них движутся ближе к ядру, ^ других — дальше. Это можно представить мо делью атома (рис. 136). На модели показано, что электроны движут ся, как бы образуя электронные слои. ® _ бериллия их два. Каждому электронному соответствует энергия, которая равна той, Рис. 136. Модель атома бериллия затрачивается на удаление электрона из Эту энергию называют энергетическим УР' атома- овнем- 184 «энергетический уровень» часто употребляют вместо термина ■'^^ктронный слой». .ррлм, как распределяются электроны в соответствии с энерге-ями уровнями в атомах химических элементов, начиная с первого ___ водорода. Один электрон водорода и два электрона гелия дви- 03 них о ппеделах первого электронного слоя. В первом, ближайшем к ясутся в нр « . _ . Укажем число электронов у атомов элементов 1-го периода. электронном слое может находиться не более двух электронов. С атома лития начинает строиться второй электронный слой. В его пределах может двигаться не более восьми электронов. При переходе от элемента к элементу он постепенно заполняется электронами. Первый электрон второго слоя появляется в атоме лития. У каждого последующего элемента заряд ядра атома возрастает на единицу и во втором электронном слое прибавляется по одному электрону: у бериллия их два, у бора — три, у углерода — четыре, у азота — пять, у кислорода — шесть, у фтора — семь, у последнего в периоде элемента неона — восемь. Li Be В С N 0 F Ne 1-й электронный слой 2 2 2 2 2 2 2 2 2-й электронный слой 1 2 3 4 5 6 7 8 За неоном следует натрий, в атоме которого прибавляется еще один электрон. Поскольку два первых слоя заполнены, то последующий электрон атома натрия располагается на третьем электронном слое. Не правда это напоминает начало построения второго электронного слоя у ли-За натрием следуют элементы, в атомах которых заполняется третий тронный слой в том же порядке, что и у элементов предыдущего ^ода. Как и у неона, у атома аргона на третьем электронном слое gjjojj максимальное число электронов — восемь. Восьмиэлектронный оказывается устойчивым. Na Mg А1 Si Р S Cl Ar СЛОЙ 2 2 2 2 2 2 2 2 слой 8 8 8 8 8 8 8 8 слой 1 2 3 4 5 6 7 8 185 Нетрудно заметить, что два элемента — водород Н и гелий Не атомов которых заполняется первый электронный слой, состав " ^ 1-й период периодической системы. Элементы от лития до неона ляют 2-й период. У атомов этих элементов заполняется второй элект^*^ ный слой. У атомов элементов 3-го периода от натрия до аргона зя^°** няется третий электронный слой. Как можно видеть, число электрон слоёв совпадает с номером периода, в котором находится элемент Следует вывод: в одном периоде объединяются элементы с одинак вым числом электронных слоёв в атомах. Атом химического элемента, стоящего в начале периода и относящего ся к первой группе, имеет один внешний электрон при заполненных внутренних слоях. Атомы элементов II группы имеют два электрона на внешнем слое. У атомов элементов III группы — три внешних электрона (см длиннопериодную таблицу). Следует еще один йывод: элементы с аналогичным строением электронной оболочки объединяются в единую группу. 1. По положению селена в периодической системе определите: сколько внешних электронов имеет атом селена, сколько электронных слоёв входит в состав электронной оболочки атома селена. Итак, порядок следования элементов друг за другом, объединение их в периоды и группы не являются случайными. Это связано с порядком построения электронных оболочек. Периодическая таблица является своеобразным отражением порядка формирования электронных оболочек в атомах химических элементов. Как известно, высшая валентность химических элементов часто совпадает с номером группы. Для элементов трёх первых периодов с номером группы совпадает и число внешних электронов. Отсюда следует, что валентность химических элементов находится в зависимости от числа внешних электронов. Следовательно, на химические свойства элементов и их соединений оказывает влияние строение внешнего электронного слоя атома. Постепенное изменение числа электронов на внешнем электронном слое ведёт к постепенному изменению свойств химических элементов и их соединений в периоде. Резкий скачок в свойствах при переходе от галоге нов (F, С1, Вг, I) к инертным газам (Ne, Аг, Кг, Хе) — следствие того, что внешний электронный слой атомов при появлении восьмого элекпгрои^ становится устойчивым. Поэтому инертные газы в природе находятся виде одиночных атомов, не образующих природные соединения. Только для криптона и ксенона сравнительно недавно получен ряд соединении. 186 Следующий резкий скачок в свойствах происходит при переходе от инертных газов к щелочным металлам (Не — Li, Ne — Na, Ar — К, Кг — Rb, Хе — Cs). Причина скачкообразного изменения свойств при этих переходах заключается в том, что в атоме щелочного металла следующий электрон появляется на новом электронном слое, на более далёком от ядра расстоянии, чем все предшествующие электроны. [2 Периодичность в изменении свойств химических элементов проявляется потому, что периодически изменяется строение электронных оболочек в атомах химических элементов, расположенных в порядке возрастания зарядов их ядер. Вопросы и задания 1. 2. 3. 5. Как объяснить постепенное изменение свойств элементов и их соединений в периодах и периодическую повторяемость свойств? Сколько электронных слоёв в атоме бария? Сколько электронов на внещнем электронном слое в атоме этого элемента? Сколько электронов находится в электронной оболочке атома фосфора? Сколько у него электронных слоёв? Сколько электронов на внещнем электронном слое? Почему его высшая валентность равна V? В каком периоде и в какой группе находится элемент, имеющий в атоме: а) три электронных слоя и два электрона на внешнем слое; б) четыре электронных слоя и один электрон на внешнем слое? Назовите эти элементы, укажите место положения их в периодической системе (порядковый номер, номер периода и номер группы). Сколько электронов в электронной оболочке атома, имеющего порядковый номер 32? Как называется этот элемент? Сколько электронов на внещнем электронном слое? Каков номер внещнего электронного слоя? Заполните следующую таблицу. Символ элемента Общее число электронов Распределение электронов по слоям Число электронных слоёв № периода Число электронов на внешнем слое № группы 13 9 20 . Ш i 187 Рис. 137. Разноцветные огни сигнализируют об атомах различных элементов Рис. 138. Разложение солнечного света на цветовые составляющие 188 ределённом расстоянии от ядра. Чем дальше от ядра, тем меньше вероятность обнаружить там электрон. Атом водорода имеет один электрон, который занимает показанную на рис. 135 орбиталь. Но как движутся электроны в атоме, если их много (12, 50 или 100)? Увидеть картину распределения движения электронов невозмож^ Слишком малы размеры изучав объектов. Поэтому установить исти ну можно только косвенным Учёные судят о строении атома определённым сигналам, котор Рис. 139. Радуга ЛОЖНО получить от атомов. Например, вещество раскаляют, то есть сообщают ему энергию. Эта энергия поглощается атомами. Атомы испускают полученную энергию в виде светового луча, который в ряде случаев может быть окращенным. Так, атомы натрия сигнализируют о своём присутствии ясёлтым светом. Атомы меди испускают зелёный свет, атомы стронция — багряный и так далее. Это можно видеть на простом опыте (рис. 137). Внесём соль натрия в пламя горелки и увидим, что огонь приобретает жёлтый цвет. Соль лития делает огонь красным, соль калия — фиолетовым, а соль меди — зелёным. Так «разговаривают» атомы, а дело учёных — понять их «язык», сигналы, которые они посылают в виде светового луча. Испускаемое атомами излучение пропускают через специальный прибор — спектрометр. В этом приборе помещается призма, способная разлагать свет на составные части — окрашенные лучи (рис. 138). Подобным образом капли воды в атмосфере пропускают через себя солнечный свет и разлагают его. А мы в это время наблюдаем радугу: семь цветов солнечного света, или, как это называют, спектр (рис. 139). Точно так же свет, исходящий от раскалённого простого вещества (водорода, натрия, железа и других), пропущенный через стеклянную призму спектрометра, разла-^ гается на составные части. Каждый элемент имеет свой собственный не-ч повторимый спектр (рис. 140). По спектру можно узнать атомы элемента^ где бы они ни находились: на Солнце, на самых удалённых звёздах или^ в составе образца неизвестного вещества. Полученные спектры учёны^ расщифровывают и делают выводы о строении атомов. Рис. 140. Спектры некоторых элементов При ближайшем рассмотрении спектральные линии оказываются неодинаковыми: одни резкие, другие размытые и так далее. Так, исследователи обнаружили различные линии и дали им названия: sharp ($) резкая, principal (р) — главная, diffuse (d) — диффузная и другие. Оказалось, что разные линии соответствуют различным формам орбиталей Линии sharp отвечает шарообразная форма орбитали, линии principal —^ гантелеобразная, линии diffuse — более сложная, другим линиям — ещё более сложные формы. Эти формы орбиталей показаны на рис. 141. Их обозначают начальными буквами соответствующих линий. S р d Рис. 141. Формы орбиталей Итак, орбитали, а значит, и электронные облака в атоме отнюдь не одинаковы. Они отличаются друг от друга формой и размерами. Размеры s-облаков различаются в зависимости от того, на каком энергетическом уровне находится электрон. Чем ближе к ядру, тем сильнее притяжение электрона и меньше размер его электронного облака. С удалением от ядра размер электронного облака возрастает. Ещё одну загадку задали учёным спектры. Если раскалённое вещество внести в магнитное поле, то многие спектральные линии расщепляются на несколько более тонких. Линия principal расщепляется на три более тонкие, другие линии — на большее число линий, и только линия sharp не расщепляется. Без магнитного поля S 1 р 1 В магнитном поле 1 III Это расщепление линий в магнитном поле связано с различным расположением орбиталей в пространстве. Движущийся электрон заряжен, а, как известно, движущийся заряд представляет собой магнит. Такой электрон-магнитик взаимодействует с внешним магнитным полем. Это взаимодействие зависит от расположения орбитали в пространстве. Например, р-орбитали располагаются тремя способами: по трём осям координат, мысленно проведённых через ядро как центр координат (рис. 142). 190 щепление линии principal на три тонких и показывает, что р-орбитали ^огут располагаться в пространстве тремя способами под углом 90° друг к ДРУ^У- Рис. 142. Расположение орбиталей в пространстве А вот линия sharp не расщепляется в магнитном поле. Значит, s-орбиталь имеет единственный способ расположения в пространстве. Это и понятно, шар не имеет протяжённости в каком-либо направлении и располагается относительно осей координат симметрично. Более сложные по форме d-орбитали располагаются относительно друг друга пятью способами, а /-орбитали — семью. Орбитали разных форм отличаются друг от друга энергией. Поэтому совокупность орбиталей одной формы называют энергетическим подуровнем. Одна s-орбиталь составляет s-подуровень, три р-орбитали — р-под-уровень, пять d-орбиталей — d-подуровень. Электроны, находящиеся на разных электронных слоях, притягиваются к ядру с разной силой. Различна сила притяжения электронов разных подуровней: s-электроны сильнее притягиваются, чем р-электроны, а р-электроны сильнее, чем d-электроны. Орбитали объединяются в электронные слои. Каждый из них имеет свою структуру и состоит из орбиталей разных форм (орбиталей разных подуровней). Первый энергетический уровень (электронный слой) включает один подуровень, второй уровень (электронный слой) — два подуровня, третий — три и т. д. 1-й электронный слой — S-подуровень — 1 орбиталь 2-й электронный слой — s-подуровень — 1 орбиталь р-подуровень — 3 орбитали 3-й электронный слой — s-подуровень — 1 орбиталь р-подуровень — 3 орбитали d-подуровень — 5 орбиталей 1. Орбитали каких форм составляют 4-й электронный слой? Сколько подуровней и сколько орбиталей в этом электронном слое? 191 Рис, 143. Модели первого (а) и второго (б) электронных слоёв Зная структуру каждого эдек тронного слоя, можно образно пре ставить все электронные слои вме сте. Первый слой содержит только одну s-орбиталь, второй слой содер. жит одну s-орбиталь и три р-орби-тали (рис. 143). Электроны первого слоя сильнее притягиваются ядроц чем электроны второго слоя. Поэтому s-орбиталь первого слоя меньще по размеру, чем s-орбиталь второго слоя. На рис. 143 художнику пришлось условно ограничить каждое электронное облако белым пунктиром, чтобы они были различимы. Если бы мы захотели изобразить третий слой, то пришлось бы вырисовывать ещё пять rf-орбиталей. Рисунок получился бы громоздким. Поэтому принято изображать структуры электронных слоёв графически, условно. Орбиталь рисуется не в виде электронного облака, а обозначается чёрточкой. На схеме отражается относительная энергия электронных слоёв — энергетические уровни. Уровень с более низкой энергией изображают ниже, а с более высокой — выше. Это касается и орбиталей с разной энергией. Три первых электронных слоя можно изобразить следующей графической схемой. Под каждым подуровнем указан номер электронного слоя и форма орбитали (Is, 2s, 2р и т. д.). Вопросы и задания 1. Иногда сравнивают движение электронов вокруг ядра с движением планет вокруг Солнца. Масса Солнца, как и масса ядра по отношению 192 к массе атома, составляет 99,9% от массы всей Солнечной системы. Диаметр Солнца на четыре порядка меньше диаметра Солнечной системы. Примерно на пять порядков диаметр всего атома превышает диаметр ядра. Напрашивается вывод, что атом и Солнечная система имеют аналогичное строение. Быть может. Солнечная система представляет собой увеличенный атом? Как вы думаете, в чём принципиальные различия атома и Солнечной системы? 2. Какими способами учёные узнают тайны строения атома? С помопдью каких сигналов атомы «разговаривают» с учёными? Какой цвет появляется при внесении в огонь соединений меди, калия, натрия? 3. Сколько способов расположения относительно мысленных осей координат имеют S-, р-, d-, /-орбитали? Вылепите из пластилина s-орбиталь и три р-орбитали. Оси х, у, z обозначьте проволочками или спичками. 4. Как распределяются электроны в атомах лития, неона, натрия? Почему литий и неон относятся ко 2-му периоду, а натрий — к 3-му? 5. Почему 2-й период включает больше химических элементов по сравнению с 1-м периодом? Ответ обоснуйте. § 39. Порядок заполнения орбиталей электронами. Малые и большие периоды Зная структуру электронных слоёв, можно представить структуру всей электронной оболочки атома. Для этого познакомимся с правилами заполнения орбиталей электронами. Этих правил три. Первое правило заключается в следующем. 0 На каждой орбитали может помещаться не более двух электронов. Например, два электрона 1-го слоя занимают единственную s-орби-таль. Восемь электронов 2-го слоя занимают одну s-орбиталь и три р-орбитали и т. д. 1. Сколько электронов может поместиться на s-орбитали, на трёх р-орбиталях? Второе правило касается порядка заполнения орбиталей электронами. 0 Электроны занимают орбитали в порядке ослабления притяжения электронов к ядру, то есть в порядке возрастания энергии орбиталей. Чем ближе к ядру находится электрон, тем сильнее он притягивается и тем меньше его потенциальная энергия. Чем дальше электрон удаляется от ядра, тем меньше сила притяжения его к ядру, тем больше его энергия. 13. Зак. 6780 193 2. На каком электронном слое энергия электрона выше: на первом ид на третьем? На каких орбиталях электроны имеют более высокую энеь гию: на 3s, Зр или 3d? Рассмотрим порядок заполнения орбиталей электронами на примере атома магния. У атома магния происходит заполнение трёх электронных слоёв. В его электронной оболочке движется 12 электронов. Два из них занимают s-орбиталь 1-го слоя. Следующие восемь электронов — одну s-орбиталь и три р-орбитали 2-го слоя. Оставшиеся два электрона занимают s-орбиталь 3-го слоя. Распределение электронов можно изобразить графически с помощью энергетической схемы. В ней каждый электрон изображают стрелочкой. В энергетической схеме электронной оболочки более наглядно показано распределение электронов. В ней также представлены незаполненные электронами орбитали. Распределение электронов в атоме можно записать более обобщённо, но менее наглядно, в виде электронной формулы: Is^ 2s^ 2р« 3s2 Цифры перед буквенным обозначением орбиталей указывают на номер электронного слоя. Число электронов в орбиталях показано сверху справа от буквы, обозначающей орбиталь. Наряду с силами притяжения в атоме действуют и силы отталкивания. Ясно, что отталкиваться могут между собой одноимённо заряженные электроны. Чем больще электронов находится на электронном слое, тем больше между ними силы отталкивания. Атом приобретает устойчивость в результате уравновешивания сил отталкивания и притяжения. Это можно проиллюстрировать примером заполнения орбиталей 3-го электронного слоя: 3s-, Зр- и Зс?-орбиталей. Как уже было сказано, электроны на За-орбитали имеют более низкую энергию, а электроны на 194 ЗЙ'Орбиталях — наиболее высокую для данного электронного слоя. Поэто-орбитали заполняются электронами в следующем порядке: сначала заполняется За-орбиталь, затем Зр-, наконец, Зс?-орбитали. Но между восемью электронами на За- и Зр-орбиталях силы отталкивания довольно значительны. Когда к ним присоединяется девятый электрон на Зс^-орби-таль, то эти силы начинают преобладать над силами притяжения. Поэтому электрон не может удержаться на Зс^-орбитали и выталкивается на следующий, более удалённый слой, на 4а-орбиталь. Когда заряд ядра возрастает, а следовательно, возрастают силы притяжения, то появляется возможность заполнения Зй-орбиталей. Из сказанного следует, что порядок заполнения орбиталей электронами не прямой. Его можно представить следующим рядом: Is < 2s < 2р < 3s < Зр < 4s < 3d < 4р < 5s < 4d < 5р < 6s < 4/ = 5d < 6р < 7s < 5^ » 6d... Итак, сначала заполняются s- и р-орбитали данного слоя. Затем электроны «перескакивают» через d-орбитали в s-орбиталь следующего электронного слоя. Когда эта орбиталь заполнится, электроны поступают в «пропущенные» d-орбитали предыдущего слоя. Третье правило устанавливает порядок заполнения электронами одного подуровня. 0 Электроны одного подуровня сначала занимают орбитали по одному. По мере увеличения числа электронов орбитали заполняются по второму электрону. Например, три электрона помещаются на р-орбиталях следующим образом: I I I т т т р Шесть электронов в р-орбиталях располагаются попарно, и образуются электронные пары. # 3. Как расположить пять электронов в пяти d-орбиталях; три электрона в d-орбиталях; четыре электрона в р-орбиталях; семь электронов в семи /-орбиталях? У элементов 1-го периода электроны занимают ls-орбиталь. н, Is Is 13* 195 в атомах элементов 2-го периода заполняется второй электронный Он начинает заполняться с 2а-орбитали. слой. Li , 2р 2s 2s Is Is В атомах следующих элементов этого периода заполняются 2р-орби-тали. В 2р 2s 2s 2р Is "И- Is i -t- ° if “f “f if 2p -И- if 2p 2s 2s 2s Is if Is Is Завершается 2р-подуровень у неона. На примере двух периодов убеждаемся, что число элементов в периоде определяется числом электронов в электронном слое, который находится в процессе заполнения. На первом слое содержится два электрона, поэтому 1-й период включает два химических элемента. На втором электронном слое содержится 8 электронов, и 8 элементов включает второй период. 4. Какой электронный слой заполняется у атомов 3-го периода? Начертите электронные схемы атомов элементов этого периода. 196 g атомах элементов 3-го периода электронами заполняются s-орбитали р-орбитали третьего электронного слоя. Поэтому этот период включает а элементов, как и 2-й. Первые три периода называют малыми. g атомах двух первых элементов, начинающих каждый период, заполняется s-орбиталь. Эти элементы относят к семейству s-элементов. В каж-ом периоде находится по два s-элемента. К s-элементам относятся элементы I'l"® периода Н и Не. Во 2-м периоде s-элементами являются Li и Be, в 3-м — Na и Mg, в 4-м — К и Са и так далее. В атомах последующих элементов заполняется р-подуровень. Эти элементы относятся к семейству р-элементов. В р-подуровне заполняются три орбитали, в которых помещается 6 электронов. Поэтому каждый период содержит по шесть р-элементов. В 1-м периоде не может быть р-элементов, так как первый электронный слой не содержит р-подуровня. Они появляются во 2-м периоде. К ним относятся элементы от В до Ne. В 3-м периоде к р-элементам относятся элементы от А1 до Аг. У атома аргона, завершающего период, заполнены все s- и р-орбитали третьего электронного слоя. Как мы уже знаем, этот электронный слой кроме S- и р-орбиталей имеет d-орбитали. Но не в них устремляются следующие электроны. У калия и кальция, которые следуют за аргоном, заполняется 4а-орбиталь. Поэтому они начинают новый период. 5. Начертите схему электронной оболочки атома кальция. В атомах следующих за кальцием элементов, начиная со скандия, заполняются Зй-орбитали. В пяти d-орбиталях помещается 10 электронов. Эти орбитали заполняются у десяти элементов от скандия Sc до цинка Zn. Элементы, у которых в стадии заполнения находятся d-орбитали, относятся к семейству d-элементов. Подобно р-орбиталям, d-орбитали заполняются сначала по одному электрону, а затем по второму. 6. Сколько электронов находится в d-орбиталях атомов марганца и железа? Начертите схемы электронных оболочек этих атомов. У каких элементов 4-го периода d-орбитали заполняются по одному электрону, а У каких — по два? У атомов от Sc до Мп d-орбитали содержат от одного до пяти электронов, расположенных по одному электрону в орбиталях. Например, Мп i i + У атома железа появляется электрон, который спаривается с одним из непарных d-электронов. Fe ^ 197 Процесс полного заполнения d-орбиталей заканчивается у цинка. После завершения Зй-подуровня электроны начинают заполнять 4р-орбитали. Как любой период, 4-й период завершается шестью р-элемен-тами. Таким образом, в этом периоде оказывается 18 элементов, в электронных оболочках которых заполняются 4s-, 3d- и 4р-орбитали. Это дв^ s-элемента (К и Са), десять d-элементов (от Sc до Zn) и шесть р-элементов (от Ga до Кг). Периоды, включающие d- и /-элементы, называют большими периодами. Порядок расположения s-, р- и d-элементов в малых и больших периодах отражает порядок заполнения орбиталей электронами (см. длиннопериодную форму периодической системы). Известно, что простые вещества химических элементов начала периода являются металлами, а конца периода — неметаллами. В малых периодах переход от металлических к неметаллическим свойствам происходит резче, чем в больших периодах. К элементам-металлам больших периодов относятся s-, а также некоторые р- и все d-элементы. На внешнем электронном слое d-элементов находится обычно 1—2 электрона, как у s-элементов. Неметаллические свойства элементов больших периодов проявляются у р-элементов конца периода. 7. Начертите схемы электронных оболочек р-элементов алюминия и серы. Все ли р-элементы образуют простые вещества с неметаллическими свойствами? Некоторые р-элементы являются металлами, например алюминий, галлий, свинец и некоторые другие. Вопросы и задания 1. В каком порядке электроны заполняют орбитали? Как порядок заполнения орбиталей определяет структуру периодической системы элементов? 2. Какие периоды относятся к малым, какие — к большим? Элементы каких семейств входят в малые и большие периоды? 3. Как распределяются электроны в атомах лития, неона, кремния? Напишите электронные формулы и начертите схемы электронных оболочек атомов этих элементов. Почему литий и неон относятся ко 2-му периоду, а кремний — к 3-му? К каким семействам относятся эти элементы? 198 4. Сравните структуры электронных оболочек следующих химических элементов: а) Mg, А1, Si, Р; б) О, F, Ne, Na; в) Са, Sc, Ti, V. Какие из них образуют металлы, а какие — неметаллы? 5. К каким семействам относятся следующие элементы 4-го периода: К, Со, Вг? Ответ подтвердите составлением схем электронных оболочек атомов этих элементов. 6. Сколько электронов находится во внешнем электронном слое атома с зарядом ядра 4-30? Назовите его. В каком периоде и в какой группе находится этот элемент? Начертите схему электронной оболочки его атома. Соответствует ли число электронных слоёв номеру периода, а число внешних электронов — номеру группы, в которой находится элемент? К какому семейству элементов он относится? 7. Начертите схемы электронных оболочек Sr, Zr, Sn. К какому периоду относятся эти элементы? Соответствует ли число электронных слоёв в электронных оболочках атомов этих элементов номеру периода? У какого элемента размер атома наибольший, у какого — наименьший? 8. Рассчитайте формулу вещества, содержащего 2% водорода, 65,3% кислорода и 32,7% серы по массе. Какими свойствами обладает это вещество и к какому классу веществ относится? Соответствует ли положение серы в периоде характеру данного вещества? Составьте уравнения реакций, характерных для этого вещества. 9. Рассчитайте атомную массу элемента по формуле оксида ЭО, если сй(0) = 40%, а 0)(Э) = 60%. В какой группе находится элемент, обозначенный знаком Э? К какому классу оксидов относится оксид ЭО? Назовите его и подтвердите его характер уравнениями реакций. § 40. Группы и подгруппы химических элементов Рассматривая структуры электронных оболочек атомов химических элементов в периодах, мы отмети.ти, что в одной группе оказываются элементы с аналогичным строением электронных оболочек. 1. Начертите энергетические схемы электронных оболочек К и Na, Cl и Вг. Что общего между структурами электронных оболочек элементов каждой пары? В I группу попадают элементы с одним внешним s-электроном, а во II — с двумя s-электронами на внешнем электронном слое. Ряд элементов III группы кроме двух s-электронов имеют еще по одному /^-электрону. В последующих группах объединены р-элементы, имеющие от 2 до 6 р-электронов на внешнем электронном слое. 199 Можно заметить, что у s- и р-элементов число внешних электронов связано с их высшими валентностями. Эти электроны называют валевт> ными. Элемент Na Mg А1 Si Р s Cl At Число внешних электронов 1 2 3 4 5 6 7 8 Высшая валентность I II III IV V VI VII 0 Электронный слой, содержащий валентные электроны, называют валентным. Так, валентным слоем серы является третий электронный слой. 41 "H- 4" 3s Зр Одинаковая валентность элементов одной группы объясняет похожесть свойств элементов, а также их соединений. 2. Составьте электронные схемы валентных слоёв алюминия и хлора. Какие валентности проявляют эти элементы? Кроме S- и р-элементов в группы входят и d-элементы. Но d-элементы имеют не более 2 электронов на внешнем уровне, хотя они входят во все группы и проявляют валентности от I до VII. Например, ванадий находится в одной группе с фосфором. Как у фосфора, высшая валентность ванадия равна пяти (PgO,, V^O^). Это связано с тем, что к валентным электронам d-элементов относятся s-электроны внешнего и d-электроны незаполненного предвнешнего слоёв. Так, валентные электроны ванадия расположены следующим образом: Общее число валентных электронов ванадия соответствует номеру группы и высшей валентности. 3. Составьте схему всей электронной оболочки атома титана, и из неё выведите структуру валентной оболочки. Какие, на ваш взгляд, валентности может проявлять титан? Напишите формулы оксидов титана во всех возможных его валентностях. Дайте им названия. 200 Це зная строения атомов и опираясь на данные о валентностях элементов Менделеев разделил большие периоды на два ряда. Форма периодической системы, составленной Менделеевым, более компактная и удобная цо сравнению с длиннопериодной формой. В менделеевской таблице в одной группе оказываются элементы разных семейств. В I и II группах находятся S- и d-элементы, в остальных — р- и d-элементы. 4. Прав ли был Менделеев, разделив большие периоды на два ряда? Могут ли находиться в одной группе р-элемент хлор и d-элемент марганец? Ответ обоснуйте. Общее число валентных электронов у атомов р- и d-элементов одной группы равно номеру группы. Поэтому Менделеев совершенно справедливо объединил элементы разных семейств в одну группу. Каждую группу он разделил на две подгруппы, подчёркивая достаточно заметное различие свойств элементов разных подгрупп. В самом деле, марганец, имея 2 электрона на внешнем слое, ведёт себя как металл, образуя катионы Мп^"^. Его простое вещество — серебристо-белый металл со всеми присущими металлу свойствами. Казалось бы, что общего у него с хлором? Но марганец и хлор имеют похожие по составу и свойствам оксиды (Мп^О^ и Cl^O^), кислоты (НМпО^ и НС10_,), соли (КМпО^ и КСЮ^). Иными словами, в низшей валентности марганец ведёт себя как металл, а в высшей — как неметалл, подобно хлору. Знаки элементов разных подгрупп Менделеев поместил по разным сторонам клеток периодической системы. К главным он отнёс элементы малых периодов и сходные с ними элементы больших периодов. К побочным — элементы только больших периодов. В настоящее время различают подгруппы S- или р-элементов (главные) и подгруппы d-элементов (побочные). Атомы химических элементов одной подгруппы имеют аналогичное строение электронной оболочки. Отличие заключается в том, что они содержат разное число электронных слоёв. С возрастанием числа электронных слоёв усиливаются металлические свойства простых веществ. 5. Начертите схемы электронных оболочек атомов Be, Mg, Са. Сколько электронных слоёв имеют атомы каждого элемента? Влияет ли число электронных слоёв на размер атома? Ответ обоснуйте. 201 Г п Зная положение химического элемента в периоде, группе и подгруцц можно получить о нём следующие сведения: заряд ядра, число электро^’ ных слоёв в электронной оболочке, число валентных электронов, валевт" ности, проявление металлических и неметаллических свойств простыйц, веществами, кислотных и основных свойств их соединениями. 1. 3. 4. Вопросы и задания 1 Какие элементы объединяются в группу? Какие из них относятся к главной, а какие — к побочной подгруппе? Составьте схемы электронных оболочек атомов: а) Na и Rb; б) С1 и I. Укажите, у какого элемента — Na или Rb — сильнее проявляются металлические свойства, у С1 или I — неметаллические свойства. Ответ обоснуйте. Укажите положение в периодической системе элементов К, As, Be, Se (номер периода, номер группы, порядковый номер) и определите строение их атомов (заряд ядра, состав ядра, число электронов, электронных слоёв, валентных электронов). Составьте схемы валентных оболочек и укажите, какие свойства проявляют их простые вещества, а также оксиды с высшей валентностью элемента. Приведите примеры реакций, подтверждающих свойства веществ. Составьте схемы электронных оболочек натрия и фосфора. Какие высшие валентности они проявляют? Приведите формулы оксидов, в которых натрий и фосфор проявляют валентность, равную номеру группы. Как сказывается на характере оксидов положение элементов в периоде? С какими из веществ взаимодействуют эти оксиды: Н^О, СаО, НС1, КОН? Напишите уравнения возможных реакций. 5. Будут ли взаимодействовать между собой оксиды, образованные элементами с зарядами ядер -1-12 и -Ы6? Ответ обоснуйте и подтвердите уравнением реакции. 6. Назовите химические элементы по электронным структурам валентных оболочек. if 3d 4s -ff- “i" 4” "I" 3s Зр 3s 3p 4s 4p Укажите период и группу, в которой находится каждый элемент. Какие из элементов образуют металлы, а какие — неметаллы? 202 7. Перечислите элементы-металлы 4-го периода. К каким семействам относятся эти элементы? Какими свойствами обладают галлий и его оксид? Ответ подтвердите уравнениями реакций. 8. Какой элемент входит в состав оксида ЭО^, если его молярная масса равна 60 г/моль? Укажите положение элемента в периодической системе. Какими свойствами обладает этот оксид? Приведите примеры уравнений реакций. 9. Элемент образует два оксида — BgO и ЭО. Валентность элемента в первом оксиде соответствует номеру группы. Второму оксиду чёрного цвета соответствует нерастворимый гидроксид голубого цвета, который растворяется в кислоте и концентрированном растворе щёлочи. О каком элементе идёт речь? Напишите формулы оксидов, дайте им названия. Составьте формулу гидроксида голубого цвета и напишите уравнения его реакций с кислотой и щёлочью. Какие свойства проявляет этот гидроксид в каждой из реакций? 10. Газообразный оксид растворяется в воде, образуя напиток. Этот же оксид взаимодействует с раствором щёлочи. Каким элементом образован этот оксид? Опишите место положения элемента в периодической системе. Напишите уравнения реакций оксида этого элемента с водой и щёлочью. Почему этот оксид проявляет кислотные свойства? § 41. Значение периодического закона в науке крупные открытия не совершаются одним учёным. Открытию предшествует большой подготовительный период, затем совершается само открытие, и дальше следует развитие нового знания, превращающегося в теорию. Все этапы требуют большого кропотливого труда многих учёных всего мира. Проследим, как это было при открытии периодического закона. Подготовительный период, предшествовавший открытию периодического закона, заключался в создании классификации химических элементов. Первый шаг в этом направлении был сделан крупнейшим химиком XIX века шведом Йёнсом Якобом Берцелиусом. Он разделил 45 известных химических элементов на металлы и неметаллы (1818). Его современник немецкий химик Йоганн Вольфганг Дёберейнер установил некоторую закономерность сходства свойств элементов, которую он описал в работе «Опыт группировки элементарных веществ по их аналогии» (1829). Он обнаружил, что по сходству свойств можно объединить химические элементы в группы — триады. Таких триад учёный обнаружил несколько: щелочные металлы (Li, Na, К); щёлочноземельные (Са, Sr, Ва); галогены (С1, Вг, I) и другие. 203 Оказалось, что атомная масса среднего элемента примерно равна сред- неарифметическому атомных масс двух крайних элементов. Позднее т{)иадам элементов прибавлялись новые элементы, аналогичные по свойствам. В 1864 году немецкий химик Лотар Мейер составил таблицу (рис. 144^ очень похожую на таблицу Менделеева. Он опубликовал её уже после открытия периодического закона (1871), не придавая ей большого значения. В ней учёный поместил 6 групп друг за другом по мере убывания валентностей элементов. В таблице проставлены валентности не выше IV. 4 val 3 val 2 val 1 val 3 val 2 val ... ... ... Li 7.03 (Be 9.3) Diff. ... ... ... 16.02 (14.7) C 12.0 N 14.04 0 16.0 F 19.0 Na 23.5 Mg 24.0 Diff. 16.5 16.96 16.07 16.46 16.08 16.0 Si 28.5 P 31.0 S 32.0 Cl 35.46 К 39.13 Ca 40.0 Diff. 44.45 45.46 46.7 46.8 46.3 47.0 As 75.0 Se 78.8 Br 79.97 Rb 85.4 Sr 87.0 Diff. 44.55 45.6 49.5 46.8 47.6 49.0 Sn 117.6 Sb 120.6 Те 128.3 I 126.8 Cs 133.0 Diff. 44.7 43.7 ... 35.5 Pb 207.0 Bi 208.0 (T1 204.07) Ba 137.1 4 val 4 val 4 val 2 val 3 val Mn 55.1 Ni 58.7 Co 58.7 Zn 65.0 Cu 63.5 Fe 56.0 Diff. 49.2 45.6 47.3 46.9 44.4 48.3 Ru 104.3 Rh 104.3 Pd 106.0 Cd 111.9 Ag 107.94 Diff. 46.0 46.4 46.5 44.5 44.4 Pt 197.1 Ir 197.4 Os 199.0 Hg 200.2 Au 196.7 1 Рис. 144. Таблица элементов Л. Мейера В начале таблицы располагаются элементы с валентностью IV, затем с валентностью III. В эту группу попали элементы, имеющие кроме валентности III высшую валентность V. А вот элементы В, А1 и другие, у которых валентность равна III, в таблицу не попали. Есть две группы элементов с валентностью II. Это подгруппа кислорода и подгруппа бериллия. Также есть две группы с валентностью I: подгруппа галогенов и подгруппа щелочных металлов. Ряды в этой таблице отдалённо напоминают периоды в таблице Менделеева. В один такой ряд попадают Si, Р, S, К, Са, 204 ^0 есть элементы из разных периодов. Ясно, что учёный не задумывался qQ общей закономерности, связывающей химические элементы. Хотя он очень близко подошёл к этому, увидев закономерную связь между некоторыми элементами. Однако научное мышление учёного ещё не было готово осознать общую закономерность. Следующим шагом было открытие «закона октав» в 1865 году английским учёным Джоном Ньюлендсом. Учёный полагал, что в мире химических элементов существует гармония, подобная музыкальной, и элементы располагаются, подобно нотам, объединяясь в октавы. Через каждые семь элементов, расположенных по возрастанию атомных масс, свойства повторяются. Однако лондонское химическое общество весьма скептически приняло идею Ньюлендса. Для этого была причина. Ведь, по закону октав, сходными по свойствам должны были быть такие элементы, как железо и сера, на самом деле далёкие друг от друга. И всё же Ньюлендс был наиболее близок к открытию взаимосвязей химических элементов. Обнаружение связи между элементами затруднялось недостаточностью знаний о них. Было известно всего 63 химических элемента, то есть примерно три четверти существующих в природе. Многие элементы были плохо изучены: неточно определены их атомные массы, валентности, формулы их соединений. Нельзя было с уверенностью предположить, что существуют ещё не открытые химические элементы и сколько их. Однако идея уже витала в воздухе. Вы заметили, что закон октав Ньюлендса, и таблица Мейера, и периодический закон Менделеева были открыты примерно в одно время? Видимо, пришло время открытия. И оно было сделано Менделеевым. Заслуга Менделеева заключается в том, что он сумел увидеть среди разрозненных фактов взаимосвязь, сумел объяснить многие явления в мире элементов, исправить неточные данные, а также гениально предсказать существование неизвестных элементов и их соединений. Первый вариант таблицы был опубликован Дмитрием Ивановичем Менделеевым отдельным изданием и разослан многим учёным 1 марта (по новому стилю) 1869 года. Таблицу он назвал «Опыт системы элементов, основанной на их атомном весе и химическом сходстве» (рис. 145). Первая таблица сильно отличается от той, которая привычна для нас. В ней мы видим группы элементов, расположенные горизонтально, а периоды — вертикально. В ней целый ряд элементов имеют атомные массы, отличные от известных сейчас. Неточности и неизвестности в мире элементов составляли некий барьер, который мешал предшественникам Менделеева правильно разместить элементы в таблице и увидеть закономерную связь, объединяющую их. Гениальная прозорливость Менделеева преодолела этот барьер. 205 Рис. 145. Фотокопия первой отпечатанной периодической системы Д. И. Менделеева Учёный обратил внимание не только на сходство элементов, но и на их различия, особенно различия противоположных групп: галогенов (VII груи па) и щелочных металлов (I группа). Посмотрите, в «Опыте системы эле^ ментов» эти группы стоят не на разных концах таблицы элементов, рядом. И от них начинался поиск, размещались элементы других груии* В процессе поиска встречалось множество трудностей. 206 Первая трудность заключалась в поиске места для бериллия. Многие химики считали, что бериллий трёхвалентен, формула его оксида — Ве^Од. Отсюда следовало, что его атомная масса равна 14. Было и другое мнение: атомная масса бериллия — 9,4, а формула оксида — ВеО. Менделеев выбрал правильную атомную массу бериллия (9,4) и его валентность — II. Он отнёс этот элемент к подгруппе магния. Его выбор был определён уверенностью в правильности естественной закономерной связи элементов. По закону триад, который Менделеев, в отличие от предшественников, обнаружил не только в группе, но и в периоде, атомная масса бериллия примерно равна среднеарифметическому значению атомных масс двух соседних по периоду элементов — бора и лития. Трудности возникли с расположением цезия, атомная масса которого, как полагали, была равна 123,4. Он должен был размещаться в VI группе. Менделеев исправил атомную массу цезия на 133 и отнёс его к I группе по сходству свойств. Позднее атомная масса цезия была уточнена опытным путём, и теперь мы видим, что она равна 132. Это говорит о том, что в поиске места положения элемента учёный большее внимание уделял химическим свойствам, чем величинам атомных масс. На основании места положения элементов им были исправлены атомные массы трети известных тогда элементов (титана, индия, церия, урана и других). Но самым поразительным в открытии периодического закона было то, что Менделеев, опираясь на обнаруженный закон, предсказал ещё не открытые элементы и не только их существование, но и их атомные массы, физические свойства, формы их соединений. Он писал: «До периодического закона элементы представляли лишь отрывочные случайные явления природы; не было повода ждать каких-нибудь новых, а вновь находимые были полной неожиданной новинкой. Периодическая закономерность дала возможность видеть неоткрытые ещё элементы в такой дали, до которой невооружённое этой закономерностью зрение до сих пор не достигало». В первой таблице учёный оставил свободные места со знаками вопроса. Так, между цинком и мышьяком стоят два знака вопроса, ещё один — после кальция. Это обозначены неизвестные элементы, которые были названы учёным экаалюминием, экабором, экасилицием, что подчёркивало сходство их свойств со свойствами известных элементов. Всего Менделеев предсказал более десятка элементов. В 1871 году Менделеев опубликовал статью с описанием свойств неоткрытых элементов и их соединений. «Решаюсь сделать это ради того, — писал он, — чтобы хотя со временем, когда будет открыто одно из этих предсказываемых мною тел, иметь возможность окончательно увериться 207 самому и уверить других химиков в справедливости тех предположений которые лежат в основании предполагаемой мной системы». ’ Далее наступает третий этап в истории открытия периодического зако- на — научное подтверждение. Не прошло и шести лет, как в 1875 году французским учёным Полем Лекоком де Буабодраном был обнаружен новый элемент. Учёный дал ему название в честь своей родины — галлий (по древнему имени Франции). Менделеев, узнав о свойствах галлия, изученных французским исследователем, понял, что пришло первое подтверждение его научному предвидению. В этом легко убедиться, сравнив свойства галлия, определённые де Буабодраном, и предсказанного экаалюминия. Таблица 5. Сравнение свойств экаалюминия и галлия Свойства Экаалюминий ' Галлий Валентность по кислороду 3 3 Атомный вес 68 69,9 Плотность около 6 4,7 Температура плавления низкая 30,15 “С Растворимость в едком кали* В едком кали Из описания метода получения галлия Менделеев понял, что образец того вещества, с помощью которого Лекок де Буабодран получил новый элемент, недостаточно полно очищен от натрия. От этого плотность галлия была измерена неточно, о чём Менделеев написал в Париж. Он просил тщательнее очистить образец и ещё раз измерить плотность. И Менделеев оказался прав. Плотность галлия по уточнённым данным равна 5,94 г/см®, она поразительно сходилась с предсказанным значением. Вскоре последовали открытия скандия (экабора) шведским учёным Ларсом Нильсоном в 1879 году и германия (экасилиция) немецким учёным Клеменсом Винклером в 1886 году. Периодический закон был экспериментально утверждён. Но в науке лёгких путей не бывает. Наступило время серьёзного испытания истинности периодического закона. В 1894 году шотландский химик Уильям Рамзай обнаружил в воздухе неизвестный ранее газ. Исследования показали, что этот газ не взаимодействует ни с простыми, ни со сложными веществами. И Рамзай назвал его аргоном, что по-гречески обозначает «инертный». Его валентность была равна 0. В атмосфере он находится в виде разрозненных атомов. Выяснилось, что его атомная * Едким кали называли гидроксид калия. 208 масса равна приблизительно 40. Следовательно, он должен стоять между калием и кальцием, но такого места в таблице Менделеева не было. Тогда Рамзай,решил, что этот элемент должен находиться между хлором (А^ = 35,5) и калием (А^ = 39). Но в периодической системе нет группы, состоящей из одного элемента. Тогда учёный предпринял попытку обнаружить другие элементы с нулевой валентностью. В 1898 году Рамзай обнаружил в воздухе ещё три новых газа: неон, криптон, ксенон. В 1868 году на Солнце был обнаружен новый элемент, названный «солнечным», — гелий. Через 25 лет он был обнаружен и на Земле. Гелий также имел нулевую валентность и примыкал к группе инертных газов: Не, Ne, Аг, Кг, Хе. Группа инертных газов поместилась между VII и I группами. Структура периодической системы приобрела большую законченность и стройность. Сравнительно недавно, в 1962 году, канадский химик Нил Бартлет синтезировал первое соединение ксенона. Инертные перестали быть инертными; они получили название благородных газов. Их отнесли к главной подгруппе VIII группы, ведь ксенон образует ХеО^, в котором проявляет валентность VIII. Далее последовал этап развития знаний о периодичности химических элементов, раскрытие её причин. С изучением строения атома крупнейшими учёными XX века — англичанином Э. Резерфордом, датчанином Н. Бором, австрийцем Э. Шрёдингером, немцем В. Гейзенбергом и многими другими — стала понятна структура периодической системы, зависимость периодичности не столько от атомных масс, сколько от зарядов ядер и строения электронных оболочек. Однако не перестали возникать новые загадки периодической системы. Дело в том, что ряд элементов, которые мы называем /'-элементами, или лантанидами, помещались в одной клетке — клетке лантана. Все они чрезвычайно близки по свойствам, и их трудно отделить друг от друга. Но сколько существует лантанидов — никто не знал. Загадка разъяснилась, когда английский учёный Генри Мозли в 1913 году открыл метод установления экспериментальным путём заряда ядра атома химического элемента. Стало ясно, что порядковый номер элемента, введённый ещё Ньюленд-сом, соответствует заряду ядра. Заряды ядер, возрастающие постепенно, показали, что в ряду лантанидов существует 14 элементов. Среди них точно обозначились ещё не обнаруженные элементы, которые вскоре были открыты. Последним элементом в периодической системе был уран. Элементы, следующие за ураном, получены искусственным путём. Американский учёный Гленн Сиборг предложил в клетке актиния расположить, подобно лантанидам, 14 актинидов. Учёные всего мира включились в процесс получения новых элементов. В нашей стране под руководством академика 14 Зик. 67»и 209 Георгия Николаевича Флёрова были получены изотопы ряда элементов (104, 105, 106 и некоторых других). Многие элементы-актиниды получе. , ны под руководством Г. Сиборга. Один из них назван менделевием. Прав оказался Менделеев, заявив: «Периодическому закону будущее не грозит разрушением, а только надстройка и развитие обещается». Вопросы и задания I 1. 3. 4. 5. Является ли наука делом одного государства или она интернациональна? Ответ обоснуйте. Какие этапы в истории открытия и становления периодического закона можно выделить? Охарактеризуйте каждый из этапов. Какова роль Д. И. Менделеева в этом открытии? Почему Менделеев из двух атомных масс бериллия (14 и 9,4) выбрал вторую? Проверьте правильность закона триад Дёберейнера, рассчитав атомные массы брома, натрия, стронция в триадах; С1, Вг, I; Li, Na, К; Са, Sr, Ва. Почему Менделеев решил, что галлий будет растворяться в щелочах? Напишите уравнение реакции, вспомнив, как такая реакция происходит с участием алюминия. Будет ли галлий растворяться в кислоте? Ответ подтвердите уравнением реакции. Биографии великих учёных, внёсших вклад в развитие химии Демокрит (ок. 460—370 до н. э.) Демокрит — древнегреческий мыслитель. О его жизни мало что известно. Есть свидетельства, что он был высок, худ, с бородой, носил белый хитон и сандалии на босу ногу. Так изображали его художники. Мы знаем, что он был учеником Левкиппа, вместе с которым явился основоположником атомного учения. Есть легенда, как он размышлял о делении яблока. Если яблоко разделить, то получится две половинки. Если разделить половинки, появятся четвертинки, затем одна восьмая, шестнадцатая и так далее. Что же останется в конце деления? В результате таких размышлений Демокрит пришёл к умозаключению, что последней частью будет неделимая частица — атом (atonws — «неразрезаемый »). В своей книге «Малый диакосмос» он написал: «Атомы бесчисленны по величине и по множеству, носятся же они во Вселенной, кружась в вихре. И таким образом рождается всё сложное: огонь, вода, воздух, земля. Дело в том, что последние суть соединения некоторых атомов. Атомы же не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твёрдости». Роберт Бойль (1627—1691) Знаменитый английский учёный был сыном богатого ирландского аристократа, который дал сыну разностороннее образование. Роберт Бойль изучал естествознание, медицину, историю религии, древние языки. С самого начала своей научной деятельности придерживался взглядов, что истина добывается в опыте. Он писал, что люди «оказали бы величайшую услугу миру, посвяти они все свои силы производству опытов и собиранию наблюдений, а не высказыванию теорий, которые не проверены опытным путём». Роберта Бойля можно считать основателем научной химии. Бойль заложил основы химического анализа, ^то дало ему возможность установить истинный состав многих веществ. На основании опытных данных он выступил против принятого мнения о четырёх Элементах, составляющих вещества (воде, огне, воздухе и земле). Он считал, ^то элементом следует признать вещество, которое не имеет составных частей Не может быть разложено. 14* 211 Бойль считал, что окружающий мир построен из большого числа корпускул — мельчайших частичек первоматерии, различных по массе, размерам форме. Все свои взгляды учёный изложил в книге «Химик-скептик», оказавшей большое влияние на умы химиков последующих поколений. Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765) Великий русский учёный — уроженец русского Севера из семьи зажиточного помора, владельца рыболовного судна. Жажда знаний привела его с рыбным обозом в Москву, где он поступил в Славяно-греко-латинскую академию. Затем учился в Петербургском университете, в Германии. М. В. Ломоносов был разносторонне одарённым. «Историк, ритор, механик, минералог, художник и стихотворец — он всё испытал и всё проник», — писал о нём А. С. Пушкин. Огромный вклад Ломоносов внёс в развитие естественных наук. Изучая труды своих предшественников, придерживался твёрдого мнения об атомно-молекулярном строении вещества. «Во тьме должны общаться физики, а особливо химики, не зная внутреннего нечувствительных частиц строения», — писал он. Всеми трудами своими он развивал атомно-молекулярное учение, привлекая его для объяснения физических и химических реакций. Джозеф Пристли (1733—1804) Известный английский учёный прожил беспокойную и пёструю жизнь. Родился в семье бедного суконщика в графстве Йоркшир. Изучал теологию, что впоследствии дало ему возможность учиться в академии в Девентри. Но за свободомыслие его отстранили от чтения проповедей. Тогда он стал преподавать в Уоррингтонском университете, где увлёкся естественными науками. Большое впечатление на него произвели лекции по химии. И уже в тридцатилетием возрасте он решил круто изменить свою жизнь и посвятить её химии, в чём много преуспел. Изучая различные газы, открыл шесть не известных тогда газов: монооксид углерода, углекислый и сернистый газы, хлорово-дород, аммиак, кислород. Открытие кислорода позволило объяснить процессы горения. В 1791 году его дом и в том числе лаборатория были разграблены и сожжены за приверженность идеям французской буржуазной революции. 212 друзья помогли восстановить разрушенное, но через несколько лет Джозефу Пристли пришлось эмигрировать в Америку, где он провёл последние 10 лет ^изни. Но, несмотря на невзгоды, он многое успел и внёс в науку неоцени-jjbiii вклад. Карл Вильгельм Шееле (1742—1786) Выдающийся шведский химик-экспериментатор родился в семье пивовара и был седьмым сыном. Отец не мог дать ему образования. Поэтому Карл стал учеником аптекаря и занимался самообразованием. Работая в аптеке, достиг большого искусства в химическом эксперименте. В свободное время он проводил химические опыты и сделал большое количество экспериментальных открытий: исследовал множество веществ и установил их состав. За два года до Д. Пристли он открыл кислород, назвав его «огненным воздухом». Книга К. Шееле с сообщением о кислороде увидела свет лишь в 1777 году, спустя год после публикации Д. Пристли. Антуан Лоран Лавуазье (1743—1794) Знаменитый французский учёный родился в семье парижского адвоката. Ему предстояло продолжить дело отца, но он решил посвятить себя естественным наукам. Исследования Лавуазье сыграли в истории химии выдающуюся роль. Он придерживался того взгляда, что всё познаётся в опыте. Поэтому он проводил множество опытов и тем самым заложил основы экспериментальной химии. Самый крупный вклад Лавуазье в науку заключался в создании теории горения. Основываясь на своих опытах и на работах Ломоносова, Пристли, Шееле, он развенчал теорию флогистона и научно обосновал представление об участии кислорода в Процессах горения. Лавуазье доказал, что в природе существует гораздо большее число химических элементов, чем это предполагалось до него. До тех пор существовала 1'сория греческих философов, которые утверждали, что всё в мире состоит из Четырёх элементов (воды, огня, земли, воздуха). Лавуазье экспериментально отличил простые вещества от сложных. Это было чрезвычайно важно, так Как в химии в то время царила путаница. Считалось, что вода, оксиды метал- 213 лов и некоторые другие вещества являются простыми. Например, он экспериментально доказал, что вода — сложное вещество, состоящее из двух элемеа-тов. Он также впервые экспериментально подтвердил закон сохранения мас-СЙ1 веществ в химических реакциях. Джон Дальтон (1766—1844) Выдающийся английский учёный является выходцем из бедной крестьянской семьи. Путь в науку он проложил благодаря постоянному самообразованию, упорным систематическим занятиям естественными науками. Уже в девятнадцатилетнем возрасте Д. Дальтон стал учителем в своей деревенской школе, а позднее был приглашён в Манчестер. Всю последующую жизнь он посвятил преподаванию и параллельно вёл научные исследования. Работы Дальтона имели исключительно важное значение для развития химических знаний. Ему удалось объединить атомистические взгляды Бойля, Ломоносова, Ньютона с новыми химическими воззрениями, выразителем которых был Лавуазье. Дальтон впервые определил массы атомов многих элементов, взяв за единицу атомной массы массу атома водорода. Определяя составы разных веществ, обнаружил, что два элемента могут образовывать несколько разных соединений, например, углекислый и угарный газы образованы из углерода и кислорода. Он писал, что химические изменения «состоят в отделении друг от друга частиц, находящихся в состоянии сцепления или соединения. И в присоединении друг к другу частиц...» Дальтон впервые ввёл знаковое изображение состава вещества, что явилось прообразом материальных моделей и химических формул. Амедео Авогадро (1776—1856) Один из основоположников атомно-молекулярного учения в его современном виде родился в Турине (Северная Италия) в семье юриста. Получил юридическое образование и начал работать адвокатом. Но увлечение естественными науками заставило его в двадцатисемилетнем возрасте изменить свою трудовую деятельность. Он представил в Туринскую академию работу по изучению свойств электричества и вскоре стал преподавателем физики в лицее, а затем в Туринском университете. Исследования газов, их поведения в хими- 214 ческих реакциях привели его к гипотезе, что в равных объёмах газообразных веществ при одинаковых условиях находится одинаковое число молекул. Эта гипотеза стала одним из краеугольных законов классической химии. Значение работ Авогадро столь велико, что позднее вычисленное число часткй; в 1 моль вещества было названо в честь учёного постоянной Авогадро. Йёнс Якоб Берцелиус (1779—1848) Величайший химик своего времени родился в селении Вёфсунде на юге Швеции. Его отец был директором школы. Поэтому его судьба поначалу складывалась благополучно. Но родители рано умерли, и юноше пришлось зарабатывать средства на своё образование, которое он получил в Упсальском университете. Проведённые опыты, наблюдения, высказываемые им взгляды и гипотезы быстро создали славу молодому химику. В 1808 году он становится членом Шведской академии наук, а через десять лет — её президентом. Берцелиус поддерживал личные контакты со многими естествоиспытателями Европы. Поэтому он владел большой научной информацией, что помогало ему в исследованиях, а также быстро делало известными его собственные труды. Трудился он много и плодотворно. Достаточно сказать, что собственноручно он проанализировал 2000 веществ, образованных 43 элементами. В процессе этой гигантской работы он изобрёл ряд приборов, приспособлений и способов для химического анализа. Одного этого достаточно, чтобы имя Берцелиуса осталось в истории химии. Он разделил элементы на металлы и неметаллы, уточнил атомные массы многих элементов, которые Дальтоном были определены неточно или совсем неправильно. Берцелиус предложил иную форму записи состава соединений. Принцип написания химических формул, предложенный Берцелиусом, используется и сейчас. Будучи одним из лучших знатоков химии своего времени, Берцелиус объяснял с единой точки зрения многие факты и понятия, ранее казавшиеся несвязанными. Он дал объяснение составу солей. По его теории соли являются образованием из двух противоположно заряженных частей. Эти взгляды создали основу теории ионного строения веществ, электролитической диссоциации. Иоганн Вольфганг Дёберейнер (1780—1849) Немецкий химик родился и всю жизнь прожил в Баварии. Он получил лишь скудное образование у приходского священника. Упорство в получении знаний по естественным, политическим и философским наукам привели его, 215 в конечном счёте, в Йенский университет, профессором которого он стал по рекомендации Гёте. Дёберейнер достиг больших успехов в систематизации химических элементов. Он не только выделил ряд триад сходных по свойствам элементов, но и установил в них закономерности, впервые обнаружив количественные отношения свойств химических элементов. Учёный исследовал множество веществ. Дёберейнер занимался технологическими процессами: винокурением, стекловарением, крашением тканей, производством лекарственных веществ. В этих областях он также сделал ряд технологических открытий. Лотар Мейер (1830—1895) Известный немецкий химик родился в семье врача и по примеру отца стал изучать медицину. Работал в лаборатории известнейшего химика Р. Бунзена, где изучал поведение различных газов в крови человека. Он раскрыл механизм отравления угарным газом, доказав, что молекулы угарного газа прочнее связываются с гемоглобином крови, чем молекулы кислорода. Он занялся исследованием зависимости между атомными массами и некоторыми свойствами элементов и близко подошёл к систематизации элементов, но периодический закон открыть не смог. Мейер занимался синтезом органических и хлор-органических веществ. Его волновали не только научные, но и общественные проблемы, в частности вопросы совершенствования школьного образования. Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907) Дмитрий Иванович был последним (семнадцатым) ребёнком в семье тобольского учителя Ивана Павловича и Елены Дмитриевны Менделеевых. Вскоре после рождения сына отец скончался, и все тяготы по воспитанию детей легли на плечи матери. После окончания тобольской гимназии молодой человек поступил в Петербургский пединститут, в котором блестяще учился. После его окончания он сдал экзамены на степень магистра, написал диссертацию «Удельные объёмы» и защитил её в Петербургском университете, а в 1857 году был утверждён приват-доцентом университета. 216 Дмитрий Иванович был прекрасным лектором. Его лекции были настолько интересны, что слушать их приходили студенты многих факультетов, даже те, которым химия по роду занятий не была нужна. В ходе преподавательской деятельности у Менделеева возникла необходимость обобщить химические знания и привести их в систему. Размышляя над этим, Менделеев искал взаимосвязь между элементами, что и привело его к открытию периодического закона, систематизации на его основе химических элементов и выражению их системы в виде периодической таблицы. Это стало главным трудом научной деятельности учёного. Научные интересы Менделеева были разнообразны. Он разработал теорию растворов; различные технологии, в частности технологию производства пороха; способы применения удобрений в сельском хозяйстве. Он выстроил дом в Боблово, где проводил свои сельскохозяйственные опыты, и его урожаи в три раза превышали урожаи соседних мужиков. Его перу принадлежат многие труды, главным из которых является учебник «Основы химии», который издавался много раз и не потерял своего значения в наши дни. Менделеев занимался также проблемами воздухоплавания, даже летал на воздушном шаре с целью проведения наблюдений за солнечным затмением и других научных исследований. Его волновали и государственные вопросы: он задумывался о пользе науки в развитии России. Его образные слова: «Посев научный взойдёт для жатвы народной» — стали крылатыми. Как ни был Менделеев занят научными проблемами, он живо интересовался культурной жизнью страны. Ещё в детстве он познакомился со многими выдающимися деятелями российской культуры: П. П. Ершовым, автором известной сказки «Конёк-Горбунок», с декабристом Н. В. Басаргиным, с писателем Н. В. Гоголем. Живя в Петербурге с семьёй, Менделеев продолжает расширять круг знакомств с известными деятелями культуры. По средам в его доме собираются художники, писатели, поэты, учёные: И. Е. Репин, В. В. Стасов, И. Н. Крамской, И. И. Шишкин, А. А. Блок и другие. Менделеев занимался также делами очень далёкими от науки. Современники вспоминают, что он гордился своим умением клеить чемоданы не хуже, чем это делали чемоданных дел мастера. Последним трудом Менделеева стала книга «К познанию России», которую он, к сожалению, не завершил — 20 января 1907 года от двустороннего воспаления лёгких учёный скончался. Дмитрий Иванович был любим народом при жизни, любим его и мы — потомки. 217 Ответы к задачам § 2 2 (в тексте). Корпус самолёта из железа тяжелее титанового в 1,7 раза, алюминиевого — в 2,9 раза. § 4 2 (в тексте). При массе тела 50 кг в нём содержится: т(0) = 30,5 кг; т(С) = 11 кг; т(Н) = 5 кг; m(N) =1,5 кг. 3. Мал золотник, да дорог. § 5 1 (в тексте), т (РЬ) = 3,45-10' г; (Mg) = 0,4-10-2^ г; ^ат.(РЬ) _ g раза. 2 (в тексте). ~ 7,25. Относительно атома водорода 'WaT.(Mg) 'п„.(Н) т^т(0) = 7,25, если принять, что в молекуле воды приходится 1 атом водорода на 1 атом кислорода, как предполагали во времена Дальтона и Гей-Люссака. 2. ^ ^ 15^87; АДН) 1,0079 т(Н) 0,0899 = 15,89. 5. т(а.е.м.) =0,166-10 г; m^^(N) = 2,3-10^® г; = 5,3-10 г; m„(Md) = 42,8-10-'*3i,_ е. mJ(Ag) = 17,9-10'23г; p(Ag) = 10,5 г/см^. 7."МСи) = 8,5-10^2; N(Au) = 5^9- § 8 1 (в тексте). п(Н О) = 10 моль. 2 (в тексте). «(С) = 800 моль. 3 (в тексте). ЩОЛ = 52,4-10^3; AT(N ) =195-102»; N(Nj) 19510» N(©2) 52,410» = 3,7. 2. N(Fe) = 12-10»» атомов; A(Cu) = 1,8-10»» атомов. 3. n(C,2H220jj) = 0,5 моль. 4. ^(Ng) = 1,25-10»» молекул; 1 моль занимает объём 24 л (при указанных условиях). 5. n(NaCl) = 1,55 моль. 6. ^(0^) = 0,3-10»' — поглощается; ^(0^) = 1,2-10»' — выдыхается. § 9 3 (в тексте). МДН^З) = 34. 4 (в тексте). МДСО^) = 44; М{СО^ = 44 г/моль. 5 (в тексте). М(А1С1з) = 133,5 г/моль. 2. МДС12) = 71, M(Cl2) = 71 г/моль; МДЗ^) = 256, M(Sg) = 256 г/моль; МДСН^) = 16, M(CHJ = 16 г/моль; 218 M(CuO) = 79,5 г/моль; М(СаСОз) = 100 г/моль. S.N(Fe) = 0,85-10^® атомов; iV(Zn) = 0,66-10^3 атомов; A^(Ag) = О.бВ-Ю^® атомов. 4. iV(C) = ХбО-Ю^з атомов; л(С) = 25 моль. 5, п(Р) = 0,1 моль; n(Mg) = 0,15 моль; n(Mg) > п(Р). 6. m(Mg) = 8,5 г. 7. При цене 4 рубля за 1 кг стоимость 1 моль NaCl равна примерно 23 копейкам. При цене 13 рублей за 1 кг сахара стоимость 1 моль C,2H220jj равна примерно 4 рублям 45 копейкам. 8. ЩОЛ ~ 180-10^^ молекул. § 10 1. (o(Fe) = 46,7%. 2. В воде: со(0) = 88,9%; в пероксиде водорода: ш(0) = = 94,1%. 3. n(Cu) = n(CuO) = 125 моль. 4. В PbS: (o(Pb) = 86,6%; в РЬО: о)(РЬ) = 92,8%. 5. Из 1 кг Cu^S m(Cu) = 799 г; из 1 кг СиО /п(Си) = = 799г; из 1 кг CUjO лг(Си) = 888 г; из 1 кг CUgHjCOj m(Cu) = 575 г. 6. В Fe^O^; o)(Fe) = 72,3%; в FeO: co(Fe) = 77,7%; в Fe^Ogt (o(Fe) = 69,9%. 7. co(Mg) = 17,1%; (0(A1) = 37,9%; ш(0) = 45,0%. 8. co(Cu) = 34,6%; w(Fe) = 30,4%; m(Cu) > m{Fe). 9. В AgFejS^Oj^Hg: co(Ag) =19%; в AgCuSe: co(Ag) = 43,1%; в AgjAsSg: co(Ag) = 65,5%. l.NH, § 11 2. NaCl. 3. SiO„. 4. AlCL. 5. KMnO, 6. Ca(OH)„ 7. CgHgO. § 12 8. Галлий — III группа. Gafiy § 13 2 (b тексте). m(0^) = 0,56 r. 5. m{0^) = 2,68 кг. 6. = 11,2 л. 7. nCOj) = 24 000 M^ 4. m(CaCO„) = 15 кг. § 15 § 16 2 (в тексте). В KAlSigOg: 0)(О) = 46%; в NaAlSi^Og: co(0) = 48,9%. 7. BH^O: (0(0) = 88,9%; в CO^: co(0) = 72,7%; в SiO^: co(0) = 53,3%. § 17 7. m(Ti) = 600 Г. К лабораторной работе «Получение кислорода» 5. Р(Оз) = 204 л. 6. п(Оз) =1,5 моль. 219 § 19 1 (в тексте). со(Н) = 11,1%. 6. SiH^. § 21 1. (в тексте). со(солей) = 3,8%. 2. т(соли) = 72 г; /«(Н^О) = 328 г. 3. лг(КМпО^) = 25 г. 4. т(нитрата серебра) = 0,8 г. 5. со,(вещества) = = 15,8%; (ОзСвещества) = 18,7%. 6. со(соды) = 11,7%. 7. со{соли) = 5,7%. 8. со(вещества) = 12%. 9. 0)(соли) = 27,1%. 10. ы)(соли) = 26,5%; раствор ненасыщенный, так как (о(соли) = 25%. 11. Для решения следует составить алгебраическое уравнение, приняв массу выпавших кристаллов за х. Тогда при 20 “С лг(р-ра) = 250 - х; т(селитры в растворе) = 250-0,524 - х. 250 о,524-х 0,24 = 250-х /п(крист. селитры) = 93,4 г. § 22 7. Cu^S — сульфид меди (I). 8. КС1 и MgCl^. § 23 1 (в тексте). NagPO^. 10. Na^SO^. § 24 3 (в тексте). (0{NaCl) = 26,5%; ш(К1) = 59%; co(CaSO,) = 0,16%. 6. Один из способов решения заключается в том, что сначала нужно найти массовые доли нитрата калия в насыщенных растворах при заданных температурах. При 80 °С (о(ККОз) = 62,8%; при 20 “С (о(КМОз) = 17,5%; отсюда: в 100 г р-ра содержится лг(ККОз) = 62,8 г; лг(НзО) = 37,2 г при 80 "С. В растворе при 20 “С масса воды не меняется, она составляет 100% - 37,2 г -17,5% = 82,5%; отсюда: т(р-ра) - _ = 45,1 г, следовательно, и,о<ао т(КМОз)= т(р-ра) - ^(H^O) = 45,1 г - 37,2 г = 7,9 г. Следовательно, масса выпавших кристаллов т(ККОз) = 62,8 г - 7,9 г = = 54,9 г. 220 Приложение Названия, обозначения некоторых химических элементов и их относительные атомные массы Русское Символ Латинское Произношение Относительная название элемента название символа атомная масса Азот N Nitrogenium эн 14 Алюминий А1 Aluminium алюминий 27 Аргон Аг Argon аргон 40 Бериллий Be Beryllium бериллий 9 Бор В Borum бор 11 Водород Н Hydrogenium аш 1 Гелий Не Helium гелий 4 Калий К Kalium калий 39 Кальций Са Calcium кальций 40 Кислород О Oxygenium О 16 Кремний Si Silicium силициум 28 Литий Li Lithium литий 7 Магний Mg Magnesium магний 24 Натрий Na Natrium натрий 23 Неон Ne Neon неон 20 Сера S Sulfur эс 32 Углерод C Carboneum цэ 12 Фосфор P Phosphorus пэ 31 Фтор F Fluorum фтор 19 Хлор Cl Chlorum хлор 35,5 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие ............................................... 3 Введение................................................... 5 ГЛАВА I. ПЕРВОНАЧАЛЬНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ § 1. Признаки химических реакций............................ 12 § 2. Вещества и их свойства................................. 19 § 3. Строение вещества ..................................... 26 § 4. Состав вещества. Химический элемент.................... 33 § 5. Относительная атомная масса химического элемента ...... 36 § 6. Простые вещества....................................... 40 § 7. Сложные вещества....................................... 44 § 8. Количество вещества. Моль.............................. 50 § 9. Относительная молекулярная масса. Молярная масса ...... 53 § 10. Массовая доля элемента в веществе..................... 56 § 11. Определение состава вещества и вывод химической формулы ... 59 § 12. Валентность........................................... 61 § 13. Сущность химических реакций. Закон сохранения атомов . 66 § 14. Уравнения химических реакций ......................... 71 § 15. Реакции соединения и разложения....................... 74 ГЛАВА II. КИСЛОРОД. ВОДОРОД. ВОДА § 16. Кислород — химический элемент и простое вещество...... 77 § 17. Оксиды. Горение и медленное окисление ................ 84 Лабораторная работа «Получение кислорода».............. 88 § 18. Кислород и озон в природе............................. 90 § 19. Водород — химический элемент и простое вещество....... 97 § 20. Вода — продукт взаимодействия водорода с кислородом ..101 § 21. Растворяющие свойства воды............................104 ГЛАВА III. ВАЖНЕЙШИЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ § 22. Бинарные соли ........................................112 § 23. Реакции между оксидами. Соли со сложными ионами ......116 § 24. Состояние солей в растворе............................123 § 25. Ионные реакции........................................127 Лабораторная работа «Ионные реакции» ..................131 § 26. Кислоты...............................................132 223 § 27. Взаимодействие кислот с металлами......................138 § 28. Основания..............................................142 § 29. Реакция нейтрализации .................................147 Лабораторная работа «Знакомство с кислотами и основаниями» ................150 § 30. Кислотные и основные оксиды............................152 § 31. Обобщение сведений о важнейших классах неорганических веществ ................................156 § 32. Вода. Химические свойства..............................160 ГЛАВА IV. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА. СТРОЕНИЕ АТОМОВ § 33. Изменение свойств простых веществ с возрастанием атомных масс химических элементов.......164 § 34. Изменение свойств оксидов с возрастанием атомных масс химических элементов.......169 § 35. Изменение свойств гидроксидов с возрастанием атомных масс химических элементов.......172 § 36. Периодический закон и строение атома ..................177 § 37. Причины периодичности свойств элементов ...............183 § 38. Состояние электронов в атоме...........................188 § 39. Порядок заполнения орбиталей электронами. Малые и большие периоды ...............................193 § 40. Группы и подгруппы химических элементов................199 §41. Значение периодического закона..........................203 Биографии великих учёных, внёсших вклад в развитие химии.............................................211 Ответы к задачам.............................................218 Приложение...................................................222 РАСТВОРИМОСТЬ СОЛЕЙ. КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ В ВОДЕ ОН“ сг г МОз зоГ sot 5Юз‘ соГ роГ Н" — р р р р р р т р р к* Р р р р р р р р р р Р р р р р р р р м т Na* Р р р р р р р р р р Ад* — т т р т м т — т т Са2* м р р р — м т т т т Мдг* т р р р — р т т т т Ваг* р р р р — т т т т т Zn2‘ т р р р т р т т т т Cu2* т р — р т р — т — т Pb2* т м т р т т т т т т Fe2* т р р р т р т т т т Рез* т р — р — р — — — т А|з* т р р р — р — — — т Сгз* т р р р — р — — — т Условная оценка растворимости веществ: Т Труднорастворимое малорастворимое Р I — растворимое — I ~ не существует в растворе la ДЛИННОПЕРИОДНАЯ ФОРМА ПЕРИОДИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА Н 3 Li 6,941 Литий 11 Na 22,9898 Натрий 19 К 39,0983 Калий Vila Villa Па 4 Be 9,01218 Бериллий 12 Mg 24,305 Магний 20 Са 40,08 Кальций Символ 111а IVa Va Via В квадратных скобках указаны массовые числа наиболее долгоживущих изотопов. Шб IV6 V6 VI6 VII6 -VIII6- 21 Sc 44,9559 Скандий 22 Ti 47,88 Титан 23 V 50,9415 Ванадий 24 СГ 51,996 Хром 25 Мп 54,938 Марганец 26 Fe 55,847 Железо 27 Со 58,9332 Кобаль* 16 Пб 28 Ni 58,69 Никель 29 Си 63,546 Медь 30 Zn 65,38 Цинк В 10,81 Бор 13 А1 26,9815 Алюминий 31 Ga 69,72 Галлий 6 С 12,011 Углерод 14 Si 28,0855 Кремний 32 Ge 72,59 Германий 7 N 14,0067 Азот 15 Р 30,9738 Фосфор 33 As 74,9216 Мышьяк 8 О 15,9994 Кислород 16 S 32,06 Сера 34 Se 78,96 Селен 1 Н 1,0079 Водород 9 F 18,9984 Фтор 17 С1 35,453 Хлор 35 Вг 79,904 Бром 2 Не 4,00260 Гелий 10 Ne 20,179 Неон 18 Аг 39,948 Аргон 36 Кг 83,80 Криптон 37 Rb 85,4678 Рубидий 38 Sr 87,62 Стронций 39 Y 88,9059 Иттрий 40 Zr 91,22 Цирконий 41 Nb 92,9064 Ниобий 42 Мо 95,94 Молибден 43 Тс [98] Технеций 44 Ru 101,07 Рутений 45 Rh 102,905 Родий 46 Pd 106,42 Палладий 47 Ag 107,868 Серебро 48 Cd 112,41 Кадмий 49 In 114,82 Индий 50 Sn 118,69 Олово 51 Sb 121,75 Сурьма 52 Те 127,60 Теллур 53 I 126,904 Иод 54 Хе 131,29 Ксенон 65 Cs 132,905 Цезий 56 Ва 137,33 Барий 57 La* 138,905 Лантан 72 Hf 178,49 Гафний 73 Та 180,9479 Тантал 74 W 183,85 Вольфрам 75 Re 186,207 Рений 76 Os 190,2 Осмий 77 1Г 192,22 Иридий 78 Pt 195,08 Платина 79 Аи 196,967 Золото 80 Hg 200,59 Ртуть 81 Т1 204,383 Таллий 82 РЬ 207,2 Свинец 83 Bi 208,980 Висмут 84 Ро [209] Полоний 85 At [210] Астат 86 Rn [222] Радон S7 Fr [223] Франций 88 Ra 226,025 Радий 89 Ас** 227,028 Актиний 104 Rf [261] Резерфордий 105 Db [262] Дубний 106 Sg [266] Сиборгий 107 ВЬ [264] Борий 108 HS [269] Гассий 109 Mt [268] Meiiiuej*# 110 [271] □ I I «-элементы элементы p-элементы /-элементы *ЛАНТАНИДЫ 58 Се 59 РГ 60 Nd 61 Pm 62 Sm 63 Ей 64 Gd 65 ТЬ 66 Dy 67 Но 68 Ег 69 Тт 70 Yb 71 Lu 140,12 140,908 144,24 [145] 150,36 151,96 157,25 158,925 162,50 164,930 167,26 168,934 173,04 174,967 Церий Празеодим Неодим Прометий Самарий Европий Гадолиний Тербий Диспрозий Гольмий Эрбий Тулий Иттербий Лютеций АКТИНИДЫ 90 ТЬ 91 Ра 92 и 93 Np 94 Ри 95 АГО 96 Cm 97 Вк 98 Cf 99 Es 100 Fm 101 Md 102 No 103 Lr 232,038 231,036 238,029 237,048 [244] [243] [247] [247] [251] [252] [257] [260] [259] [262] Торий Протактиний Уран Нептуний Плутоний Америций Кюрий Берклнй Калифорний Эйнштейний Фермий Менделевий Нобелий Лоуренсий