Учебник Химия 9 класс Буринская Величко

Классификация — распределение каких-либо объектов по общим признакам с формированием определённой системы классов В предьвдущем учебном году ты уже ознакомился с некоторыми сведениями об основных классах неорганических соединений, периодическом законе и периодической системе химических элементов, химической связи, что является определённым теоретическим фундаментом для осмысленного восприятия следующих вопросов курса химии. Но ведь за лето ты мог что-то забыть. Повтори основное из уже изученного, чтобы увереннее чувствовать себя на занятиях. § 1. ОСНОВНЫЕ КЛАССЫ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ Ты уже знаешь, что всё, что нас окружает, и мы сами состоим из веществ. Именно вещества являются предметом изучения химии. А их сегодня известно почти 20 млн, и все они имеют определённые свойства. Разумеется, запомнить все их свойства невозможно, да и нет необходимости. Для того чтобы облегчить усвоение сведений о веществах, их классифицируют, устанавливают связи между классами, выявляют общие свойства, характерные для целого класса веществ. Рассмотри схему «Классификация веществ» (табл. 1, с. 9) и вспомни определение каясдого класса и подкласса. Обрати внимание, что в схеме имеются такие подклассы веществ, которые тебе, возможно, пока не встречались, а если отдельные и попадались, то вспомни, по какому поводу, и попытайся составить зфавнение реакции, в которой принимает участие или образуется вещество данного подкласса. После этого выполни тренировочные упражнения, их условия приведены далее в тексте. 8 Таблица 1. Классификация веществ «О Тренировочные упражнения 1. Составь уравнения химических реакций, схемы которых приведены ниже, и определи тип каждой из них: ,^Ге(ОН)з+... РеС1г + ... ^NaCl + ... + Н2О РеС1з + Fe + ... МазСОз +... Fe(OH)3 ^ . ВаО + Р2О5 Al + S^... ... + КОН^ K2Zn02 + 2. Обставь уравнения реакций, при помощи которых можно выполнить следующие преобразования: а) Си -» СиО -> CUSO4 Си(ОН)г -> СиСЬ; б) С -> СО2 ВаСОз -> Ва(МОз)2 ^ BaS04. 3. Вычисли объём водорода (н. у.), который выделяется, если с раствором ортофосфорной кислоты взаимодействует магний количеством вещества 1 моль. Задай- _пя С.-ЭМОКОН 1 1. Составь уравнения реакций, при помощи которых можно выполнить следующие преобразования: а) Р —^ Р2О5 —^ Н3РО4 —^ Саз(Р04)г —^ СаЗОд! б) Na -> NaOH Na2S04 ^ NaCI МаМОз. 2. Как из оксида цинка добыть гидроксид цинка, если имеются все необходимые реактивы? Составь соответствующие уравнения реакций. 3. Вычисли, какое количество вещества соли образуется, если на оксид железа- (III) подействовать азотной кислотой количеством вещества 3 моль. Цоиол! „ 3 4. С какими из указанных веществ может взаимодействовать соляная кислота: оксид cepbi(VI), оксид цинка, серная кислота, алюминий, хлорид натрия, оксид углерода(1У), гидроксид железа(111)? Напиши уравнения соответствующих реакций. 5. Напиши уравнения реакций получения сульфата алюминия четырьмя разными способами. • 6. Составь схему, иллюстрирующую химические свойства солей, дополнив её уравнениями соответствующих реакций. | 7*. В растворе содержится хлорид натрия количеством вещества 1 моль и суль-f фат натрия количеством вещества 1 моль. Какое вещество и в каком количе- 10 стве необходимо добавить к раствору, чтобы в нём содержался хлорид на-, трия количеством вещества 3 моль и не было сульфата натрия? 8*. В результате взаимодействия с водой щелочного металла массой 3,5 г вы-i деляется водород объёмом 5,6 л (н. у.). Определи этот металл. I ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 1 Решение экспериментальных задач В этой практической работе необходимо использовать знания, полученные при изучении классификации и химических свойств оксидов, кислот, оснований и солей. По указанию учителя выполни один из вариантов этих заданий. Вариант I (средний уровень) 1. Используя имеющиеся в твоём распоряжении реактивы, получи гидроксид меди(П) и докажи, что данное вещество является основанием. 2. В трёх пробирках под номерами 1, 2, 3 находятся растворы кислоты, щёлочи и соли. Определи, какое вещество и в какой пробирке содержится. Вариант II (достаточный уровень) 1. Проведи реакции, при помощи которых можно выполнить следующие преобразования: оксид меди(П) —>■ хлорид меди(П) -> гидроксид меди(П) оксид меди(П). Напиши уравнения этих реакций. 2. Получи гидроксид магния и докажи, что это основание. 3. Химическим способом выдели медь из смеси медных опилок с порошком цинка. Вариант III (высокий уровень) 1. Проведи реакцию нейтрализации. Напиши уравнение реакции, укажи условия её протекания. Объясни результаты своих наблюдений. 2. Получи хлорид меди(П) тремя разными способами. Напиши соответствующие уравнения реакций и укажи условия их протекания. Объясни результаты своих наблюдений. 3. Проведи реакции, при помощи которых можно вьшолнить такие преобразования: гидроксид железа(П1) оксид железа(П1) сульфат железа(П1). Напиши уравнения реакций, укажи условия их протекания и объясни результаты своих наблюдений. 11 Менделеев Дмитрий Иванович (1834—1907) Русский химик, разносторонний учёный, педагог, общественный деятель. Работал преподавателем гимназии в Одессе. Профессор Петербургского университета (с 1865). Возглавлял Главную палату мер и весов (с 1893). Сыграл значительную роль в развитии химии и других областей естествознания. Открыл (1869) периодический закон химических элементов — один из основных законов природы Свойства элементов, а также образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра их атомов § 2. ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН И ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ. СТРОЕНИЕ АТОМА Периодический закон был открыт Д. И. Менделеевым в 1869 году. А знаешь ли ты, почему именно Д. И. Менделееву удалось открыть периодический закон, а не его предшественникам, например Лотару Мейеру? Ведь Л. Мейер был на правильном пути. Из известных в то время 63 элементов он сумел расположить 27 по возрастанию их атомных масс, сгруппировать подобные по валентности элементы и опубликовать таблицу. А Д. И. Менделеев сравнивал между собой не только подобные по свойствам элементы, но и непохожие, при выборе места для элемента обраш;ал внимание на его химические свойства. В итоге, Д. И. Менделеев расположил все известные тогда 63 элемента, оставив свободные клеточки для ещё неизвестных элементов и достаточно точно спрогнозировав их свойства. Почему открытие периодического закона считают гениальным? В то время представления о молекулах и атомах только формировались в науке. Атом считали неделимой частицей, о его внутреннем строении не могло быть и речи. Созданная Д. И. Менделеевым периодическая система сама была основой для изучения строения атома и в настоящее время служит для открытия новых трансурановых элементов, то есть расположенных в периодической системе после урана. Если это открытие — гениально, то почему формулировка периодического закона Менделеевым изменилась? Д. И. Менде- 12 леев, открыв периодический закон и создав на его основе периодическую систему химических элементов, показал, что свойства элементов и их соединений изменяются периодически. Но уровень тогдашних знаний не давал возможности выяснить причины периодичности. Уже после смерти Д. И. Менделеева учёные узнали, что атом, который считали своеобразным «кирпичиком» Вселенной, оказался сложной микрочастицей, состо-яш;ей из ядра и электронов. ■ Вспомни сущность ядерной модели атома. Кто и когда её предложил? • Какое научное открытие привело к изменению формулировки периодического закона? Приведи его современное определение. • Объясни сущность современной орбитальной модели атома. Приведи пример строения атомов элементов с протонными числами 17 и 20. Итак, суш;ествует связь периодического закона и периодической системы химических элементов с современными представлениями о строении атома: 1. Порядковый номер элемента соответствует заряду ядра, показывает число протонов в ядре, поэтому называется теперь протонным числом, или атомным номером. Поскольку атом — электронейтраль-ная частица, то протонное число показывает также количество электронов в атоме. 2. Номер периода в периодической системе соответствует числу электронных оболочек в атоме (или энергетических уровней). 3. Номер группы для элементов главных подгрупп означает: а) число электронов, находящихся на внешней электрон- Свойства элементов и их соединений изменяются периодически Атом состоит из ядра и электронов Атомный номер (протонное число) показывает число протонов в ядре и число электронов в атоме 13 Причина периодического изменения свойств химических элементов заключается в периодическом изменении и повторяемости внешних электронных оболочек атомов ной оболочке, то есть число валентных электронов, участвующих в химическом взаимодействии; б) высшую положительную степень окисления элемента в высшем оксиде и гидрате оксида (в кислоте или основании). 4. У элементов побочных подгрупп III — VII групп число валентных электронов также соответствует номеру группы, но размещаются они не только на внешнем, но и на предпоследнем электронном слое. Связь между строением атомов химических элементов и свойствами образованных ими простых и сложных веществ показана в таблице 2 (с. 15). Существует множество вариантов изображения периодической системы химических элементов и не только в виде таблицы. Из табличных вариантов наиболее распространены короткая и длинная формы. Вспомни строение короткой и длинной форм периодической системы химических элементов. Укажи подобные и отличительные особенности их структуры. Раскрой причину разной длины периодов. Объясни, почему в последнее время длинная форма более популярна, чем короткая. Аргументируй периодические изменения свойств химических элементов. Итак, периодическая повторяемость строения внешних электронных оболочек (энергетических уровней) атомов является причиной периодического изменения свойств химических элементов. В этом заключается физическая сущность периодического закона, и она не зависит от формы представления периодической системы химических элементов. 14 Таблица 2. Связь между строением атомов элементов и свойствами веществ Характеристика эле- Группы элементов ментов и образованных ими веществ I II III IV V VI VII VIII Символ элемента На Mg А1 Si Р S С1 Ат Протонное число (заряд ядра атома) +11 +12 +13 +14 +15 +16 +17 +18 Размещение электронов в атоме 2,8,1 2,8,2 2,8,3 2,8,4 2,8,5 2,8,6 2, 8,7 2, 8,8 Валентные электроны 3s> 3s=' Зз^Зр' 3s^3p^ Зв^ЗрЗ Зз^Зр* Зз^Зр^ Зв^Зр® Схема строения внешнего электронного слоя На- Mg: А1: •Si: •Р: ■S: :С1: :М: Свойства простого вещества Ме- талл Металл Металл Неме- талл Неме- талл Неме- талл Неме- талл 1нерт- ный газ Высшая степень окисления +1 +2 +3 +4 +5 +6 +7 — Формулы высшего оксида НагО MgO AI2O3 8Юг Р2О3 SO3 CI2O7 — и высшего гидрата оксида НаОН Mg(OH)2 А1(ОН)з или H3A103 H2Si03 НзРОз H2SO4 HCIO4 — Свойства оксида и гидрата оксида Осн. Осн. Амф. Кисл. Кисл. Кисл. Кисл. — Низшая степень окисления элемента — — — -4 -3 -2 -1 — Формула летучего соединения с водородом — — — SiH< РНз H2S НС1 — л *ti Vi'f ^ * Wipy ■ Задания д/1я самоконтроля 1. Охарактеризуй типичный металл и типичный неметалл по их положению в периодической системе и строению атома. 2. Как изменяются свойства элементов по следующей схеме: №5 Т №12<-№13-^-№14 i №21 >oL*»eTT. 15 Ответ аргументируй. Возле порядкового номера запиши химический знак элемента и формулу его оксида. 3. Какая электронная конфигурация соответствует атому первого элемента каждого периода? 4. Ниже приведены электронные конфигурации атомов бериллия и азота: а>4Ве 2 b)7N 2 и S Р ti t Р б) 4Ве* 2 t t р г)гМ t t t t n ti p : Д) 7N 2 p Укажи, какие из них правильные. Ответ аргументируй. Дополнительные задания 5*. Почему элемент 19 является s-элементом, а не d-элементом, хотя Зd-пoд-уровень ещё не заполнен? Напиши электронную формулу этого элемента. в*. Найди протонное число элемента, если электронная конфигурация внешнего электронного уровня его атома 4s^4p^. Напиши электронную формулу атома аналогичного элемента в предыдущем периоде. Какой это элемент? 7*. Один из элементов 4-го периода, предсказанных Д. И. Менделеевым, образует оксид, в котором массовая доля кислорода 30,59 %. Что это за элемент? 8*. Не пользуясь периодической системой, определи, в каком периоде находится элемент с протонным числом 43. Напиши электронную формулу атома этого элемента. § 3. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Электронная теория строения атомов объясняет, как атомы удерживаются в молекуле либо кристалле. И ты уже знаешь, что атомы химических элементов, входящие в состав простых или сложных веществ, удерживаются относительно друг друга благодаря химическим связям. 16 Химическая связь — это взаимодействие атомов, обусловливающее устойчивость молекулы или кристалла как единого целого. Химическая связь возникает при взаимодействии положительно заряженных ядер атомов и отрицательно заряженных электронов. Вспомни два способа образования химической связи. Первый — при переходе одного или нескольких электронов от одного атома к другому, в результате у обоих атомов возникает устойчивая октетная оболочка (из 8 электронов) и положительно и отрицательно заряженные ионы, взаимодействующие между собой. Например, натрий взаимодействует с хлором: iiNa 17CI Na- + -Cl Na^ + [:Cl:r ^NaCl Что же произошло? 1. Атом натрия потерял 3s^ электрон и превратился в положительно заряженный ион со стабильной конфигурацией ближайшего инертного газа неона. 2. Атом хлора присоединил этот электрон на свою Зр-орбиталь и превратился в отрицательно заряженный ион со стабильной конфигурацией ближайшего инертного газа аргона. 3. Разноименно заряженные ионы натрия Na^ i хлора СГ взаимно притягиваются и образуют формульную единицу NaCl. Но обрати внимание, молекулы хлорида натрия существуют только в па- Na- 1ё = Na* 1s^2s^2p®3s* 1s^2s*2p®3s‘’ СИ- 1ё = СГ ^^2s^2p^3^3p^ 1s22s22p«3s23p6 17 Рис. 1. Схема изображения кристаллических решёток хлорида натрия рообразном состоянии. В твёрдом состоянии (кристаллическом) все ионные соединения состоят из упорядоченно расположенных положительно и отрицательно заряженных ионов. Молекулы при этом отсутствуют. Формулы, которые обычно относят к ионным соединениям (NaCl, LiF, СаВгг, CsF), отображают только соотношение положительно и отрицательно заряженных ионов в кристалле. Второй способ — посредством обобществления электронов. От каждого атома, который участвует в образовании химической связи, по одному электрону идёт на образование общей электронной пары. Например: :С1- + -С):->:С):С1: С1—С1 CI2 При использовании первого способа образуется ионная связь, а второго — ковалентная. Если возникает химическая связь между атомами неметаллов одного вида, то это — неполярная ковалентная связь, а если между атомами неметаллов разных видов — полярная ковалентная связь. Это объясняется тем, что атомы разных элементов имеют разную элек- 18 троотрицательность, а общая электронная пара смещается к атому с большей электроотрицательностью. Например: Н-+С1:->Н:С1: Н->С1 • Вспомни, что такое электроотрицательность. • Объясни, как образуется диполь. • Всегда ли полярная ковалентная связь обусловливает образование диполя? Рассмотри как пример образование молекулы оксида углерода(1\/). При образовании молекул может возникнуть несколько общих электронных пар. Рассмотри, например, электронную схему образования молекулы азота N2: t t t 7N 2 P :N4--N: N2 Следовательно, тройная связь между атомами азота в молекуле азота N2 образовалась в результате обобществления трёх неспаренных электронов каждого атома. Возможно ли, что число химических связей, образованных атомом в соединении, больше числа неспаренных электронов? Да, возможно. Например, в атоме углерода только два неспаренных электрона на внешней электронной оболочке атома, а в молекуле метана СН4 углерод образует четыре химических связи с атомами водорода. [Ne] [Ne] 19 t Т бС 2 Р н I н—с-I н -н н Н:С:Н Н ls^2s^2p^ Углерод Метан Это объясняется тем, что при взаимодействии происходит распаривание 2s^ электронной пары. —М— III ' ——nil IWI I ЧМГ1 г—-|TITTT1"|| 111 IIU ■ '1" ^тr’'^"~'^^^‘*^т^тг^^^*rlr^1nгrйг^тг~^r*rтr^гтгfгтт ; Задания для ».амоконтр<*пя 1. Составь электронную схему образования молекулы брома. 2. Сравни строение ионов и F" со строением атома неона Ne. 3. Напиши электронные и графические формулы сероводорода НгЗ и аммиака i МНз. 4. Сколько ковалентных связей могут образовать в соединениях атомы кремния и фосфора? Ответ аргументируй. j 5. Назови тип химической связи в соединениях, формулы которых Нг, СОг, SiOz, Ог, KCI, Iz. AI2O3, NH3, PzOs. Nz, HBr. ' Дополнительные задания ' 6*. Напиши уравнения реакций соединения: а) лития с кислородом; б) алюминия с серой; в) магния с фосфором. Составь электронные схемы этих реакций. 7*. Напиши молекулярную, электронную и графическую формулы воды. Объяс-' ни состав и угловое строение молекулы воды. ' 8*. Почему молекулы галогенов состоят из двух атомов, а не из трёх или четырёх? Ответ аргументируй. 20 Рис. 2. Дым — пример дисперсной системы (аэрозоля) Дисперсные системы: воздух, пища, бумага, кровь, лимфа и др. Рис. 3. Парфюмерная продукция в аэрозольной упаковке § 4. ПОНЯТИЕ О ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ И ИХ ЗНАЧЕНИЕ Тебе необходимо иметь представление о: значении дисперсных систем; понимать сущность понятий: дисперсная система, диспергированное вещество, дисперсная среда, коллоидный раствор, суспензия, эмульсия; уметь объяснять: классификацию дисперсных систем и знать признаки, по которым их различают. Если одно вещество сильно измельчить (раздробить) и равномерно распределить в другом веществе, то образуется дисперсная система. Дисперсные системы окружают нас повсеместно (воздух и пища, бумага, наше тело, кровь, лимфа) и отличаются большим разнообразием. Это объясняется тем, что диспергированные (дроблённые, размельчённые) вещества, их образующие, могут находиться в любом из трёх агрегатных состояний. Дисперсная среда также может быть газообразной, жидкой и твёрдой. Например, если дисперсная среда газообразная, то дисперсные системы называют аэрозолями. Они состоят из частиц твёрдого вещества либо капелек жидкости, которые во взвешенном состоянии находятся в газообразной среде. К аэрозолям относятся туман, дым, пыль и т. д. (рис. 2). В виде аэрозолей сжигают жидкое и порошкообразное топливо, наносят лакокрасочные покрытия, используют пестициды, лекарственные препараты, продукты бытовой химии, парфюмерию (рис. 3). 22 Наибольшее практическое значение имеют дисперсные системы, средой которых является вода. В зависимости от размеров частиц разделяют на три группы: — истинные растворы (просто растворы); — коллоидные растворы (золи); — грубо дисперсные системы, или взвеси (суспензии, эмульсии). Суспензии образуются, если диспергированное вещество находится в твёрдом состоянии, а эмульсии — если в жидком (рис. 4). Например, если добавить в воду сильно размельчённый мел, то образуется мутная смесь, которая очень медленно отстаивается. Это суспензия. Примером эмульсии может быть молоко, где размельчённым веществом являются капельки жира. Образование эмульсии имеет определённое физиологическое значение, поскольку жир в виде эмульсии легче усваивается организмом. Этим объясняется эмульгирующая функция жёлчи, которую выделяет печень. Суспензии и эмульсии при хранении быстро расслаиваются. В отличие от них коллоидные растворы более стойкие. Наиболее устойчивы среди дисперсных систем истинные растворы, в которых диспергированное вещество размельчено до молекул или ионов. Проанализируй табл. 3, сделай вывод о сходстве и различии коллоидных и истинных растворов. г г Рис. 4. Молоко — пример эмульсии 23 Таблица 3. Дисперсные системы Характерный признак Истинные растворы Коллоидные растворы Суспензии, эмульсии Вид дисперсной системы Молекулярно или ионно-дисперсная Коллоидно-дисперс- ная Грубодисперсная Размер частиц До 1 нм От 1 до 500 нм Более 500 нм Пример дисперсной системы Раствор соли или сахара в воде Раствор белка куриного яйца в воде Смесь мела или растительного масла с водой Внешний вид системы Прозрачная Прозрачная Мутная Видимость частиц Частицы нельзя обнаружить оптическим способом Частицы можно обнаружить, используя ультрамикроскоп Частицы можно обнаружить визуально (невооружённым глазом) Способность задерживаться бумажным фильтром Частицы проникают через фильтр Частицы задерживает фильтр Рис. б. Горная порода Дисперсные системы широко распространены в природе. Это горные породы, почвы, атмосферные и гидросферные осадки, растительные и животные ткани. Среди разных типов дисперсных систем в химии наибольшее значение имеют коллоидные и истинные растворы. ВЫВОДЫ Дисперсными называют такие физико-химические системы, в которых диспергированное (размельчённое, раздроблённое) вещество находится в виде мельчайших частиц в другом веществе (дисперсной среде). По размерам частиц диспергированного вещества дисперсные системы разделяют на истинные (до 1 нм) и коллоидные (от 1 до 500 нм) растворы, взвеси-суспензии и эмульсии (более 500 нм). Дисперсные системы широко распространены в природе. 24 Задания для самоконтроля 1 ■ Какова сущность понятия «дисперсная система»? Приведи два-три примера ■ дисперсных систем, объясни, что это такое. 2. Сравни понятия «диспергированное вещество» и «дисперсная среда». По какому существенному признаку их различают? 3. Для получения некоторых лаков готовят дисперсную систему из красителя и ■ ацетона. Что при этом является диспергированным веществом, а что ~ дис-“ персной средой? 4. Объясни, как классифицируют дисперсные системы по степени измельчения вещества. 5. Объясни, чем взвеси отличаются от коллоидных и истинных растворов. Дополнительные задания 6*. Объясни, почему оксид серы(71) образует на воздухе туман, а аммиак — нет. 7*. Известно, что суспензия частичек почвы постепенно расслаивается, поскольку частички оседают на дно ёмкости, а при отстаивании молока сверху образуется слой сливок. Как ты полагаешь, что будет происходить с этими дисперсными системами в космосе? § 5. ПОНЯТИЕ О КОЛЛОИДНЫХ РАСТВОРАХ Гебе необходимо иметь представление о: коллоидных растворах; понимать сущность понятий: адсорбция, коагуляция, коагулянт; уметь: объяснять сущность процесса коагуляции; распознавать коллоидные растворы; обосновать значение коллоидов в природе и производстве. Коллоидные растворы (коллоиды) — это высокодисперсные системы, состоящие из очень мелких (от 1 до 500 нм) частиц вещества (дисперсная фаза), зависших в другом веществе (дисперсной среде). По размерам частиц коллоидные растворы занимают промежуточное Рис. 6. Пенопласт, кухонные губки — примеры коллоидных систем . 25 Рис. 7. Схема строения коллоидной частицы: 1 — нерастворимое ядро; 2 — поглощённые отрицательно заряженные ионы; 3 — положительно заряженные ионы; 4 — гидратная оболочка место между суспензиями, эмульсиями и истинными растворами. Коллоидное состояние вещества — универсально, поскольку при определённых условиях в него могут переходить любая жидкость или твёрдое вещество. Многие минералы, природные воды, вирусы, мышечные и нервные клетки, головной мозг, кровь — это коллоидные системы. Их изучает коллоидная химия (рис. 6). Коллоидные системы, дисперсионная среда которых — жидкость, называют коллоидными растворами. Приготовим коллоидный раствор гидроксида железа(Ш) Ге(ОН)з. Опыт 1. В колбе на 250 мл нагреем до кипения дистиллированную воду объёмом 100 мл. Когда вода закипит, отставим горелку и добавим в воду каплями 10 мл раствора хлорида железа(Ш) (раствор FeCls 2 % -ный). Постепенно раствор окрашивается, и уже после добавления 10—12 капель приобретает цвет крепкого чая. Цвет обусловлен образованием коллоидного раствора гидроксида железа(Ш) Ге(ОН)з. Что же происходит? При данных условиях соль FeCls взаимодействует с водой по уравнению: FeCls + ЗН2О = Fe(OH)s -f ЗНС1. Микрокристаллики малорастворимого гидроксида железа(П1) Fe(OH)s поглощают из раствора отрицательно заряженные ионы хлора и сами становятся отрицательно заряженными. Образовавшиеся отрицательно заряженные частицы отталкиваются от себе подобных, но притягивают положительно заряженные ионы из раствора, образуя слой вокруг 26 этой частицы. Появляется ещё одна оболочка, уже из молекул воды. Вся эта сложная система называется коллоидной частицей (рис. 7). Распознавание коллоидов. Коллоидный раствор легко отличить от истинного. Если в тёмном помещении пропускать через коллоидный раствор узкий пучок света, то наблюдается свечение. Опыт 2. Собираем прибор (рис, 8), Полученный ранее коллоидный раствор гидроксида железа(П1) помещаем в один стакан, а в другой — истинный раствор. Включаем свет и наблюдаем рассеяние света коллоидными частицами и свечение вдоль всего пути прохождения светового .чуча. Ж' Ш 1М Ml ■ I ^ Источник света Истинный раствор . Коллоидный раствор Рис. 8. Конус Тиндаля в коллоидном растворе В стакане с истинным раствором путь света мы не увидим. Частицы истинных растворов (молекулы, ионы) очень малы, чтобы рассеивать свет, а коллоидные частицы достаточно крупные, именно они рассеивают свет. Это явление открыл ученик М. Фарадея — английский химик Джон Тиндаль (1868). В его честь явление назвали эффектом Тиндаля (рис. 8), Коагуляция коллоидов. Коллоидные частицы могут поглощать на свою поверх- 27 Рис. 9. Броуновское движение коллоидных частиц Коагуляция — слипание частиц коллоида и выпадение в осадок ность как положительно, так и отрицательно заряженные ионы, но сами они всегда заряжены одноимённо. Собственно, это и мешает им слипаться и увеличиваться, что определяет прочность коллоидных растворов. Некоторые из них могут сохраняться годами, но постепенно «стареют» и разрушаются. Этим они отличаются от истинных растворов, которые могут сохраняться бесконечно долго. Разрушению коллоидных растворов способствует осаждение частиц под действием силы гравитации. В мелкодисперсных системах разрушению коллоидов препятствует броуновское движение (рис. 9). С повышением температуры оно усиливается, и устойчивость коллоидной системы увеличивается. Одновременно при увеличении скорости движения частиц при нагревании они сталкиваются чаще, их заряд уменьшается, поскольку происходит удаление поглощённых молекул и ионов с поверхности коллоидных частиц. Это сопровождается потерей зарядов, слипанием частиц, скоплением их в крупные агрегаты и выпадением в осадок. Такой процесс называется коагуляцией. Её можно ускорить добавлением растворов кислот, солей и некоторых органических соединений. • Вещества, вызывающие коагуляцию коллоидов, называются коагулянтами. Коагулянтом может быть другой коллоидный раствор, если заряды его частиц противоположные. Это используют для очистки питьевой, воды. В природной воде всегда содержится много кол- 28 ЛОЙДОВ, в особенности частиц глины, от которых трудно избавиться, поскольку они легко проходят сквозь фильтр. В воду добавляют сульфат алюминия А12(804)з. Положительно заряженные ионы алюминия осаждают отрицательно заряженные коллоидные частицы в природной воде. Значение коллоидных растворов. Коллоиды играют очень большую роль в биологии и медицине, в почвоведении и технике. Цитоплазма клеток растительных и животных организмов — сложный коллоид. Большинство физиологических процессов тесно связано с коллоидными растворами. Перевариванию пиш;и, например, предшествует её переход в коллоидное состояние. Многие продукты питания являются коллоидами — молоко, какао, яйца, майонез, желе, мармелад, пастила,студень. Такие физиологические жидкости, как ■ кровь, лимфа, спинномозговая жидкость, — также коллоидные растворы, вещества (белки, гликоген, холестерин) в их составе находятся в коллоидном состоянии. Все эти вещества в крови стабилизируются белками (коллоидная защита). Если уровень подобной защиты снижается, то человек начинает болеть: откладываются холестерин и соли кальция на стенках сосудов (атеросклероз), в суставах — соли мочевой кислоты (подагра), образуются камни в почках и жёлчном пузыре и т. д. Коллоидные системы распространены и в быту (моющие средства, клеи, зубные пасты и пр). Широко используются аэрозольные баллончики с разными средства- А1г(804)з — коагулянт Рис. 10. Жидкий крем, зубная паста — коллоидные системы 29 Рис. 11. Антистатики — коллоидные системы Рис. 12. Молния ми бытовой химии и автокосметики — для чистки одежды и ковров, выведения пятен, борьбы с бытовыми насекомыми и грызунами, различные антистатики, полироли, краски (рис. 10, 11). Всевозможные коллоидные системы, преимущественно аэрозоли, нашли применение и в промышленности. В таких отраслях, как мыловаренная, маргариновая, фармацевтическая, парфюмерная, производство пластмасс, искусственного волокна, каучука и многих других, коллоиды изготовляют специально, поскольку часто это сырьё, например, для резиновой, бумажной, кондитерской, текстильной промышленности. В аэрозольной форме сжигают топливо. Аэрозольное состояние используют для получения пигментов, наполнителей, катализаторов и т. д. Аэрозоли используют в медицине, ветеринарии и сельском хозяйстве. Они играют большую роль и в атмосферных процессах. Если заряженные частицы аэрозолей перемещаются в воздухе, который является изолятором, то их движение сопровождается исчезновением заряда частиц аэрозолей, что также вызывает молнию и гром (рис. 12). В технике образование аэрозолей процесс нежелательный, поскольку загрязняется атмосфера. Над промышленными центрами возникают сложные аэрозоли, когда огромные массы дыма смешиваются с атмосферным тзгманом и пылью. При этом образуется смог, борьба с которым — актуальная экологическая проблема. Большую опасность представляют собой аэрозоли из муки, сахарной или угольной пыли, порошковых металлов 30 (в частности, магния), поскольку очень взрывоопасны. ВЫВОДЫ Коллоидные растворы — это физико-химические системы, содержащие нерастворимое измельчённое вещество, размеры частиц которого составляют от 1 до 500 нм. Коллоид — это состояние, в котором может находиться большая часть веществ. Коллоидный раствор можно определить с помощью эффекта Тиндаля. Разрушение коллоидных растворов связано с потерей зарядов коллоидными частицами, в результате они слипаются и выпадают в осадок. Происходит коагуляция коллоида. Коагулянтами могут быть растворы кислот, солей и т. д. Коллоиды окружают нас повсеместно. Однако они могут иметь как положительное, так и отрицательное значение. Задания для самоконтроля 1. Объясни, как образуется коллоидный раствор. 2. Что такое «коллоидная частица»? 3. Объясни, как отличить коллоидный раствор от истинного. 4. Объясни сущность процесса коагуляции коллоида, укажи её причины. 5. Аргументируй значение коллоидных растворов в природе и жизни человека. Дополнительное задание 6*. Кровоостанавливающий карандаш, который используют для бритья или маникюра, содержит положительно заряженные ионы алюминия и ионы желе за. Объясни его действие как кровоостанавливающего средства. 31 § 6. ПОНЯТИЕ ОБ ИСТИННЫХ РАСТВОРАХ i '■ Рис. 13. Напиток «Живчик* — это смесь воды, фруктового сока и других веществ (водный раствор) Рис. 14. Кофе (водный раствор) — смесь воды, кофеина и других веществ Тебе необходимо иметь представление о: значении растворов: кристаллогидратах: понимать сущность понятий: раствор, растворитель, гидратация: уметь объяснять: сущность процесса растворения. Значение растворов. Химические соединения в индивидуальном состоянии практически не существуют в природе. Они образуют смеси. Да и в быту нас преимущественно окружают смеси веществ, в частности в виде водных растворов. Процессы растворения и сами растворы имеют огромное значение в органической и неорганической (минеральной) жизни Земли, в науке и технике. Вода, так широко распространённая в природе, — моря, океаны, реки, озёра, грунтовые воды, — всегда содержит растворённые вещества. В первобытном океане (в период возникновения жизни на Земле) массовая доля растворённых солей составляла около 1 %. «Именно в таком растворе впервые появились живые организмы, из этого раствора они получили ионы и молекулы, необходимые для их развития и жизни. С течением времени живые организмы эволюционировали, что дало им возможность покинуть водную среду и перейти на сушу или подняться в воздух. Они приобрели эту способность благодаря сохранению в своих организмах водного раствора в виде жидкой составляющей тканей, плазмы крови и межклеточной жидкости, содержащих необходимый 32 запас ионов и молекул», — так оценивает значение растворов американский химик Лайнус Полинг. Действительно, внутри нас, в каждой клеточке воспоминание о первобытном океане, в котором зарождалась жизнь,— раствор, в котором массовая доля солей достигает 0,9 %. Это наша кровь, лимфа и другие жизненно важные физиологические жидкости организма. Растворы сопровождают нас всюду, и не только водные. Воздух — это взаимное растворение газов; чугун и сталь — твёрдые растворы железа и углерода. Но наиболее распространёнными являются водные растворы. Усвоение пищи связано с pacTBopeHneM”^ питательных веществ. И растения усваивают необходимые для их роста и развития вещества только в виде растворов. Сок растений — это также раствор. Обычная питьевая вода представляет собой раствор и твёрдых солей, и газов (рис. 16). Растворы играют большую роль во многих отраслях промышленности: в текстильной промышленности применяют растворы солей, кислот, красителей, металлообрабатывающей — растворы кислот (для удаления с поверхности металлов окалины и ржавчины), а в фармацевтической — растворами являются многие лекарства. Использование неводных растворов связано с полимерами, красителями, лаками и др. Вся промышленность синтетических волокон и пластмасс использует растворы. Химические, биологические и физические исследования часто проводят с применением растворов. Что же такое раствор? Рис. 16. Материал, из которого изготовлена монета (твёрдый раствор), — это смесь меди, никеля и алюминия Рис. 16. Питьевая вода — смесь воды, солей и газов 2 ‘Химия’, 9кл. 33 Рис. 17. Растворение медного купороса Рис. 18. Растворение перманганата калия Раствор. Начинаем с демонстрации опытов. Опыт 1. На дно химического стакана с водой кладём кристаллы медного купороса CUSO4 • 5НгО синего цвета (рис. 17). Очень быстро возле горки кристаллов жидкость приобретает голубой цвет — образуется раствор медного купороса в воде. Благодаря диффузии постепенно окрашивается вся жидкость. Этот процесс протекает медленно, поскольку скорость диффузии небольшая. Процесс образования однородного раствора можно ускорить. Опыт 2. В цилиндр наливаем воду (3/4 его ёмкости). В мешочек из марли насыпаем кристаллы перманганата калия КМПО4. Привязываем его к нитке и опускаем в цилиндр так, чтобы мешочек оставался у поверхности жидкости (рис. 18). Почему, по твоему мнению, струйки раствора, образующиеся вокруг кристаллов, опускаются вниз? Потому что плотность полученного раствора больше, чем плотность воды. Струйки раствора опускаются, жидкость перемешивается, и раствор становится однородным. Понятно, что обычное перемешивание также ускоряет образование однородного раствора. Вспомни, как ты перемешиваешь в стакане чай, положив в него сахар. Следовательно, если частицы одного вещества малых размеров распределяются между частицами другого вещества, то получаем однородную систему — раствор. Минеральные воды: Миргородская, Трус-кавецкая, Нафтуся, Свалява и др.— это растворы солей в воде (рис. 19). Харак- 34 терная особенность растворов — их однородность. Растворы бывают бесцветные и окрашенные, ноотдельные частицырастворён-ного вещества в них не видны, так как они микроскопические (менее 10"® м). Это означает, что вещества в растворе сильно измельчённые — до молекул, атомов или ионов. Раствор содержит не менее двух компонентов, один из них — растворённое вещество, а другой — растворитель (рис. 20). Растворитель — это компонент раствора, находящийся в том же агрегатном состоянии, что и раствор. Например, при смешивании сахара (твёрдое вещество) и воды (жидкость) получаем жидкий раствор, где вода — растворитель, а сахар — растворённое вещество. Если вещества находятся в одинаковых агрегатных состояниях, как, скажем, спирт (жидкость) и вода (жидкость), то растворителем является тот компонент, которого в системе больше. Растворяемое вещество может находиться в любом агрегатном состоянии. В воде можно растворить соль, а можно — и углекислый газ. В обоих случаях образуются однородные системы — растворы. Кроме того, раствор может содержать не одно, а несколько веществ. Типичным примером такого раствора является морская вода. Следовательно, раствор — это однородная система переменного состава, содержащая два или несколько компонентов. Рис. 19. Минеральные воды J Рис. 20. Компоненты (составляющие) раствора: 1 — растворитель; 2 — растворяемое вещество; 3 — раствор; 4 — частицы растворяемого вещества и растворителя равномерно распределены 35 8888 сахар вода раствор Рис. 21. Схема растворения сахара в воде Рис. 22. Поглощение теплоты при растворении NH4NO3 в воде Сущность процесса растворения. Ты уже знаешь, если поваренную соль или сахар поместить в воду, то масса твёрдого вещества постепенно уменьшается, — происходит его растворение, то есть молекулы воды разрушают кристаллы растворяемого вещества. Разрушение происходит на поверхности взаимодействия кристалла с водой. Чем больше площадь этой поверхности, тем быстрее разрушается кристалл. Происходит самопроизвольное распределение частиц одного вещества между частицами другого вещества в результате диффузии (рис. 21), что приводит к образованию раствора (физическая теория растворов). Для улучшения контакта вещества с растворителем увеличивают площадь поверхности их взаимодействия. Для этого вещества измельчают и перемешивают. Впрочем, раствор нельзя рассматривать только с точки зрения физической теории. Ещё Д. И. Менделеев доказал, что при растворении вещества происходят также химические процессы (химическая теория растворов). Это подтверждает тот факт, что объём раствора обычно не равен сумме объёмов растворителя и растворяемого вещества. Есть и другие факты, подтверждающие это. Проведём следующие опыты. Опыт 3. В стакан с холодной водой помещаем кристаллы аммиачной селитры NH4NO3 и ставим стакан на влажную дощечку (или картон). Она примерзает к стакану, поскольку температура раствора падает ниже О °С (рис. 22). Следовательно, растворение селитры сопровож- 36 дается поглощением теплоты. Происходит эндотермический процесс, то есть поглощающий теплоту. Опыт 4. В стакан с водой наливаем концентрированную серную кислоту H2SO4. Раствор разогревается настолько, что может даже закипеть (рис. 23). Следовательно, растворение в воде серной кислоты сопровождается выделением теплоты {экзотермический процесс). Тепловые явления, наблюдавшиеся в ходе этих опытов, также подтверждают, что в процессе растворения веществ происходят не только физические, но и химические процессы. Рассмотрим их. Понятие о кристаллогидратах. Растворение большинства кристаллических веществ сопровождается поглощением теплоты. Это объясняется затратой значительного количества энергии на разрушение кристаллических решёток вещества. Но одновременно идёт другой процесс — химическое взаимодействие растворяемого вещества с водой, — гидратация, в результате образуются новые соединения — гидраты. При этом теплота высвобождается. Какой из этих процессов доминирует, таким и будет тепловой эффект растворения. Гидраты — очень нестойкие соединения, они существуют только в растворе. Если из раствора удалить воду, то гидраты легко разрушаются. Но некоторые удерживают воду даже в твёрдом состоянии. Они называются кристаллогидратами, а вода, содержащаяся в кристаллах, — кристаллизационной. Итак, Рис. 23. Выделение теплоты при растворении в воде МЭгСОз-ЮНгО ' Кристаллическая сода CUSO45H2O SSiSSigp» Л Рис. 24. Раствор медного купороса 37 Например, CUSO4 5H2O — медный купорос, FeS04-7H20 — железный купорос, Na2S04 • 10Н2О — глауберова соль. растворение — это сложный физикохимический процесс, при котором происходит взаимодействие между частицами растворённого вещества и растворителя. Теперь уточним определение раствора. Раствор — это однородная (гомогенная) система переменного состава, содержащая растворённое вещество, растворитель и продукты их взаимодействия. ВЫВОДЫ Растворы имеют большое значение в жизни человека и природы, в науке и технике. Процесс растворения имеет сложную природу. Причина перехода твёрдого вещества в раствор — физико-химическое взаимодействие растворителя и растворяемого вещества (одного или нескольких). При растворении разрушаются некоторые существующие и возникают новые химические связи. Теплота, поглощаемая при растворении, затрачивается как на химический процесс (разрушение кристалла), так и на физический (диффузию частиц вещества по всему объёму раствора). Теплота, высвобождающаяся в процессе растворения, расходуется на образование новых связей (гидратация). Раствор — это однородная система переменного состава, состоит из двух или нескольких компонентов. Задаг 1. Оцени значение растворов в жизни человека и природы. 2. Приведи определение раствора и объясни, что такое раствор — механическая смесь или химическое соединение. Ответ аргументируй. 3. В лабораторных условиях растворитель можно отделить от растворённого вещества А фильтрованием: В декантацией; Б возгонкой: Г отстаиванием. 4. К каким явлениям — физическим или химическим — относится растворение кристаллического вещества в воде? 38 5. Чего больше по массе — воды или безводной соли — в кристаллической соде у ЫагСОз -ЮНгО? 1 Дополнительные задания Э 6. Объясни, почему процесс растворения иногда происходит с поглощением 8* теплоты, а иногда — с высвобождением. ^ Одинаковые количества хлорида лития растворили в одном и том же объёме Ь воды: один раз в виде кристаллогидрата LiCI • 2НгО. В каком случае процесс . растворения является более экзотермическим? Ответ аргументируй. , Известно, что сульфат натрия количеством вещества 1 моль удерживает кристаллизационную воду количеством вещества 10 моль. К безводной соли , добавили воду, при этом её масса увеличилась на 25 %. Масса воды, которую соль ещё может присоединить, составляет А 28,9 г; В 144,5 г; Б 72,25 г; Г 289 г. § 7. РАСТВОРИМОСТЬ ВЕЩЕСТВ В ВОДЕ ' ’Л ■ необходимо ' классификацию веществ по растворимости; факторы, от которых зависит растворимость веществ; нбьиснять сущность понятий насыщенный и ненасыщенный растворы; концентрированный и разбавленный растворы; /ь пользоваться графиком кривых растворимости; строить кривую растворимости данного вещества; вычислять растворимость веществ. Ты уже знаешь, что в воде растворяются разные вещества — твёрдые, жидкие и газообразные. Способность веществ переходить в раствор называется растворимостью. По растворимости в воде и других растворителях все вещества разделяют на три 39 Хорошо растворимые вещества КМОз N82804 HCI МНз Малорастворимые вещества N2 О2 MgS СаЗОд Практически нерастворимые вещества AgCI ВаЗОд Ре(ОН)з Мдз(РОд)2 группы: а) хорошо растворимые; б) малорастворимые; в) практически нерастворимые. Последние часто называют просто нерастворимыми (см. таблицу растворимости на форзаце). Но в природе не сутцествует абсолютно нерастворимых веществ. Если погрузить в воду стеклянную палочку или кусочек серебра, то они в ничтожно малых количествах растворяются в воде. Поэтому вода после контакта с серебром почти не содержит микробов. Стекло, серебро, золото, растительное масло, керосин, угарный газ — это практически нерастворимые в воде вещества, а малорастворимые — гипс, кислород, азот. Многие вещества растворяются в воде очень хорошо, например сахар, спирт, едкий натр, серная и азотная кислоты. Следовательно, растворимость прежде всего зависит от природы вещества. Хорошо растворяются подобные по свойствам вещества (эмпирическое правило «подобное растворяется в подобном»). В частности, вещества, состоящие из полярных молекул, и с ионным типом химической СВЯ.ЗИ хорошо растворяются в полярных растворителях (воде, спирте, жидком аммиаке), а неполярные вещества — в неполярных растворителях (бензоле, сероуглероде). Опыт 1. В химический стакан наливаем 100 мл воды и вносим туда хлорид натрия порциями по .5 г. После каждой порции перемехпиваем стеклянной палочкой содержимое стакана до полного растворения соли. Первые 7 порций, то есть 35 г NaC!, растворяются пол нос- 40 тью. Из следующей порции растворяется только 1 г, а 4 г остаются нерастворимыми. Это означает, что при комнатной температуре (* 20 "С) в 100 мл воды могут раствориться 36 г хлорида натрия. Раствор, в котором данное вещество при определённой температуре больше не растворяется, называется насыщенным. Раствор, в котором данное вещество ещё может растворяться, называ1 ется ненасыщенным. ] Рис. 25. Насыщенный раствор хромата натрия Na3Cr04 Следовательно, для растворимости веществ имеет значение температура. Но как она влияет? Чтобы ответить на этот вопрос, выполним следующие опыты. ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ 1 Опыт 1. В пробирку налей воды на 1/4 объёма. Небольшими порциями вноси нитрат калия и осторожно встряхивай содержимое, чтобы соль полностью растворилась. Внеси следующую порцию соли и т. д. Если растворение соли прекратится, то осторожно нагрей пробирку с раствором и нерастворённым остатком соли. Пробирку регулярно встряхивай. Что наблюдается? Внеси в раствор ещё немного соли. Что происходит? Опыт 2. Теперь пробирку с горячим раствором соли погрузи в стакан с холодной водой. Что наблюдается? Почему это происходит? Сделай вывод. Растворимость твёрдых веществ зависит от температуры: с повышением температуры она обычно увеличивается. А растворимость газов, напротив, возрастает с понижением температуры и повышением давления. Количественной характеристикой растворимости является содержание вещества в насыщенном растворе. Обычно растворимость выражают в граммах на литр (г!л). Рассмотри данный пример. 41 Пример, Какова растворимость йодистого калия в воде при 15 “С, если из насыщенного раствора массой 48 г после его выпаривания выкристаллизовался иодид калия массой 28 г? Решение. Из условия задачи следует, что в 48 г насыщенного раствора содержится 28 г KI, а остаток составляет вода: 48 - 28 г = 20 г НгО, или 0,02 л. Тогда растворимость KI в воде равна -----= 1400 г/л. 0,02 л Ответ: растворимость иодида калия при < = 15 °С составляет 1400 г/л. Зависимость растворимости твёрдых веществ от температуры обычно представляют в виде графика кривых растворимости (рис. 26). Рис. 26. Кривые растворимости: 1. KNO3 2. РЬ(ЫОз)г 3. MgS04 4. ВаС1з 5. КС1 6. NaCl 7. N82804 8. KCIO4 9. K2SO4 10. Ва(КОз)2 Для построения таких кривых на оси абсцисс откладывают температуру, а на оси ординат — растворимость вещества при заданной температуре. График показывает, что с повышением температуры растворимость большинства кристаллических веществ увеличивается, но неодинаково. По рис. 26, при изменении температуры от 0 до 100 °С растворимость нитрата калия возрастает во много раз, а растворимость хлорида 42 натрия — незначительно. У некоторых веществ, например сульфата натрия N32804, растворимость с повышением температуры до 40 “С возрастает, а затем уменьшается. Как мы убедились, разные вещества растворяются по-разному. У одних растворимость очень большая (при температуре 20 °С в 1 л воды может раствориться сахар массой 2000 г), у других — незначительная (при этих же условиях сульфат кальция CaS04 растворяется мало — 2 г/л). Если в определённом объёме раствора содержится мало растворённого вещества, то такой раствор называют разбавленным, если много — концентрированным. При этом не обязательно, чтобы концентрированный раствор был насыщенным, а разбавленный — ненасыщенным. Если, например, в 1 л раствора содержится 1 кг сахара, то, понятно, что такой раствор — очень концентрированный. Но он ненасыщенный, так как растворимость сахара настолько высока, что он ещё может растворяться. А если в 1 л раствора содержится всего 1,5 • 10 г Рис. 27. Соль добывают из морской воды. Вода испаряется, раствор становится насыщенным, соль кристаллизуется, и её собирают хлорида серебра AgCl и он больше растворяться не может, то такой раствор из-за плохой растворимости AgCl будет уже насыщенным, но сильно разбавленным (рис. 28). в 1 л раствора 1 кг В 1 л раствора сахара. Раствор кон- Х.б-Ю-* AgCl. Раст-центрированный, вор разбавленный, но ненасыщенный, но насыщенный. Рис. 28. Концентрированный и разбавленный растворы ВЫВОДЫ Способность вещества растворяться в определённом растворителе, например в воде, называется растворимостью вещества в этом растворителе. По растворимости вещества разделяют на хорошо растворимые, малорастворимые и практически нерастворимые. 43 Растворимость зависит от природы вещества. Вещества с полярным ковалентным и ионным типами химической связи растворяются в полярных растворителях (воде). Неполярные вещества лучше растворяются в неполярных растворителях. Растворимость зависит также от температуры. Для подавляющего большинства кристаллических веществ с повышением температуры растворимость увеличивается, а для газов — уменьшается. Растворимость вещества вычис.тяют из соотношения массы вещества, образующей насыщенный раствор при определённой температуре, к объёму растворителя. Выражается растворимость в граммах на литр (г/л). Задания для самоконтроля 1. Почему 8 горячем чае кусочек сахара растворяется быстрее, чем в холодном? 2. Почему аквариум нельзя наполнять свежей кипячёной водой, а надо отстоять несколько дней? 3. На растворимость оксида углерода(1\/) в воде не влияют: А скорость пропускания газа; В давление; Б температура; Г химическое взаимодействие газа с водой. 4. Объясни, как превратить: а) ненасыщенный раствор в насыщенный; б) насыщенный раствор в ненасыщенный. 5. Построй кривую растворимости безводного сульфата меди(П) по данным: Температура, t, °С 0 10 20 30 40 50 Растворимость, г/л 150 180 200 250 290 350 Дополнительные задания 6*. В фарфоровой чашке массой 11,64 г находится насыщенный при 15 “С раствор нитрат калия KNO3. Масса чашки с раствором составляет 106,6 г, а после выпаривания раствора — 30,74 г. Результат проверь по рисунку 27. 7*. Построй кривую растворимости бертолетовой соли KCIO3 поданным: Температура, t, °С 0 10 20 30 40 50 60 70 Растворимость, г/л 50 60 80 100 120 180 220 300 Пользуясь составленным графиком, определи массу бертолетовой соли, которая кристаллизуется при охлаждении насыщенного раствора объёмом 1,5 л от 60 до 40 °С. 44 § 8. ВОДА - ПОЛЯРНЫЙ РАСТВОРИТЕЛЬ Тебе необходимо иметь представление о: распространении воды в природе; роли воды в живой и неживой природе: техногенном значении воды; уметь объяснять: круговорот воды в природе; строение молекулы воды; сущность водородной связи; '-'босгпвывать: высокую способность воды растворять вещества. Вода в природе. Вода — наиболее распространённое в природе сложное вещество. Молекулы воды обнаружены в межзвёздном пространстве. Вода входит в состав большинства планет Солнечной системы и их спутников. На Земле вода — одно из наиболее распространённых соединений. Почти 3/4 поверхности Земли покрыто водой — это океаны, моря, реки и озёра (рис. 29). Ты уже знаешь, что в виде снега и льда вода покрывает полярные зоны земного шара. В недрах Земли её, возможно, ещё больше, чем на поверхности. Она насыщает почву и горные породы, входит в состав многих минералов (глины, гипса и др.). Вода — обязательный компонент всех живых организмов. В виде водяного пара значительные массы воды сосредоточены в атмосфере. Из курса природоведения ты уже знаешь, что при изменении атмосферных условий водяной пар в воздухе образует мельчайшие капли воды или кристаллики льда, в результате их скопления формируются облака. Если размеры капель или кристалликов увеличиваются, '10 они уже не могут оставаться во взве- Рис. 29. Днепр возле Киева 45 шенном состоянии и выпадают на землю в виде дождя, снега, града. При таянии снега или льда образуются водные потоки. Они сливаются в реки. С поверхности рек, морей, океанов вода испаряется, и опять формируются облака. Итак, вода находится в постоянном движении, непрерывно видоизменяется, в результате осуществляется круговорот воды в природе (рис. 30). V, Рис. 30. Круговорот воды в природе Для выплавки 1 т стали необходимо 300 м® воды Вспомни, каковы физические свойства воды. • Какие ты знаешь химические свойства, характерные для воды? Напиши соответствующие уравнения реакций. Вода имеет огромное значение в жизни растений, животных и человека. Согласно современным представлениям колыбелью жизни на Земле был океан. 46 в любом организме вода является средой, где происходят химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма. Кроме того, вода принимает непосредственное участие во многих биохимических реакциях. Вода является очень важным технологическим веществом. Ни одно производство не обходится без использования значительных объёмов воды. Велика роль воды и в формировании неживой природы на Земле. Вода разрушает горные породы, переносит большие массы вещества по всей планете, формирует осадочные породы. Процессы испарения и конденсации воды регулируют климат на Земле. Строение молекулы. Вода — вещество молекулярного строения. Молекулу воды можно представить в виде равностороннего треугольника, в вершине которого расположен атом кислорода, а в основе — два протона (рис. 31). Две пары электронов обобществлены между протонами и атомом кислорода, а две пары неразделённых электронов сориентированы на другую сторону кислорода. В молекуле воды имеются две полярные ковалентные связи Н—О. Почему они полярные? В результате перекрывания каких орбиталей они образовались? Вспомни расположение электронов в атоме кислорода и атоме водорода, покажи их расположение по энергетическим ячейкам. Следовательно, в молекуле воды атом кислорода имеет четыре электронные пары. Две из них участвуют в образовании ковалентных связей с атомами водо- Для производства 1 т бумаги необходимо 400 м® воды Для выращивания 1 т зерна необходимо 1000 м® воды Общий объём потребления воды в Украине 30 км® в год, что составляет 60 % стока её рек 5+ 5+ ------Н 104,5“ Рис. 31. Схема структуры молекулы воды 47 :0-Н I Н Н2О или :0:Н Н Рис. 32. Огромная плавающая глыба льда — айсберг рода, то есть являются связующими. Две другие электронные пары — несвязующими. В молекуле возникают четыре полюса зарядов: два — положительных и два — отрицательных. Положительные заряды сосредоточены возле атомов водорода, поскольку у кислорода электроотрицательность больше, чем у водорода. Два отрицательных полюса приходятся на две несвязующие электронные пары кислорода. Следовательно, молекулы воды полярные, они представляют собой диполь. Молекулы воды имеют угловое строение. Угол между двумя связями Н—О равен 104,5”. • Вспомни, что такое диполь. Такое представление о строений молекулы воды даёт возможность объяснить структуру льда. В кристаллических решётках льда каждая молекула Н2О окружена четырьмя такими же молекулами. В плоскостном изображении это можно представить следующим образом: Н Н- н- -0 • • • н- -о н н н 0- -о« -н н- -о н 48 • Попытайся самостоятельно объяснить механизм связи. По схеме видим, что связь между мо-д^кулами осуществляется посредством атома водорода: Н О- Н 5+ -Н ••• 0- 5- -Н Положительно заряженный атом водорода одной молекулы воды притягивается к отрицательно заряженному атому кислорода другой молекулы воды. Образуется водородная связь (обозначается точками) (рис. 33). Химическая связь, возникающая через атом водорода, который оказался между двумя электроотрицательными атомами (преимущественно атомами фтора F, кислорода О, азота N), называется водородной связью. По прочности она слабее, чем ковалентная. Вот почему водородная связь легко разрывается, что наблюдается при испарении воды. Структура жидкой воды напоминает структуру льда. В жидкой воде молекулы также связаны посредством водородных связей. Именно они обусловили сравнительно высокие температуры плавления и кипения воды. Но структура воды не столь «жёсткая», как у льда. В результате теплового движения молекул в воде одни водородные связи разрываются, другие — образуются. Вода является прекрасным растворителем многих неорганических и органических веществ. Процессы растворения также обусловливают водородные связи. Рис. 33. Водородная связь 49 выводы Вода имеет исключительное значение в природе. Без воды невозможна жизнь. Вода — вещество молекулярного строения, её молекулы имеют угловую форму, они полярные, представляют собой диполи. Между молекулами воды существует водородная связь. Благодаря высокой способности растворять вещества, вода осуществляет на Земле грандиозную работу. В одном месте она разрушает горные породы, растворяет минералы либо вымывает из них растворимые вещества и переносит в растворённом виде на значительные расстояния, а в другом — вода испаряется, и растворённые в ней вещества осаждаются. Так со временем образуются новые минералы и горные породы. Вода определяет климат и погоду в различных регионах земного шара. Пресной воды на Земле мало. Воду надо беречь, охранять природные водоёмы от загрязнения. Задания для самоконтрол<. 1. Аргументируй значение воды в природе. 2. Объясни строение молекулы воды. 3. Напиши уравнения реакций с водой: а) активного металла; б) оксида металла; в) оксида неметалла. 4. Вычисли объём водорода (н. у.), высвобождающийся при взаимодействии с водой калия количеством вещества 0,5 моль. !\ополиительные задания 5*. Почему испарение льда и воды — процесс эндотермический? 6*. Между молекулами воды и хлороводорода возможна связь вида: 5- 5+ Н----О • • • Н--С1 н Как осуществляется такая связь и как она называется? Почему при раство-! рении HCI в воде выделяется теплота? 7*. С водой массой 36 г прореагировал оксид металлического элемента со степенью окисления +2 массой 306 г. Вычисли количество вещества гидроксида металлического элемента, образовавшегося при этом, и назови его. 50 § 9. КОЛИЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ РАСТВОРА 1(>ое необходимо уметь обьяснить содержание понятий «массовая доля», «молярная концентрация»; пычиспить: массовую долю и молярную концентрацию вещества в растворе, массу растворённого вещества; ii/Hii отопить: раствор с определённой массовой долей. Итак, раствор — это система переменного состава. ^ Вспомни основные компоненты раствора. От количества растворённого вещества зависят свойства раствора. Поэтому всегда важно знать количественный состав раствора, который выражается в виде концентрации растворённого вещества. Концентрация вещества — это фи-| I зическая величина (размерная или j i безразмерная), определяющая количе-’ j ственный состав раствора. j Концентрацию вещества можно выразить разными способами. Мы рассмотрим два из них — массовую долю растворённого вещества (безразмерная величина) и молярную концентрацию растворённого вещества (размерная величина). ' Массовая доля растворённого веще-I ства — это физическая величина, кото-1 рая равна отношению массы растворён-i ного вещества к массе раствора. ' /Tij (вещества) И^(вещества) = 5 г NaCl ЩЫаС1) = 5% 20 г NaCl W(NaCl) = 20 % Рис. 34. Растворы с массовой долей растворённого вещества /п, (раствора) 51 Рис. 35. Бутылка столового уксуса (9%) где гпх — масса растворенного вещества, m2 — масса раствора, W (дубль вэ) — массовая доля растворённого вещества. Поскольку эта величина — массовая доля — отношение однотипных величин (массы к массе), то формально она не имеет своей единицы, а является безразмерной величиной. Массовую долю растворённого вещества выражают в долях единицы или в процентах (1/100 = 0,01 = 1 %). Например, имеем два раствора хлорида натрия NaCl массой по 100 г каждый. В первом содержится NaCl массой 5 г, во втором — NaCl массой 20 г. Это означает, что в первом растворе массовая доля соли равна 5 г : 100 г = 0,05 (5 %), во втором — 20 г : 100 г = 0,2 (20 %) (рис. 34). ЕЗсли массовую долю вычислять не надо, поскольку она известна, тогда что это означает? Например, имеем столовый уксус 9 %-ный. Это значит, что массовая доля уксусной кислоты в растворе составляет 9 %, то есть в каждых 100 г раствора содерлсатся 9 г уксусной кислоты и 100 г - 9 г — 91 г воды (рис. 35). Массовая доля — удобная характеристика раствора, поскольку легко можно определить массу вещества, растворён-.ного в растворе, и массу растворителя. Имен1£0 такие данные необходимы тебе Д.ДЯ приготовления растворов. Рассмотрим конкретные примеры. Пример 1. Приготовить раствор массой 1 кг с массовой долей растворённого вещества 5 %. Какую массу соответственно соли и БОДЫ следует взять? 52 Дано: m(pacTBopa) ■“ 1000 г W(NaCl) - 5 % - 0,05 m(NaCl) — ? т(НгО) — ? Решение: Алгоритм приготовления раствора следующий. 1. Вычисли, какую массу соли необходимо взять: Щвеще=т,а) = ^<.?25!££2Н), m2 (раствора) т1(вещества) = W • тг(раствора); m(NaCl) - 0,05 • 1000 г = 50 г. 2. Вычисли, какую массу воды необходимо взять: т(НгО) = 1000 г - 50 г - 950 г. 3. Взвесь полученную порцию соли (50 г) и всыпь её в колбу. 4. Отмеряй мерным цилиндром необходимый объём дистиллированной воды (950 мл). Поскольку плотность воды равна 1,0 г/мл, то объём воды 950 мл по массе составляет 950 г. Влей воду в колбу с солью (50 г NaCl + 950 г НгО = 1000 г раствора) и перемешай стеклянной палочкой (или встряхиванием колбы) её содержимое до полного растворения соли (рис. 36). Пример 2. В воде массой 100 г при 20 °С растворили нитрат калия KNO3 массой 15,6 г. Определи массовую долю нитрата калия в растворе. Дано: т(НгО) = 100 г т(КШз) = 15,6 г ЩКМОз) — ? Рис. 36. Приготовление раствора Решение: Масса раствора состоит из массы растворителя т(НгО) и массы растворённого вещества т(КМОз): т(раствора) = 100 г (НзО) + 15,6 г (KNO3) = 115,6 г; т(вещества) 15,6 г W(KNOg) = ^0,135 = 13,5%. m(pacTBopa) 115,6 г Ответ. Массовая доля нитрата калия KNO3 в растворе равна 13,5 %. 53 Дано: F(pacTBopa) = 100 см® ЩКаС1) = 20 % = 0,2 р = 1,15 г/см® ЩККОз) — ? Пример 3. Определи, какую массу хлорида натрия нужно растворить в воде, чтобы получить раствор объёмом 100 см® с массовой долей NaCl 20 %. Плотность раствора равна 1,15 г/см®. Решение: Вспомни из курса физики, что плотность раствора (символ р, читается «ро») — величина, равная отношению массы раствора к его объёму (см. таблицу в приложении): т ^ V Единица плотности — килограмм на кубический метр (кг/м®) или грамм на кубический сантиметр (г/см®). В химии чаш(е используют грамм на миллилитр (г/мл). Название единицы объёма миллилитр — это специальное название кубического сантиметра (см®). 1. Вычисли массу раствора, который необходимо приготовить: m = V- р, т(раствора) = 100 см® • 1,15 г/см® = 115 г. 2. Вычисли массу NaCl в растворе: , /п(веп1ества) W (вепцества) = —^; т(раствора) m(NaCl) = m(pacTBopa) • Щвеп^ества); /n(NaCl) = 115г-0,2 = 23 г. Ответ. Чтобы приготовить раствор объёмом 100 см® с массовой долей NaCl 20 %, необходимо взять хлорид натрия массой 23 г. Пример 4*. Определи массу глауберовой соли Na2S04 • IOH2O, необходимую для приготовления раствора массой 300 г с массовой долей сульфата натрия 8%. 54 Дано: m(pacTBopa) = 300 г ЩКагЗО^) = 8 % = -0,08 ^(NaaSO^-lOHaO) —? Решение: 1. Вычисли массу безводного сульфата натрия Na2S04, необходимого для приготовления раствора массой 300 г: т(вещества) = /п(раствора) • Щвещества); m(Na2S04) = 300 г • 0,08 = 24 г. Вариант 1 2. Вычисли количество веш;ества Na2S04 массой 24 г; ___________Na^SQ.-lOHaO___________, М = 46 + 32 -н 64 -ь 10(2 +16) = 322 г/моль ’ 142 180 т = 322 г/моль • 1 моль = 322 г т т = М п; п = n(Na,SOJ = : М 24 г = 0,169 моль. 142 г/моль 3. Найди массу кристаллогидрата, в котором содержится сульфат натрия количеством ве^ щества 0,169 моль: n(Na2S04- IOH2O) = n(Na2S04); n(Na2S04- IOH2O) = 0,169 моль т = М • п m(Na2S04- IOH2O) = 322 г/моль • 0,169 моль = = 54,4 г. Вариант 2 В 322 г (Маг804 • IOH2O) содержится 142 г (Na2S04), а в д: г (Маг804 • IOH2O) содержится 24 г (^2804). 322 : д: = 142 : 24 дг = - 322г-24г = 54,4 г. 142 г Ответ. Для приготовления раствора массой 300 г с массовой долей сульфата натрия 8 % необходимо взять глауберову соль Na2804- IOH2O массой 54,4 г. 55 Другой способ выражения количественного состава раствора — молярная концентрация. Мо.ляриая концентрация растворён* ного вещества — фшическая величина, равная отношению количества растворённого вещества к объёму раствора (символ— с, единица — моль/м’’ или моль/л). с = л(вещества) V'(pacTBopa) Ряс. 37. Мерные колбы Дано: m(NaOH) = 120r Г=2л c(NaOH) — ? Распространена сокращённая форма записи единицы молярной концентрации М = моль/л. Например, запись 0,1М КС1 означает, что в каждом литре раствора содержится 0,1 моль КС1. Такой раствор называют децимолярным. Пример 1. При растворении гидроксида натрия массой 120 г получаем раствор объёмом 2 л. Определи молярную концентрацию гидроксида натрия. Решение: 1. Вычисли молярную массу NaOH: M(NaOH) = 23+16 + 1 = 40 г/моль. 2. Вычисли количество вещества NaOH в растворе: т 120 г = Змоль. л = —; n(NaOH) = - М 40 г/моль 3. Вычисли молярную концентрацию растворённого вещества: ^ /хт /-,44 3 моль ' _ , с = —; c(NaOH) = —^-= 1,5 моль/л. Ответ. Молярная концентрация гидроксида натрия в растворе равна 1,5 моль/л. 56 Пример 2. Какую массу хлорида цинка необходимо взять, чтобы получить его децимолярный раствор объёмом 250 мл? Дано: К(р-ра) — 250 мл = 0,25 л c(ZnCl2) = 0,1 моль/л m(ZnCl2) — ? Решение: 1. M(ZnCl2) 65 (35,5 • 2) = 136 г/моль. п с =—; n = c V; V rt(ZnCl2) = 0,1 моль/л • 0,25 л = 0,025 моль. 3. гп — п- М; wi(ZnCl2) = 0,025 моль • 136 г/моль = 3,4 г. Ответ, Масса ZnCl2 равна 3,4 г. Пример 3*. Имеем раствор серной кислоты с массовой долей H2SO4 96 % и плотностью 1,84 г/мл. Как из него приготовить 500 мл 0,05М раствора серной кислоты? Дано: V(p-pa) = 500 мл = 0,5 л с(Нг804) = 0,05 моль/л ЩН2804) = 96 % = 0,96 р = 1,84 г/мл_____ Г(р-ра Н28О4) — ? Решение: 1. Вычисляем молярную массу H2SO4: M(lhSO,) = 2 + 32 + (16 • 4) = 98 г/моль. 2. ?1аходим количество вещества Н28О4 в 500 мл раствора: n=^V-c; «(112804) = 0,5 л • 0,05 моль/л = 0,025 моль. 3. Находим массу 0,025 моль Н28О4: т = М' п, т(Нг804) = 98 г/моль • 0,025 моль = 2,45 г, 4. Вычисляем массу раствора, в котором содержится 2,45 г Н28О4 и где эта масса кислоты составляет 96 % массы раствора: т(р-ра N380^ = ЩН,80,) /П(р-р8 1-12804) = 2,45 Г 0,96 = 2,55 г. 57 5. Вычисляем объём раствора, масса которого 2,55 г и плотность 1,84 г/мл: 2,55 г т V = ~; F(p-paH2SOJ = Р Ответ = 1,38 мл. 1,84 г/мл Необходимо взять 1^38 мл раствора серной кислоты с массовой долей H2SO4 96 %, растворить в небольшом количестве воды в мерной колбе, а полученный раствор разбавить водой до отметки 500 мл; получим 0,05М раствор. ВЫВОДЫ Количественный состав раствора выражается массовой долей ра створённого вещества в растворе или молярной концентрацией. Массовая доля растворённого вещества — это физическая величина которая равна отношению массы растворённого вещества к массе ра створа. Обозначается W («дубль вэ») и выражается в долях единицы или в процентах. Молярная концентрация растворённого вещества — это физическая величина, которая равна отношению количества растворённого ве щества к объёму раствора. Обозначают буквой с (це). Единица изме рения моль/м^ или моль/л. 1. Задания для самоконтроля В воде массой 110 г растворили соль массой 15 г. Массовая доля соли в расТ' воре равна А 1,5%; В 6%; Б 3%; Г 12%. Для приготовления 3 %-ного раствора массой 500 г необходимо взять соли А Зг; В 15 г; Б 5 г; Г 100г. Растворимость карбоната натрия NagCOs при 20 °С составляет 218 г в 1000 мл воды. Массовая доля МагСОз в насыщенном растворе равна А 8,7%: . В 17,9%; Б 10,6%; Г 21,8%. Вычисли массу соответственно поваренной соли и воды для приготовления раствора массой 10 кг с массовой долей соли 0,01. 5. К раствору массой 120 г с массовой долей соли 10 % добавили воду объёмом! 50 мл. Какова массовая доля растворённого вещества? > ,1,- < .• = , М-. n-n*.HVie '>*,дл'-!ия ^ б*. В воде растворили сульфат меди(И) массой 16 г и приготовили раствор объёмом 250 мл. Определи молярную концентрацию соли в растворе. | 7*. В воде массой 120 г растворили железный купорос FeS04 ■ ТНгО массой | 10,5 г. Вычисли массовую долю безводного сульфата железа{11) в получен-! ном растворе. ^ 8*. В воде массой 600 г растворили аммиак объёмом 448 л (н. у.). Определи массовую долю аммиака в полученном растворе. I 9*. К 400 мл раствора с массовой долей гидроксида натрия 40 % и плотностью 1,44 г/мл добавили 150 мл воды. Определи массовую долю NaOH в получен-1, ном растворе. j 10*. Вычисли массу раствора гидроксида калия с массовой долей КОН 5,6 %, ^ необходимого для нейтрализации соляной кислоты массой 73 г с массовой долей HC110 %. 11*. Вычисли молярную концентрацию ортофосфорной кислоты в растворе с массовой долей Н3РО4 14,6 % и плотностью 1,08 г/мл. ^ 12*. Вычисли массовую долю серной кислоты в ^0M растворе, плотность кото-> рого равна 1,466 г/мл. 13*. Какую массу раствора нитрата серебра с массовой долей АдЫОз 10 % необ- ходимо добавить к раствору соляной кислоты объёмом 50 мл с массовой j долей HCI 12 % и плотностью 1,06 г/мл, чтобы полностью осадить хлорид ; серебра? I 14*. Вычисли молярную концентрацию вещества, образовавшегося при раство- ; рении оксида натрия массой 6,1 г в воде объёмом 50 мл. Плотность полученного раствора 1,159 г/мл. \ ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 2 Приготовление раствора соли с определённой массовой долей растворённого вещества Варианты заданий: а) приготовь раствор массой 20 г с массовой долей хлорида натрия 0,05; б) приготовь раствор массой 25 г с массовой долей карбоната натрия 4%; в) приготовь раствор массой 10 г с массовой долей поваренной соли 10 %; г) приготовь раствор массой 30 г с массовой долей хлорида калия 15 %. 59 ххииледонательность выполнения: 1. Вычисли массу соответственно соли и воды, необходимые для приготовления раствора. 2. Взвесь на весах соль (вспомни из курса физики правила взвешивания) и всыпь её в сухую колбу. 3. Отмеряй необходимый объём дистиллированной воды (вспомни правила отмеривания объёма жидкости). Почему воду не взвешивают, а отмеряют объём мерной посудой? 4. Влей отмерянный объём воды в колбу с солью. Перемешивай содержимое колбы стеклянной палочкой с резиновым наконечником (или встряхиванием колбы) до полного растворения соли. 5. В тетради для практических работ запиши формулу и название соли, её массовую долю в приготовленном растворе, проведи все необходимые расчёты и кратко опиши выполненные операции. § 10. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКАЯ ДИССОЦИАЦИЯ Тебе необходимо понимать сущность понятий: электролит; неэлектролит; электролитическая диссоциация; уметь объяснять: механизм электролитической диссоциации веществ с ионным и ковалентным типами химической связи. ис. 38. Прибор для исследования электрической проводимости веществ и их растворов Электролиты и неэлектролиты. На рубеже XVIII— XIX вв., когда для исследования свойств веществ начали использовать электрический ток, выяснилось, что одни вещества, находясь в водном растворе, проводят электрический ток, а другие — не проводят. Убедитесь в этом на опытах (рис. 38). Опыт 1. В стакан с дистиллированной водой опустим электроды (угольные стержни) и включим штепсельную вилку в электросеть. Лампочка прибора не загорается. Почему? О чём это свидетель- 60 ствует? Делаем вывод: дистиллированная вода не проводит электрический ток, цепь остаётся разомкизи-ой. Опыт 2. Погружаем электроды в стакан с сухой поваренной солью. Результат тот же, лампочка не загорается. Следовательно, кристаллическая соль также не проводит электрический ток. Опыт 3. К соли в стакане добавим воду, опустим электроды в водный раствор соли — лампочка ярко загорается. Почему? Это означает, что водный раствор соли, в отличие от сухой соли и дистиллированной воды, хорошо проводит электрический ток. Так же, как поваренная соль, ведут себя и другие соли, а также щёлочи и кислоты. По отдельности они не проводят электрический ток, а их водные растворы (или расплавы) обладают элек-трической проводимостью.__________ Вещества, водные растворы или расплавы которых проводят электрический ток, называются электролитами.' К электролитам относятся соли, кислоты, щёлочи. Электролиты распадаются на ионы не только при растворении в воде, но и в расплаве, когда под влиянием теплового движения силы связи между частицами ослабевают. Вещества, водные растворы или расплавы которых не проводят электрический ток, называются неэлектролитами. Примерами неэлектролитов могут быть сахар, спирт, ацетон, глицерин, глюкоза. Электролиты: соли, кислоты, щёлочи 61 Рис. 39. Структура хлорида натрия СГ Na" СГ Na* СГ Na" NaCl н,о Na* СГ 9^ Na^ Na СГ Na*- СГ Раствор Рис. 40. Растворение NaCl в воде Впервые деление веществ на электролиты и неэлектролиты предложил английский учёный Майкл Фарадей. В чём же причина различного поведения веществ в водных растворах или расплавах? Процесс диссоциации. Электрическая проводимость водных растворов электролитов обусловлена наличием положительно и отрицательно заряженных ионов. Вспомни, что такое ионы. В водных растворах под влиянием воды из кристаллов вещества высвобождаются ионы. Каков же механизм такого высвобождения? Рассмотрим конкретный пример. Если в воде растворить кристаллы поваренной соли NaCl (рис. 39), то есть вещества с ионным типом химической связи, то вода ослабляет химические связи между ионами натрия Na*^ и хлора СГ. Ионы переходят в раствор и хаотично распределяются по всему объёму (рис. 40). Каким образом вода ослабляет ионную связь? Ты уже знаешь, что молекулы воды полярные, представляют собой диполи. Своими отрицательными полюсами они ориентированы к положительно заряженным ионам натрия Na^, а положительными полюсами — к отрицательно заряженным ионам хлора СГ (рис. 41). Между разноимённо заряженными ионами соли, которая имеется в кристалле, и диполями воды возникают силы притяжения и образуются своеобразные связи — происходит гидрата- 62 Анион Рис. 41. Схема диссоциации веществ с ионным типом химической связи ция ионов, в итоге ионные кристаллические решётки разрушаются, высвобождаются отдельные ионы, окружённые диполями воды. Их называют гидратированными ионами. В уравнениях реакций гидратацию ионов часто опускают, поэтому диссоциацию электролитов на ионы сокращённо показывают следующим образом: Na^Cr = Na^ + СГ Н:С1: = Н+ -Ь [:С1:]" Вспомни из курса физики, что является носителем тока в металлах и сплавах, которые называют проводниками 1-го рода. В отличие от металлов и сплавов в водных растворах электролитов носителями электрического заряда являются ионы. Электролиты называют проводниками 2-го рода. 5+ 5- Н:С1: Н^С1 63 Рис. 42. Схема диссоциации веществ с полярным ковалентным типом химической связи Почему же тогда электролитами считаются кислоты, ведь они — ковалентные соединения и ионов не имеют? Действительно, кислоты не являются ионными соединениями. Но при растворении в воде, например, хлороводорода НС1 его молекулы также гидратируются, при этом происходит поляризация ковалентной связи. Общая электронная пара полностью переходит к болеё электроотрицательному атому хлора, который взаимодействует с диполями воды. Образуются гидратированные ионы СГ и ионы (рис. 42): НС1 = Н" + СГ А происходит ли процесс диссоциации на ионы веществ с неполярной ковалентной связью? Если в молекуле растворяемого вещества имеются ковалентные неполярные связи, то ионов в растворе не будет, поскольку неполярные молекулы не притягивают диполи воды, и поляризация связи не происходит. Ковалентными неполярными (или малополярными) связями преимущественно соединены атомы в молекулах многих органических соединений, поэтому обычно они являются неэлектролитами. Следовательно, 64 электролитами могут быть только ве| щества с ионной и сильно полярной KOf валентной химической связью. _ J Кроме того, молекулы растворителя также должны быть полярными. Лишь при таких условиях возможно распде-пление молекул или кристаллов веществ с формированием свободных ионов. Процесс расщепления электролитов на ионы в водном растворе (или в ра| сплаве) называется электролитической диссоциацией. Электролитическая диссоциация — это процесс распада электролита на ионы. В водном растворе она обусловлена взаимодействием вещества с диполями воды, а в расплаве — нагреванием. По способности веществ в водных растворах проводить либо не проводить электрический ток их разделяют на электролиты и неэлектролиты. Для электролитов характерна ионная или ковалентная полярная химическая связь, для неэлектролитов — ковалентная неполярная химическая связь. Диссоциация электролитов с ионной связью характеризуется двумя процессами — разрушением кристаллических рещёток под воздействием диполей воды и гидратацией ионов. Диссоциация электролитов с ковалентной полярной связью также включает два процесса — поляризацию ковалентной связи под влиянием диполей воды и опять-таки гидратацию образовавщихся ионов. Задания для самоконтроля 1. Что такое электролиты? Вещества каких классов относятся к электролитам? 2. Почему электролиты не диссоциируют в бензине? 3. Что такое неэлектролиты? Почему они не диссоциируют в воде? 4. Почему вещества с неполярными молекулами не могут быть электролитами? 5. Сформулируй определение электролитической диссоциации. Обоснуй роль воды в этом процессе. I 3 "Химия", 9кл. 65 6. Среди перечисленных веществ и смесей электрический ток проводят А сжиженный хлороводород; Б водный раствор хлороводорода; В расплав гидроксида натрия; Г водный раствор бромида калия; Д водный раствор сахара. 7. Подумай над электрической проводимостью воды: а) водопроводной и колодезной; б) дистиллированной; в) дождевой? Объясни электрическую прово димость одной из них. Какой именно? РГ Аррениус Сванте-Август (1869-1927) Шведский физико-химик. Член Стокгольмской академии наук, директор Нобелевского института (с 1905). Автор теории электролитической диссоциации. Работал в области химической кинетики, астрономии, астрофизики,биологии. Лауреат Нобелевской премии (1903) §11. ДИССОЦИАЦИЯ ЭЛЕКТРОЛИТОВ в водных РАСТВОРАХ ;ООбХОДИМ(. V - Mf- ■ -ъ ПОНЯТИЙ, степень диссоци- ации; ступенчатая диссоциация; обратимые и необратимые реакции; :-.' чть определен: кислот, оснований, солей с точки зрения электролитической диссоциации; различать сильные и слабые электролиты; уметь составлять уравнения: диссоциации электролитов; ступенчатой диссоциации. Диссоциацию электролитов в водных растворах впервые объяснил шведский учёный С.-А. Аррениус в 1887 г. Диссоциация кислот * Вспомни, какие вещества называются кислотами. Приведи два-три примера кислот (формулу и название). В процессе диссоциации кислот всегда образуются ионы водорода. Они обусловливают важнейшие свойства кислот (кислый вкус, изменение цвета индикаторов, взаимодействие с основаниями и др.Ирис. 43): 66 НКОз=Н*+КОз H2S04=2H*+S0f НзР04=зн* + ро: 8- В водном растворе ионы водорода взаимодействуют с диполями воды, образуя ионы гидроксония НзО"^: -f Н2О = - НзО^. Но в уравнениях реакций для краткости пишут ион Н^, помня при этом, что он гидратированный и является ионом гидроксония НзО'^. При диссоциации кислот среди положительно заряженных ионов (катионов) образуются только катионы водорода Н*, а других положительно заряженных ионов нет. Отрицательно заряженные ионы кислотных остатков (анионы) могут быть разными, в зависимости от кислоты. Итак, с точки зрения электролитической диссоциации: Кислоты — это электролиты, образующие при диссоциации только катионы водорода, других положительно заряженных ионов не дают. Обрати внимание, как обозначают заряд ионов: знак заряда «-Ь* или «-» ставят по правую сторону от иона после цифры, например POf, SOf, Сравни запись степени окисления элемента, где ♦-!-» или «-» ставят сверху над знаком элемента и перед , „ +1 +в-2 +8 -2 +4-2 цифрой, например Нз SO4, АЬОз, NO2. А как диссоциируют многоосновные кислоты? Двух- и многоосновные кислоты диссоциируют ступенчато, то есть постепенно отщепляют катионы водорода Н^. Например, процесс диссоциации серной кислоты происходит таким образом: V 67 Рис. 43. Выявление ионов водорода в растворе 1- я ступень: HgSO^ = Н'^ -i- HSO; 2- я ступень: HSO; = +804' • Напиши уравнения ступенчатой диссоциации сернистой кислоты. На первой ступени диссоциация происходит активнее. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 2 Выявление ионов водорода в водном растворе В три пробирки налей по 2 мл разбавленной соляной кислоты. В первую добавь 1—2 капли растворов лакмуса, во вторую — фенолфталеина, в третью — метилового оранжевого. Что происходит? Почему? Какой индикатор нельзя использовать для выявления ионов водорода в растворе? Почему? Диссоциация оснований • Вспомни, какие вещества называются основаниями. Приведи два-три примера оснований (формулу и название). При диссоциации растворимых оснований — щелочей — обязательно образуются гидроксид-ионы ОН', или ионы гидро-ксогрупп, их наличие обусловливает основные свойства (изменение цвета индикатора, взаимодействие с кислотами и т. д.) (рис. 44): NaOH = Na^ + ОН" Са(ОН)г - Са"^ 4- 20Н' Другие отрицательно заряженные ионы (анионы), кроме гидроксид-ионов, при диссоциации оснований не образуются. Следовательно, Рис. 44. Выявление гидроксид-ионов в растворе основания — это электролиты, образу ющие при диссоциации анионы только гидроксогрупп, и никаких других отри цательно заряженных ионов не дают. 68 ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 3 Выявление гидроксид-ионов в растворе В три пробирки налей по 2 мл раствора гидроксида натрия. В первую добавь 1— 2 капли раствора лакмуса, во вторую — фенолфталеина, в третью — метилового оранжевого. Что происходит? Почему? Какой индикатор лучше использовать для выявления гидроксид-ионов в растворе? Диссоциация солей • Вспомни, какие вещества называются солями. Приведи два-три примера солей (формулу и название). Под влиянием воды кристаллы солей распадаются на положительно заряженные ионы (катионы) и отрицательно заряженные ионы кислотных остатков (анионы). Например: KNOg^K^-bNQ- ZnCl2=Zn'"+2Cr Al2(SOj3=2Al"^-t-3SO^ Соли — это электролиты, диссоциирующие с образованием катионов металлов и анионов кислотных остатков. Различают средние, кислые и основные соли. Средние соли — продукты полного замещения атомов водорода кислоты на атомы металла, например сульфат натрия Каг804, нитрат железа(П1). Они диссоциируют полностью: NajS04=2Na"+S0“ Fe(NO,)3 = Fe“*+3NO- Кислые соли — продукты неполного замещения атомов водорода кислоты на ато- Средние соли NaCI Мд(ЫОз)г Кислые соли NaHS04 Са(НСОз)з 69 Основные соли Мд(ОН)МОз Си2(ОН)гСОз а=- Число частиц, распавшихся на ионы Общее число частиц мы металла, например гидросульфат калия KHSO4. Они диссоциируют ступенчато: KHSO,=K*+HSO; HSO,- = H*+SO^- В результате, кроме катионов металла и анионов кислотного остатка, имеются ещё катионы водорода. Основные соли — продукты неполного замещения гидроксильных групп ОН основания на кислотный остаток, например гидроксихлорид кальция Са(ОН)С1. Они диссоциируют также ступенчато: Са(ОН)С1 = СаОН^ + СГ СаОН^ = Са'^ + ОН' В результате, кроме катионов металла и анионов кислотного остатка, образуются анионы гидроксогрупп (гидроксид-ионы). Степень диссоциации. Часто вещества взаимодействуют с водой, образуя ионы, не полностью, и в растворе остаются не-диссоциированные молекулы электролита. Поэтому растворы электролитов характеризуются определённой степенью диссоциации (обозначается а, читается альфа). I Степень диссоциации — это отноше-|ние числа частиц п, распавшихся на I ионы, к общему числу частиц N раство-[ рённого вещества. __________ п а = — N Степень диссоциации выражается в долях единицы или в процентах. Если а = О, то диссоциации нет, если а » 1, или «100 %, то электролит полностью распался на ионы. 70 Сильные и слабые электролиты. В зависимости от степени диссоциации электролиты условно разделяют на сильные и слабые. Сильные электролиты практически полностью диссоциированы на ионы в разбавленных растворах (а приближается к 1 или 100 %). Этот процесс — необратимый, и в уравнениях диссоциации ставят знак «равенства». Сила электролита зависит главным образом от полярности химической связи: чем полярнее связь, тем легче она разрушается с образованием ионов, тем электролит сильнее. Сила электролита зависит также от природы электролита и растворителя, концентрации раствора, температуры и других факторов. Слабые электролиты лишь частично диссоциированы на ионы в разбавленных растворах (а « 1), их ионы находятся в динамическом равновесии с недиссоции-рованными молекулами. Поэтому диссоциация слабых электролитов — оборотный процесс, и в уравнениях реакций вместо знака «равенства» следует ставить знак обратимости Слабыми сейчас считаются все электролиты, растворы которых имеют хотя бы частично недиссоциированные молекулы (табл. 4). Чем больше степень диссоциации, тем сильнее электролит 71 Таблица 4. Сильные и слабые электролиты (Л. А. Слета) Электролиты Сильные Слабые Вода — Н2О Соли Подавляющее большинство Некоторые соли Гидроксиды: (основания) растворимые (щёлочи) нерастворимые амфотерные Гидроксиды щелочных и щё.чочноземельных металлов Водный раствор аммиака Все Все Кислоты: бескислородные кислородсодержащие HI, НВг, НС1 HCIO4, НМПО4, H2SO4, HNO3 HF, НгЗ нею, HCIO2, H2SO3, HNO2, Н2СО3, HaSiOs, Н3РО4, НзВОз, СНзСООН и другие органические кислоты Силу кислородсодержащих минеральных кислот можно определить по такому эмпирическому правилу: сила кислоты тем больше, чем больше разность между количеством атомов кислорода и водорода в её молекуле. Если формулу кислоты записать в виде £(0Н)„0„, то т определяет силу кислоты: если т<2 — кислота слабая, если т>2 — сильная. Например: HCIO4 = С1(ОН)Оз — очень сильная; НСЮз = С1(0Н)02 — сильная; HCIO2 =С1(0Н)0 —слабая; нею = С1(ОН) — очень слабая. Связь силы кислоты с числом атомов кислорода, которые не входят в состав групп ОН, объясняется тем, что атом кислорода как более электроотрицательный притягивает общие электронные пары. В результате электронная плотность в группе ОН смещается от атома кислорода к атому кислотообразующего элемента, и связь становится ещё полярнее: Н—О—Е “ 0. С увеличением числа атомов кислорода эффект оттягивания электронной плотности возрастает. 72 пыиоды Для растворов кислот, оснований, солей характерна ионная электрическая проводимость. Вещества, которые относятся к классу кислот, диссоциируют в воде на катионы водорода (ионы гидроксония) и анионы кислотных остатков. Вещества, которые относятся к классу оснований (щёлочи), диссоциируют в воде на катионы металлических элементов и анионы гидро-ксогрупп ОН. Вещества, которые относятся к классу солей, диссоциируют в воде на катионы металлических элементов и анионы кислотных остатков. Диссоциация электролита протекает полностью или частично. Степень диссоциации показывает, какая часть электролита распалась на ионы. Сильные электролиты диссоциируют практически полностью. Их диссоциация необратимая, протекает в одном направлении. Слабые электролиты образуют мало ионов. Их растворы или распла- . вы содержат недиссоциированные молекулы. Диссоциация слабых | электролитов обратимая, протекает в противоположных направле- ниях при одних и тех же условиях. I Задания для самоконтроля 1. Напиши уравнения диссоциации следующих электролитов: а) азотной и серной кислот; б) гидроксидов калия и кальция; в) солей — хлорида магния, карбоната натрия и нитрата алюминия. 2. На этикетке бутылки с минеральной водой написано: Катионы: Na^ и др. Анионы: СГ, ЗО^’.СОз'. Напиши формулы солей, содержащихся в минеральной воде. 3. Фосфат калия количеством вещества 1 моль растворили в воде. В результате полной диссоциации соли образовались ионы калия количеством вещества: А 1 моль; В 3 моль; Б 2 моль; Г 4 моль. 4. В результате полной диссоциации сульфата алюминия количеством вещества 2 моль, который растворили в воде, образовались сульфат-ионы количеством вещества: А 2 моль; В 6 моль; Б 3 моль; Г 12 моль. 5. В растворе, содержащем хлорид железа(111) количеством вещества 0,1 моль, суммарное количество вещества ионов железа и хлора равно: А 0,1 моль В 0,3 моль; 2 моль; Г 0,4 моль. 73 мит : 1ые задания 6. Наиболее сильной кислотой из указанных ниже является; А НгСОз: В H2SO4: - Б НгЗЮз: Г Н3РО4. ' 7. Раствор содержит ионы алюминия количеством вещества 0,2 моль. Вычисли массу ионов алюминия в данном растворе. 8*. Какой кислоте (или каким) — азотной, ортофосфорной, сероводородной — соответствует общая запись уравнения диссоциации H„R ^ „Н* + R""? Ответ мотивируй. 9*. Раствор содержит фтороводород количеством вещества 0,1 моль, степень' диссоциации которого равна 15 %. Определи количество вещества ионов водорода в растворе. 10*. Вычисли общее количество вещества ионов железа и сульфат-ионов в раст-: воре сульфата железа(111) массой 200 г с массовой долей соли 20 %. § 12. РЕАКЦИИ ОБМЕНА МЕЖДУ РАСТВОРАМИ ЭЛЕКТРОЛИТОВ. ИОННЫЕ УРАВНЕНИЯ пагь. условия протекания ионных реакций; составлять уравнения реакций обмена между электролитами в растворе; записывать ионные уравнения реакций. NaOH Си(КОз)2 Рис. 45. Образование осадка Ты уже знаешь, что электролиты при взаимодействии с водой расщепляются на ионы, следовательно, реакции между электролитами в растворе происходят при участии ионов. Взаимодействие ионов в растворе называют ионной реакцией. Выясним в ходе демонстрационных опытов, при каких условиях электролиты взаимодействуют между собой. Опыт 1, В демонстрационную колбу наливаем раствор нитрата меди(П) и до- 74 бавляем раствор гидроксида натрия. Выпадает синий осадок нерастворимого основания — гидроксид меди(П) (рис. 45): Cu(NOa)2 + 2NaOH = Cu(OH)2>l^ + 2КаШз. Данное химическое уравнение можно представить в ионной форме. Для этого формулы растворимых сильных электролитов записываем в виде ионов, на которые они диссоциируют в водном растворе, а формулы слабых электролитов, в данном случае нерастворимого вещества Си(ОН)2, оставляем неизменными: + 2NO; -Ь 2Na^ + 20Н" = = Cu(OH)2i + 2Na^ + 2NO;. Такую запись называют полным ионным уравнением. Если сократить одинаковые ионы в обеих частях уравнения (подобные члены), то получим сокращённое ионное уравнение'. -Ь 20Н- = Си(ОН)2>1- Согласно уравнению реакция между нитратом меди(П) и гидроксидом натрия сводится к взаимодействию ионов меди(П) и гидроксид-ионов, сопровождается образованием нерастворимого вещества гидроксида меди, выпадающего в осадок. Очевидно, что ионы Na^ и NOj в реакции не участвуют. • Рассмотри рис. 46, запиши уравнение реакции, проведённой учеником, вырази его в полной и сокращённой ионных формах. смешивание (Си' Си(КОз)г «1 Н NaOH (no; (NO; Na* и no; в растворе; /Си' осадок Си(ОН)г Рис. 46. Образование осадка 75 ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 4 Реакция обмена между электролитами, протекающая с образованием осадка j Опыт 1. Налей в пробирку до 2 мл раствора сульфата натрия и добавь столько же раствора хлорида бария. Что происходит? Почему? Пользуясь таблицей растворимости (см. форзац), составь уравнение реакции и запиши его в полной и сокращённой ионных формах. Сравни результат с приведённым примером. Каг804 + ВаС1г = 2NaCl + BaS04i 2Na^ SO^ + Ba“*^ -f 2СГ * 2Na^ -b 2СГ -f BaS04^ Ba*^ + sol' - BaS04i Сделай вывод, какое условие обеспечивает необратимость этой реакции. Разумеется, это образование осадка. / ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ б Реакция обмена между электролитами, протекающая с выделением газа Помести в пробирку небольшие кусочки мрамора или мела (осторожно, чтобы не разбить дно) и долей немного соляной кислоты. Что происходит? Почему? Составь уравнение реакции и запиши его в полной и сокращённой ионных формах. Проверь правильность записи. СаСОз -Ь 2НС1 = СаСЬ -Ь COgt + Н2О СаСОз -I- 2Н^ -Н 2СГ = Са^^ 2СГ -Н СОгТ Н2О СаСОз -f 2Н^ = Са^^ + C02t + Н2О Сделай вывод, какое условие в данном случае способствует необратимости реакции. Понятно, что это выделение газа СО2 и образование слабого электролита Н2О. 76 ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 6 Реакция обмена между электролитами, протекающая с формированием слабого электролита Налей в пробирку 2—3 мл раствора гидроксида натрия и добавь 1—2 капли раствора фенолфталеина. Что наблюдается? Почему? Чем объясняется окрашивание раствора в малиновый цвет? Добавляй каплями соляную кислоту до исчезновения цвета. Составь уравнение реакции и запиши его в полной и сокращённой ионных формах. Проверь правильность записей. NaOH + НС1 = NaCl + Н2О Na^ -Ь ОН" -Ь Н^ + СГ = Na^ -Ь СГ -Ь Н2О Н^ + ОН- = Н2О Сделай вывод, при каком условии эта реакция протекает до конца, становится необратимой. Понятно, что при условии образования воды — слабого электролита. Обрати внимание, в ионных уравнениях принято записывать в недиссоциированной форме формулы малорастворимых веществ, а также газов или слабых электролитов. Поэтому ионное уравнения иногда называют ионно-молекулярными. Так ли это? Ведь в осадок выпадают нерастворимые соли и основания, не содержащие молекул, поскольку это — ионные соединения. Ы>1 (я Реакции в растворах электролитов протекают до конца, то есть становятся практически необратимыми, если ионы, участвующие в реакции, полностью или частично удаляются из сферы взаимодействия. Это происходит, если среди образовавшихся веществ имеются малорастворимые соединения, выпадающие в осадок, газы, вода или другие слабые электролиты. 77 ifl самоконтроля 1. Напиши три уравнения реакций нейтрализации и выдели общее для них сокращённое ионное уравнение. 2. Чтобы реакция протекала согласно схеме Сг®* + ЗОН' -> Сг(ОН)з1, необходимо взять пару веществ А Сгг(804)з и НгО; В СгС1з и NaOH; Б СГгОз и HCI; Г СГгОз и КОН. 3. Пользуясь таблицей растворимости (см. форзац), напиши полные и сокращённые ионные уравнения реакций (если они протекают) для следующих пар веществ: NaCI + АрМОз —> КгСОз + СаС1г~^ K2SO4 BaOl2 —^ NaCI + K2SO4—► FeS04 + КОН ^ Ва(МОз)2 + MgCl2-> 4. Напиши уравнения реакций, соответствующих таким схемам: ЗМд 2+ , 2РОГ Мдз(Р04)2-1- Ва"" + С0=- ВаСОз^ Ре2" + 20Н- Ре(ОН)2^ Ва^" + 30^ ^ Ва304^ 5. В химической реакции между растворами нитрата серебра и хлорида калия принимает участие пара ионов А К" i Ад": В К" i СГ; Б K"i N0; Г Ад* i С|- !ые задания 6. Необратимой реакцией (или реакциями), протекающей до конца в результате, взаимодействия растворов, является реакция между А хлоридом калия и нитратом натрия; Б гидроксидом калия и соляной кислотой; В серной кислотой и карбонатом натрия; Г сульфатом железа(111) и азотной кислотой. 7. Докажи, используя уравнения реакций, какие ионы могут, а какие — не могут на-* ходиться в растворе одновременно: Ад*, Са**, Fe^*, Na*, NO3, Cl', ОН'. Почему? 8*. Сокращённое ионное уравнение 2Н* + СОз' = Н2О + СО2Т соответствует взаимодействию А раствора ортофосфорной кислоты и карбоната кальция; Б сернистой кислоты и раствора карбоната натрия; В соляной кислоты и раствора карбоната натрия; Г раствора серной кислоты и оксида углерода(1\/). 9*. В растворе объёмом 1 л, содержащем нитрат магния количеством вещества 0,15 моль, суммарное количество вещества ионов Мд** и NOj равно А 0,15 моль; Б 0,30 моль; В 0,45 моль; Г 0,60 моль. 10*. Суммы всех коэффициентов в полном и сокращённом ионных уравнениях реакций между сероводородной кислотой и избытком раствора гидроксида калия соответственно равны А 12и4; Б 10и6; В 12и6; Г 12иЗ. 78 ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 3 Реакции ионного обмена в растворах электролитов Вариант I (средний уровень) 1. Выполни реакции между растворами следующих веществ: а) нитратом серебра и хлоридом натрия; б) нитратом магния и карбонатом калия. Напиши уравнения реакций и укажи полную и сокращённую ионных формах. 2. Получи гидроксид меди(П) и нейтрализуй его азотной кислотой. Составь соответствующие уравнения реакций и представь их в полной и сокращённой ионных формах. Вариант II (достаточный уровень) 1. Выполни реакции между растворами следующих веществ: а) нитрат железа(П) и карбонат натрия; б) фосфат калия и серная кислота; в) карбонат бария и азотная кислота. Напиши уравнения реакций и укажи полную и сокращённую ионные формы. 2. Получи гидроксид железа(П) и нейтрализуй его серной кислотой. Составь соответствующие уравнения реакций и вырази их в полной и сокращённой ионных формах. 3. Выполни реакции, соответствующие таким сокращённым ионным уравнениям: а) Ва^^ + 80^ = BaS04^ б) Ag^ + СГ = AgClJ. Вариант III (высокий уровень) 1. Выполни реакции между веществами, в частности в водных растворах: а) гидроксидом натрия и хлоридом железа(П1); б) сульфатом цинка и гидроксидом калия; в) карбонатом натрия и азотной кислотой; г) оксидом меди(П) и хлорной кислотой. Напиши уравнения реакций и укажи их полную и сокращённую ионные формы. 2. Получи гидроксид алюминия и нейтрализуй его серной кислотой. Составь соответствующие уравнения реакций и вырази их в полной и сокращённой ионных формах. 3. Выполни реакции, соответствующие таким сокращённым ионным уравнениям: а) Са 2+ + С01- ■ СаСОя б) Fe"^ + 20Н' Fe(0H)2 в) ЗСи'" + 2Р0^ ^ Сиз(Р04)2. 79 ГЛАВА о 13. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ UiOi) необходимо />^»,ч/;ичагь.признаки, по которым классифицируют химические реакции понимать сущность понятий: реагенты, продукты реакции; уметь, определять тип химической реакции; приводить примеры и составлять уравнения разных типов В настоящее время известно множество химических реакций. Каждая из них, безусловно, индивидуальна, поскольку в ней принимают участие конкретные вещества (J присущими им химическими свойствами. 1$прочем, химические реакции имеют много общих признаков, что позволяет объединить их в несколько типов. В таблице 5 при-недены некоторые критерии, по которым классифицируют химические реакции. Таблица 5. Классификация химических реакций Признаки классификации Типы реакций Изменение количества реагентов и продуктов реакции Реакции соединения. Реакции разложения. Реакции замещения. Реакции обмена Изменение степеней окисления элементов, которые входят в состав веществ, принимающих участие в реакции Окислительно-восстановительные реакции Выделение или поглощение энергии в ходе химической реакции Экзотермические реакции. Эндотермические реакции Протекают в одном направлении и до конца либо в двух противоположных направлениях и не до конца Необратимые реакции. Обратимые реакции Наличие катализатора Каталитические реакции. Некаталитические реакции 81 Рис. 47. Учитель делает углубление в горке кристаллов дихромата аммония Мы уже ознакомились со многими из перечисленных типов. Вспомним клас-/ сификацию реакций по первому признаУ ку — по количеству исходных и конеч^ ных веществ (реагентов и продуктов реакции) и обобщим полученные знания. Начнём с демонстрационных опытов. Опыт 1. В фарфоровой ступке смешиваем порошок цинка массой б г и порошок серы массой 3 г. Смесь насыпаем горкой на керамическую плитку (или жесть) и нагреваем в одном месте при помощи длинной лучинки (не спички!). Происходит сильная вспышка. Образуется сульфид цинка (опыт лучше проводить под тягой): Zn -Ь S = ZnS • Используя табл. 5, сделай вывод, к какому типу относится эта химическая реакция, приведи её определение. • Напиши три уравнения реакций соединения. Химические реакции, в результате которых из двух или нескольких веществ образуется одно новое вещество, называются реакциями соединения. Рис. 48. «Извержение вулкана» Опыт 2. На керамическую плитку (или жесть) насыпаем горкой оранжевокрасные кристаллы дихромата аммония (КН4)гСг207. В центре горки делаем небольшое углубление и смачиваем его спиртом. Подносим горящую лучинку. Начинается бурное разложение соли. Выбрасываются масса тёмно-зелёного оксида хро-ма(П1) СггОз и водяной пар, это похоже на «извержение вулкана» (рис. 48). (МН4)2СГ207 = СГ2О3 + НзТ -f 4НзОТ 82 Химические реакции, в результате которых из одного вещества образуются два и более новых веществ, называются реакциями разложения. Напиши три уравнения реакций разложения. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 7 Реакции замещения В одну пробирку налей 2—3 мл соляной кислоты, а в другую — столько же раствора сульфата меди(П). В первую пробирку положи гранулу цинка, а в другую — очищенный от ржавчины гвоздь. Что происходит? Почему? Zn -f 2НС1 = ZnClz -Ь Hat Fe + CUSO4 = FeS04 + CU'l К какому типу можно отнести эти реакции? Химические реакции между простым и сложным веществами, в ходе которых атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, образуя новое простое и новое сложное вещества, называются реакциями замещения. Напиши уравнение реакции замещения и вырази его в полной и сокращённой ионных формах. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 8 Реакции обмена В одну пробирку налей 2—3 мл раствора гидроксида натрия, добавь 2—3 капли фенолфталеина и каплями добавляй соляную кислоту, встряхивая пробирку после каждой капли кислоты; NaOH + НС1 = NaCl -Ь HgO Что происходит? Как называются такие реакции? В другую пробирку налей 2—3 мл раствора нитрата серебра и добавь немного раствора хлорида натрия. Что происходит? Почему? AgNOs -Ь NaCl = AgClJ. -Ь NaNOg К какому типу можно отнести эти реакции? 83 Химические реакции, в ходе которых два вещества обмениваются своими компонентами, образуя два новых вещества, называются реакциями обмена.______ Рис. 49. Учительница выполняет реакцию обмена • Напиши уравнение реакции обмена и вырази его в полной и сокращённой ионных формах. • Рассмотри фото (рис. 49) и на его основе напиши уравнение реакции, которую выполняет учительница. Вырази его в полной и сокращённой ионных формах, укажи тип реакции. Классификация химических реакций по другим признакам будет рассматриваться в следующих параграфах. ВЫГЗОЛ.Ь. Химические реакции — .это преобразование одних веществ (исходных соединений) в другие (продукты реакции). Химические реакции по общим признакам разделяют на типы. По количеству исходных веществ и конечных продуктов химические реакции разделяют на реакции соединения, разложения, замещения и обмена. По тепловому эффекту реакции делятся на эндотермические, протекающие с поглощением теплоты, и экзотермические — с выделением теплоты. Реакции, протекающие при наличии катализатора, называются каталитическими, а без его участия — некаталитическими. Задания для самоконтроля 1. Приведи два примера реакций нейтрализации. К какому типу химических реакций они относятся? 2. Составь уравнейия реакций по указанным схемам и укажи тип каждой из них: А1 HCI -> КОН + СОг Са + НгО-э Сг(ОН)з РгОз Н2О —^ MqO N2O5 —^ 3. Реакция протекает по уравнению: Ва(ОН), -н НзЗОа = BaSO„ -н 2И,0. 84 Характеристики, не соответствующие описанию данной реакции, это реакция А нейтрализации: Г сопровождается выпадением осадка: Б необратимая: Д сопровождается выделением газа: В обмена: Е замещения. 4. Расставь коэффициенты в данных схемах реакций; А СаСОз —^ СаО СОз^: Б Ва + НгО->Ва(ОН)2 + НгТ: в НдО Нд + ОгТ. Выбери из них уравнение реакции разложения. В. В указанных схемах реакций расставь коэффициенты; Нг + Ог НгО: Мд + HCI -> МдС1г + Hjt: К2О + N2O8 -+ KNO3: Ре(ОН)з РезОз + Н2О. Дополнительные задания в*. Допиши указанные схемы; N3 + NH3 —> N2 + Нз N2 + Нз СН4 —> С + НзТ Выбери уравнение реакции, которая одновременно является реакцией сов’| динения и экзотермической. 7*. Напиши уравнение реакции обмена. На его основе составь условие задачи и реши её. I 8*. Рассмотри рис. 50. Объясни, реакции какого типа протекают в случаях а, 6,f в, г. Углекислый газ б в Рис. 50. Типы химических реакций 85 типы ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ соединения т обмена разложения замещения Степень окисления — это условный заряд атома в веществе, который возник бы на атоме при условии, что общие электронные пары полностью сместились к более электроотрицательному элементу (то есть атомы превратились бы в ионы) Окислительно-восстановительные реакции — это реакции, протекающие при изменении степеней окисления элементов, которые входят в состав реагирующих веществ § 14. ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ Тебе необходимо понимать сущность понятий: окислительно-восстановительная реакция; окисление; восстановление; окислитель; восстановитель; уметь: вычислять коэффициенты по методу электронного баланса. Ты уже знаешь разные типы химических реакций. Так, по количеству веществ, которые принимают участие и образуются в ходе реакции, реакции классифицируют на следующие типы: соединения, разложения, замещения и обмена. • Запиши по одному примеру уравнений реакций каждого типа и приведи их определения. Среди разнообразных химических реакций можно выделить и такие, которые протекают с изменением степеней окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ. По этому признаку все химические реакции делятся на два типа: 1. Реакции, протекающие без изменения степеней окисления элементов, которые входят в состав реагирующих веществ. Например: -t-2 +4 -2 +2 -2 +4 -2 СаСОз=СаО + СОгТ + 1-2+1 +1 +6-2 +1 +6-2 +1 -2 2КОН + H2SO4 = K2SO4 + 2Н2О Обрати внимание: степени окисления атомов каждого элемента до и после реакции остаются неизменными. 2. Реакции, протекающие с изменением степеней окисления атомов элементов. 86 которые входят в состав реагирующих веществ. Например: +2-2 О О ^ 2Hg0 = 2Hg + 02t о +1 +в -2 +2 +6 -2 О Mg + H2SO4 = MgSO^ + Hjt Здесь в первом уравнении ртуть и кислород, во втором — магний и водород изменили степени окисления. Реакции, протекающиесизменением степеней окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ, называют окислительно-восстановительными. Чем же объясняется изменение степеней окисления элементов? А тем, что в процессе реакции электроны переходят (или смещаются) от одних атомов к другим. Процесс отдачи электронов атомом элемента называют окислением, а процесс их присоединения — восстановлением. Восстановление — процесс присоединения электронов атомом элемента Окисление — процесс отдачи электронов атомом элемента В данном примере магний до реакции имеет степень окисления О (нуль), как обычно в простых веществах, а после реакции +2. Это означает, что каждый атом магния в процессе реакции отдаёт 2 електрона. То есть происходит процесс окисления. Атомы водорода до реакции имели степень окисления -Ы, а после реакции О (нуль). Следовательно, каждый атом водорода присоединил по одному электрону, то есть происходит процесс восстановления. Эти процессы можно представить следующими схемами: Окислителями называются вещества, атомы или ионы которых в ходе химической реакции способны присоединять электроны 87 Восстановителями являются вещества, атомы или ионы которых в ходе химической реакции способны отдавать электроны Окислитель в процессе реакции восстанавливается, а восстановитель — окисляется Процессы окисления и восстановления всегда взаимосвязаны о +2 восстановитель: Mg -2ё = Mg (процесс окисления) +1 о окислитель: 2Н + 2е = ________(процесс восстановления) Вещества, отдающие в процессе хи' мической реакции электроны, называ' ются восстановителями. В данном примере магний — восстановитель. Отдавая электроны, он окисляется. А атомы водорода со степенью окисления +1 в составе серной кислоты присоединяют электроны и восстанавли-ваются до газообразного водорода Нг. Вещества, присоединяющие в ходе химической реакции электроны, назы-ваются окислителями. Следовательно, окислитель в процессе реакции восстанавливается, а восстановитель — окисляется. В каждой окислительно-восстановительной реакции всегда имеются вещества, атомы химических элементов которых отдают либо присоединяют электроны. Это означает, что процессы окисления и восстановления всегда сопровождают друг друга. Независимо от того, переходят электроны от одного атома к другому полностью или только частично смещаются (оттягиваются), условно говорят лишь об отдаче и присоединении электронов. Подбор коэффициентов. Коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях удобно подбирать по методу электронного баланса. В его основе лежит сравнение степеней окисления ато- 88 MOB в исходных и образующихся веществах. Рассмотрим конкретный пример. Например, необходимо подобрать коэффициенты в уравнении реакции взаимодействия меди с разбавленным раствором ииотной кислоты, протекающей по следующей схеме: Си -Ь НКОз-> Си(НОз)2 + NOt + Н2О. Используй такой алгоритм выполнения: 1. Определи, какие атомы изменяют степень окисления, и укажи её над символами элементов: Си 4- HNO3 ^ Си(N03)2 + N01 + Н2О 2. Запиши электронные уравнения и укажи, сколько электронов отдаёт восстановитель и сколько электронов присоединяет окислитель: о +2 Си-2е ->Си +б N-1-Зё +2 •N 2 Метод электронного баланса основан на сравнении степеней окисления атомов в исходных и конечных (образующихся) веществах Окислительно-восстановительные реакции протекают с изменением степеней окисления обычно двух элементов, которые входят в состав исходных и конечных продуктов Такая запись означает, что каждый атом меди со степенью окисления О (нуль) •(2 отдаёт 2 электрона и преобразуется в Си, то есть медь Си — восстановитель. Атомы азота со степенью окисления +5 (в составе азотной кислоты) присоединяют каждый по 3 электрона, превращаясь в ^2 N (в составе оксида азота(П) N0). Следо- +6 вательно, N, точнее HNO3, — окислитель. Число отданных и присоединённых электронов вынеси за вертикальную линию и, чтобы уравнять, найди для этих чисел наименьшее общее кратное 6 и раз- 89 Общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равно числу электронов, которые присоединяет окислитель На окислительно-восстановительных реакциях базируется производство металлов и неметаллов, аммиака, азотной и серной кислот, различных лекарств дели на эти числа, получишь дополнительные множители. Они записываются за третьей вертикальной линией. Помни, что общее число электронов, отданных восстановителем, должно быть равным числу электронов, которые присоединяет окислитель. Дополнительные множители, записанные после третьей вертикальной линии, — коэффициенты для восстановителя и окислителя. 3. Напиши в схеме реакции эти коэффициенты для восстановителя и окислителя, уравняй число их атомов в обеих частях уравнения: ЗСи + 8HNO3 = ЗСи(КОз)г + 2NOT + НзО. 4. Методом подбора определи коэффициент перед формулой воды. Уравнение этой реакции имеет следующий вид: ЗСи -Ь 8HNO3 = ЗСи(КОз>2 + 2NOT + 4Н2О. 5. Для проверки правильности написания уравнения сравни количество атомов каждого элемента в обеих частях уравнения. Иногда достаточно проверить число атомов кислорода в обеих частях уравнения. Значение. Окислительно-восстановительные реакции играют большую роль в природе и технике. Они самопроизвольно протекают в природных биологических системах — фотосинтез у растений, процессы дыхания у человека и животных и т. д. Сжигание топлива на тепловых электростанциях, в двигателях внутреннего сгорания — это также примеры окислительно-восстановительных реакций. Их использование даёт возмож- 90 ность получать металлы, органические и неорганические соединения, очищать различные вещества, природные и сточные воды, газовые выбросы электростанций, заводов и т. д. Окислительно-восстановительные реакции протекают с изменением степеней окисления обычно двух элементов, входящих в состав исходных и конечных продуктов. Изменение степеней окисления элементов обусловливается переходом (смещением) электронов от одних атомов к другим. Отдача электронов, то есть окисление, всегда сопровождается присоединением электронов, то есть восстановлением. И, напротив, восстановление всегда сопровождается окислением. Окислительно-восстановительные реакции — это единство двух противоположных процессов — окисления и восстановления. Вещества, присоединяющие электроны, — это окислители, в процессе реакции они восстанавливаются, а вещества, отдающие электроны, — восстановители, они окисляются. Задания для самоконтроля 1. Какие реакции протекают без изменения степеней окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ? Приведи два примера. 2. Какие реакции относятся к окислительно-восстановительным? Приведи примеры, укажи окислитель и восстановитель. 3. Рассмотри с точки зрения окисления-восстановления: 1) разложение оксида ртути(И) при нагревании; 2) получение водорода действием цинка на соляную кислоту. Какой элемент в каждом случае: а) окисляется; б) восстанавливается; в) является окислителем; г) восстановителем? 4. Напиши уравнения окислительно-восстановительных реакций: а) алюминия с кислородом; б) магния с хлором; в) натрия с серой. Приведи примеры электронных уравнений,укажи окислитель и восстановитель. 5. В процессе взаимодействия Zn -t- H2SO4 = ZnS04 + НгТ А водород в серной кислоте восстанавливается; Б водород в серной кислоте окисляется; В цинк восстанавливается; 91 6. Процесс восстановления протекает, если А нейтральные атомы превращаются в отрицательно заряженные ионы; Б нейтральные атомы превращаются в положительно заряженные ионы; В положительный заряд иона увеличивается; Г отрицательный заряд иона уменьшается. Дополнительные задания 7*. Сумма коэффициентов в правой части уравнения реакции, протекающей по схеме HzS + Ог SO2 + HgO, равна А 2; Б 4; В 6; Г 8. 8*. Пероксид водорода НгОг проявляет как окислительные, так и восстановительные свойства в реакциях, уравнения которых: 9* 1) HA+2H + 2e->2HjO; 2) H202-2e->0jT + 2H; 3) Н20г + 2ё-^20Н-; 4) Н2О2 + 20Н- - 2е -> 02t + 2Н2О. Пероксид водорода проявляется как восстановитель, в случаях А 1,2; Б 3,4; В 1,3; Г 2,4. Расставь коэффициенты в окислительно-восстановительных реакциях, протекающих по следующим с;^мам: 1. Си-ь HNO3 Си(ЫОз)2 + МОзТ -ь Н2О; 2. КСЮз -> KCI + ОзТ; 3. AI + V20s->V-HAl203; 4. К2СГ2О7 + К1 + H2SO4 Сг2(304)з + 1г^ + K2SO4 + Н2О; 5. К2МПО4 СО2 КМПО4 + МпОз'^' К2СО3. 92 § 15. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЕ УРАВНЕНИЯ fo6e необходимо понимать сущность понятий: экзотермическая реакция; эндотермическая реакция; внутренняя энергия; тепловой эффект реакции; уметь записывать: термохимические уравнения термодинамическим способом. Экзо- и эндотермические реакции. Ты уже знаешь, что в процессе химических реакций сохраняются число атомов, их общая масса, количество электрических зарядов, а изменяются только химические связи между атомами: одни — разрушаются, другие — возникают. На разрушение химических связей необходима энергия, а при образовании новых связей энергия высвобождается. Обратимся к демонстрационным опытам. Опыт 1. Поджигаем магниевую ленту (рис. 51): 2Mg -f О2 = 2MgO Магний горит ярким пламенем. При этом происходит перегруппировка атомов магния и кислорода с формированием оксида магния, что сопровождается выделением теплоты и света. • Вспомни, как называются такие реакции. Химические реакции, протекающие с выделением теплоты, называются экзотермическими. Рис. 61. Горение магния Рис. 52. Разложение малахита 93 По тепловому эффекту различают экзотермические и эндотермические реакции Выделение или поглощение теплоты в процессе химической реакции объясняется преобразованием электронных структур атомов, молекул, ионов Опыт 2. В пробирку насыпаем тёмнозелёные кристаллы малахита СиСЮз • Си(ОН)г (или Си2(ОН)гСОз — основная соль), закрываем пробирку пробкой с газоотводной трубкой, конец которой погружаем в стакан с известковой водой. Пробирку закрепляем в штативе наклонно, как показано на рис. 52, и нагреваем: Сиг(ОН)2СОз = 2СиО + COgt + Н2О. Наблюдаем образование веш;ества чёрного цвета — оксид меди(П) СиО. Помутнение известковой воды свидетельствует о выделении углекислого газа СО2, а на стенках пробирки с малахитом появились капли воды Н2О. Это реакция разложения малахита. Она требует постоянного нагревания. Если прекратить нагревание, то прекратится и реакция. Это означает, что она протекает с поглощением теплоты. • Вспомни, как называются такие реакции. Химические реакции, протекающие с поглощением теплоты, называются эндотермическими. Возникает вопрос: почему в одних случаях в ходе реакции энергия высвобождается, а в других — поглощается? Внутренняя энергия и тепловой эффект реакции. Из курса физики ты знаешь, что каждое вещество имеет определённый запас энергии. Это внутренняя энергия, то есть энергия хаотичного (теплового) движения всех частиц в составе вещества (атомов, молекул, ионов, протонов, электронов и т. д.). В процессе химической реакции, если одни связи разрушаются, а другие обра- 94 зуются, внутренняя энергия вещества изменяется. Это объясняется тем, что перестраиваются электронные структуры атомов, ионов, молекул. А это обусловливает выделение или поглощение теплоты (света, электрического тока) либо других форм энергии. Например, сгорание многих веществ протекает с выделением теплоты и света. Соединение металлов с серой или хлором, нейтрализация кислот щелочами также сопровождаются выделением значительного количества теплоты. При этом такие реакции, как разложение карбоната кальция СаСОз, малахита Сиг(ОН)2СОз, перманганата калия КМПО4, образование оксида азота(П) N0 из азота и кислорода, протекают с поглощением теплоты. Теплота, которая высвобождается либо поглощается в ходе химических реакций, называется тепловым эффек-том реакции._______________________ Рис. 53. Тепловой эффект экзотермической реакции: 1 — энергия исходных веществ; 2 — энергия продуктов реакции; 3 — выделение теплоты Тепловой эффект реакции обозначается АН (читается «дельта аш») и выражается в джоулях (Дж) или кратных единицах — килоджоулях (кДж). Разумеется, если реакция экзотермическая, то есть сопровождается выделением теплоты, это означает, что содержание энергии в исходных веществах было больше, чем в продуктах реакции (рис. 53). А для эндотермических реакций, которые нуждаются в поступлении теплоты извне, напротив, содержание энергии в исходных веществах меньше, чем в полученных продуктах (рис. 54). Следовательно, Рис. 54. Тепловой эффект эндотермической реакции: 1 — энергия исходных веществ; 2 — энергия продуктов реакции; 3 — поглощение теплоты 95 Внешняя среда Реакция эндотермическая, величина ДЯ положительная Внешняя среда Реакция экзотермическая, величина ЛЯ отрицательная Рис. бб. Схема эндотермических (а) и экзотермических (б) процессов Тепловой эффект реакции АН — это разность между содержанием энергии в исходных веществах и конечных про дуктах реакции.__________________ В этом заключается физическая сущ ность величины АН (греческая буква Д — «дельта» означает «различие, изме' нение»). Поскольку тепловой эффект вычисляется относительно всей реакционной системы, то для экзотермических реакций, если теплота выделяется и энергия реакционной системы уменьшается, он является отрицательным. Для эндотермических реакций, если теплота поглощается и энергия системы увеличивается, тепловой эффект реакции АН — поло жительный (рис. 55). Тепловые явления, сопровождающие! химические реакции, изучает термохи-1 мия (один из разделов химической тер-’ модинамики). Термохимические уравнения. Ты уже I знаешь, что при сгорании веществ, на-j пример водорода, теплота выделяется.| Этот процесс выражается уравнением: 1 2Нг+ Ог “ 2НгО; АН " -572 кДж. Химические уравнения с указанием количества теплоты, которая выделя ется или поглощается, называются тер мохимическими уравнениями._____ Обрати внимание: тепловой эффект реакции записывают отдельно от химического уравнения, после точки с запятой. Он касается такого числа молей вещества, которое определяется уравнени- 96 ем реакции. В данном примере при взаимодействии каждых 2 моль водорода с 1 моль кислорода выделяется 572 кДж теплоты. Согласно закону сохранения энергии такое же количество теплоты необходимо, чтобы разложить воду на водород и кислород: 2НгО = 2Н2 + Ог; АН = -1-572 кДж. Для выполнения какой-либо реакции важно знать значение её теплового эффекта. В зависимости от того, протекает реакция с выделением или поглощением теплоты, определяют условия её проведения. Пример 1. Составить термохимическое уравнение реакции горения алюминия, если известно, что на 1 моль образованного оксида алюминия выделяется 1582 кДж теплоты. Дано: «(АЦОз) = 1 моль Q = 1 582 кДж АН—7 Решение: 4А1 -Ь ЗОг = 2А1гОз Тепловой эффект реакции составляет 2 моль * 1 582 кДж/моль = 3 164 кДж. Поскольку реакция протекает с выделением теплоты, то тепловой эффект АН отрицательный. Следовательно, термохимическое уравнение имеет вид: 4А1 + ЗОг = 2А1гОз; АН = -3 164 кДж. Пример 2. Вычислить количество теплоты, необходимой для разложения аммиака NH3 количеством вещества 5 моль, если тепловой эффект реакции составляет 46 кДж/моль. 4 "Химия’, 9кл. 97 Дано: п(КНз) = 5 моль АН = +46 кДж/моль Q-? Решение: Составляем термохимическое уравнение: 2NH3 = N2 + ЗН2; АН = +92 кДж л = 2 моль На разложение 2 моль NH3 необходимо 92 кДж. На разложение 5 моль NH3 расходуется х: 2 : 5 = 92 : X. 5 моль • 92 кДж х = 2 моль • = 230 кДж. Ответ: на разложение аммиака количеством вещества 5 моль необходимо 230 кДж теплоты. В литературе можно встретить устаревший способ записи термохимических уравнений, когда тепловой эффект реакции указан непосредственно в уравнении химической реакции,например: 2С + О2 = 2СО + 220 кДж; С + Н2О = СО + Н2 - 132 кДж. Здесь для экзотермической реакции тепловой эффект указан со знаком «плюс», для эндотермической реакции — со знаком «минус». Мы используем современный термодинамический способ записи термохимических уравнений, где знаки для экзо- и эндотермических реакций противоположные. Поэтому, пользуясь литературой прошлых лет, следует быть внимательным: какой способ — термохимический или термодинамический — используется для записи термохимического уравнения. ВЫВОДЫ Каждое вещество имеет определённую внутреннюю энергию, то есть энергию хаотичного (теплового) движения и взаимодействия всех его микрочастиц. 98 в ходе химической реакции происходит изменение внутренней энергии реагирующих веществ и энергии системы в целом. Такое изменение энергии связано с разрушением одних химических связей и образованием других. Поэтому химические реакции сопровождаются определённым тепловым эффектом — поглощением или вьщелением теплоты. По тепловому эффекту химические реакции делятся на два типа: экзотермические, протекающие с выделением теплоты, и эндотермические, — с поглощением теплоты. В случае экзотермических реакций энергия реакционной системы уменьшается, и тепловой эффект АН обозначают со знаком «минус» (-ДЯ). В случае эндотермических реакций энергия системы увеличивается, и тепловой эффект реакции АН обозначают со знаком «плюс» (+АЯ). »VW«l«a»A «МНГ-ИвМ Задания для самоконтроля 1. Из указанных параметров в ходе химической реакции всегда остаются неизменными А масса; В давление; Б объём; Г концентрация. 2. Что такое величина АН7 Как ты понимаешь её физическую сущность? 3. Из приведённых ниже уравнений эндотермическим реакциям соответствуют А С + Ог = СОг; АН = -393 кДж; Б С + НгО = СО + Нг; ДН =+131,4 кДж; В 2МНз = N2 + ЗН2; АН = +92,4 кДж; Г 2С + О2 = 2СО; АН = -221 кДж. 4. Составь термохимическое уравнение взаимодействия фосфора с хлором, если на каждый моль образованного хлорида фосфора(\/) выделяются 375 кДж теплоты. 5. По термохимическому уравнению сгорания серы 8 + 02 = SO2; АН = -297 кДж вычисли массу серы и объём кислорода (н. у.), которые были использованы, если известно, что при их взаимодействии выделяется 594 кДж теплоты. Дополнительные задания 6. При сгорании в кислороде магния массой 5 г освободилась теплота количеством 75 кДж. Составь термохимическое уравнение реакции и укажи, какой процесс протекает — экзо- или эндотермический. 99 7*. Тепловой эффект реакции АН (кДж) преобразования вещества Д в вещество В, согласно схеме, равен А +50 Б -50 В +100; Г -100; Д +150; Е -200. 8*. На диаграмме значение теплового эффекта реакции показывает отрезок: А а; Б б; В в; Гг. 9*. Данные термохимические уравнения запиши так, как принято в термодинамике: (а) 2Си + Ог = 2СиО + 276 кДж; (б) СаСОз = СаО + СОг - 180 кДж. Определи, какой из процессов экзо-, а какой — эндотермический. Вычисли количество теплоты, которая: а) выделяется при окислении меди массой 6,4 г; б) поглощается при образовании негашёной извести массой 1 кг. 100 § 16. СКОРОСТЬ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Тебе необходимо понимать: значение скорости химической реакции; лють: факторы, от которых зависит скорость химической реакции; уметь: объяснять зависимость скорости реакции от определённого фактора. Ты уже ознакомился с основными типами химических реакций, умеешь отличать их от физических явлений и проводить расчёты, используя химические уравнения, а теперь научишься управлять химическими реакциями. Для этого выясним сущность понятия «скорость химической реакции». Это понятие изучает один из разделов химии — химическая кинетика. Тебе известно, что изделия из золота (рис. 56) сохраняют свои красоту и блеск на протяжении столетий, а изготовленные из железа — быстро ржавеют, в особенности во влажном воздухе, и со временем превращаются просто в металлолом. Ионные реакции протекают практически мгновенно, например: Pb(NOs)2 + 2NaCl = PbCl2^^ + 2МаШз, РЬ'^ -Ь 2СГ = PbClai, а выветривание горных пород — превращение гранита в песок, глину и другие вещества, продолжается столетиями. Следовательно, химические реакции протекают с разной скоростью. О скорости химической реакции можно судить по изменению количества вещества реагента или продукта реакции за единицу времени в единице объёма. Рис. 56. Золотая пектораль (Скифия, IV в. до н. э.) 101 ..inrffl Рис. 57. Богдан Хмельницкий. Бронзовый памятник под воздействием влажного воздуха покрывается зелёным налётом основного карбоната меди(П) Си2(ОН)2СОз Количество вещества в единице объёма называется молярной концентрацией. Она измеряется в моль/л, а время — в секундах. Итак, единица скорости химической реакции — моль/(л • с): ^ ^[(С2-С,)/У] (AC/F) Дт Дано: Сг = 0,04 моль/л Cl = 0,01 моль/л и — ? где V — скорость химической реакции; Сг и Cl — исходная и конечная концентрации; V — объём; Т2 и Ti (греческая буква, читается «тау») — исходное и конечное время протекания химической реакции; Д (греческая буква, читается «дельта» — синоним слова «изменение») — изменение концентрации (увеличение или уменьшение) в ходе реакции за время Дт. Поскольку концентрация исходных веществ в процессе реакции уменьшается, то в выражении скорости ставится знак «минус». Если скорость реакции определяется по продукту, а его концентрация увеличивается, то значение дроби является положительным. Учитывая, что скорость реакции можно вычислять по изменению концентрации любого компонента процесса, то в общем выражении скорости химической реакции ставят знак ±. Пример. В закрытой литровой ёмкости взаимодействуют газы А и В согласно уравнению А -f В = АВ. Концентрация газа А в определённый момент времени была 0,04 моль/л, а через 50 с стала 0,01 моль/л. Определи скорость химической реакции. Решение: Дт [(Сз-С,)/У] u = ±i Дт ^_^(0,04моль/л-0,01моль/л)/1] qqq5моль 50 с 102 л с Ответ: у = ±0,0006 моль л-с Скорости изменения концентраций исходных веществ и конечных продуктов — взаимосвязанные величины. Если перед формулами всех реагентов в уравнении реакции одинаковые коэффициенты, то изменение концентраций этих реагентов во времени также будет одинаковым. Для реакций с разными коэффициентами перед формулами реагентов в уравнении скорости изменения концентраций реагентов будут разными. Например, из уравнения реакции СН4 -Ь 2Н2О = СО2 -Ь 4Н2 видно, что концентрация Н2О изменяется в 2 раза, а концентрация Н2 — в 4 раза быстрее, чем концентрация СН4 i СО2. Это логично, поскольку в процессе реакции на 1 моль СН4 требуются 2 моль Н2О и образуются 1 моль СО2 и 4 моль Н2. Следовательно, чтобы определить, с какой скоростью протекает реакция, следует знать: а) какое количество вещества расходуется (для исходного вещества) или образуется (для продукта реакции); б) за какое время это происходит; в) в каком объёме осуществляется реакция. В жизни часто возникает необходимость управлять скоростью химической реакции. Для разжигания огня, например, надо ускорить реакцию горения, а для гашения пожара — замедлить и погасить. Нежелательной реакцией является ржавление железа. Если остановить этот процесс мы не можем, то хотя бы замедлить можно. 103 Рис. 58. Зависимость скорости выделения водорода от природы металла, взаимодействующего с кислотой Рис. 59. Дополнительная поверхность после разрушения Итак, ОДНИ реакции необходимо ускорять, а другие — замедлять. Для этого нужно знать, от чего зависит их скорость. Рассмотрим факторы, влияющие на скорость протекания химических реакций. 1. Природа реагирующих веществ. Ты уже знаешь, что в процессе реакции происходит разрушение химических связей. Следовательно, прочность связей влияет на скорость реакции. Так, скорость взаимодействия металлов с кислотами зависит от того, какой взяли металл (и какую кислоту). Например, при взаимодействии магния с соляной кислотой скорость выделения водорода больше, чем при взаимодействии цинка с этой же кислотой. В свою очередь, железо взаимодействует с соляной кислотой ещё медленнее, чем цинк, а медь вообще не взаимодействует (рис. 58). 2. Степень измельчения (раздробления) веществ. Безусловно, тебе известно, что дрова легче разжечь, если сначала полено порубить на щепки. Сложно поджечь кусок сахара, а вот сахарная пудра может мгновенно вспыхнуть и даже взо рваться. Это объясняется тем, что в твёрдом веществе частицы не могут свободно перемещаться, они лишь подвергаются колебаниям. Поэтому реакция происходит только на поверхности твёрдого вещества. Если же вещество измельчить, то поверхность столкновения веществ увеличивается, соответственно возрастает скорость реакции между ними (рис. 59). 104 ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 9 Влияние площади поверхности столкновения веществ на скорость химической реакции В одну пробирку насыпь немного порошкообразного железа, в другую — столько же по массе железных опилок. В обе пробирки налей по 2 мл разбавленной соляной кислоты (1: 2). Что происходит? Объясни наблюдения и сделай вывод. 3. Концентрация реагирующих веществ. Если сравнить горение веществ на воздухе и в чистом кислороде, легко заметить, что в чистом кислороде горение происходит интенсивнее (почему?). Ты знаешь, что в воздухе на долю молекул 1СИСлорода приходится до 1/5 молекул всех газов, то есть концентрация молекул кислорода в воздухе почти в 5 раз меньше, чем в чистом кислороде. Поэтому количество столкновений молекул в чистом кислороде возрастает, следовательно, и скорость реакции увеличивается. Скорость реакции увеличивается с повышением концентрации реагентов ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 10 Влияние концентрации веществ на скорость реакции В две пробирки положи по 2 гранулы цинка. В первую налей 2 мл разбавленного раствора серной кислоты (1: 5), а в другую — такой же объём разбавленного раствора серной кислоты (1 : 10). Что происходит? Объясни свои наблюдения и сделай вывод. Если реакция протекает между газами, то её скорость можно увеличить посредством давления, так как при повышении давления концентрация газа увеличивается. 4. Температура. Ты уже знаешь, что для начала реакции частицы исходных веществ должны столкнуться. Если реакционную смесь нагреть, то частицы исход- 105 ных веществ ускоряют своё движение, и вероятность их столкновения увеличи-< вается. Поэтому подавляющее большинство реакций при нагревании протекает быстрее. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 11 Влияние температуры на скорость реакции В две пробирки положи по 2 гранулы цинка. В каждую пробирку налей по 2 мл разбавленного раствора серной кислоты (1 : 10). Одну пробирку немного нагрей, а другую оставь для сравнения. Что происходит? Объясни свои наблюдения и сделай вывод. Повышение температуры как фактор ускорения процесса широко используется на предприятиях в производстве самых разных продуктов. Это повышает экономичность процесса, снижает себестоимость продукции. ж- выводы Скорость химической реакции определяется количеством вещества, прореагировавшего (или образовавшегося) за определённый период времени в определённом объёме. Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ, степени их измельчения (увеличения поверхности столкновения), концентрации и температуры. Задания для самоконтроля 1. Известно, что полное разложение оставленной в лесу газеты происходит в течение года, консервная банка ржавеет десять лет, а стекло не разрушается |( практически сотни лет. Что можно сказать о скорости этих химических про-i цессов? Какой практический вывод следует из данных примеров? I 2. Как ты понимаешь скорость химических реакций? От каких факторов она зависит? Ответ аргументируй. 3. Почему в шахтах при скоплении угольной пыли возникает угроза взрыва? Как это предотвратить? 106 4. Почему реакции горения серы, фосфора, железа в воздухе протекают медленнее, чем в чистом кислороде? Ответ аргументируй. Дополнительные задания 5*. Определи скорость реакции, если известно, что исходная концентрация одного из реагентов была равна 1 моль/л, а через 4 с после начала реакции составляла уже 0,6 моль/л. в*. Имеем две одинаковых ёмкости. В первой количество вещества А через 1 о с изменилось с 6 до 3 моль, а в другой через 20 с — с 10 до 5 моль. Какое утверждение справедливо: А скорость реакции во второй ёмкости больше, чем в первой; Б скорости реакций в обеих ёмкостях одинаковы; В скорость реакции в первой ёмкости больше; Г скорость реакции в первой ёмкости в 2 раза меньше, чем во второй. I 7*. Для реакции, протекающей в сосуде ёмкостью 3 л, количество вещества ре-| агента уменьшилось через 5 с — с 5 до 2 моль. Определи скорость реакции по данному реагенту. i 8*. В сосуде объёмом 2 л взаимодействуют газы А и 6 в соответствии с урав-| нением А + В = 2С. Вначале газа А было 0,4 моль, через 2 с образовалось 0,2 моль продукта. Определи скорость данной реакции. §17. КАТАЛИЗ / ‘'ПОХО.ЦИШ IH --^члагь сущно- ь юнятии катализ; каталитическая реакция; отравление катализатора; ингибитор; УЛ/- -1 обья1 Ч1Ь сущность каталитического действия; значение каталитических процессов. Тебе уже известны факторы, влияющие на скорость химической реакции. Это природа реагирующих веществ, степень их измельчения (увеличение поверхности соприкосновения), концентрация и температура. Ещё один важный фактор, определяющий скорость реакции, — наличие катализатора. 107 Рис. 60. Приготовление смеси порошкообразного алюминия и порошка кристаллического йода Рис. 61. Вода — катализатор • Вспомни, какие вещества называют катализаторами. Приведи пример катализатора. Обратимся к опытам. Опыт 1. На листе бумаги смешиваег примерно равные объёмы порошкообразного алюминия и растёртого в порошок ] кристаллического иода (рис. 60). Смесь горкой высыпаем на керамическую плитку (или жесть), в углубление в горке капаем из длинной пипетки (или стеклянной трубки) 1 — 2 капли воды (большее количество воды тормозит протекание реакции). Начинается бурная реакция 2А1 + 31а = 2АИз Вода в данном случае является катализатором взаимодействия алюминия с йодом (рис. 61). Как объяснить наблюдаемые явления —, появление фиолетовых паров, пламени и т. д.? Эта реакция — экзотермическая. От теплоты, которая выделяется, полученный трииодид алюминия испаряется, а в условиях высокой температуры сгорает в кислороде воздуха с образованием оксида алюминия (белого порошка), искр и простого вещества иода, последний испаряется в виде фиолетового облачка. Опыт 2. В колбу наливаем 20—30 мл раствора перекиси водорода с массовой долей Н2О210 % и добавляем немного (на кончике шпателя) оксида марганца(1У) МпОг. Наблюдаем бурное выделение газа (эффект кипения). Как доказать, что этот газ — кислород? К отверстию колбы подносим тлеющую лучинку. Она вспыхивает, поскольку перекись водорода при каталитическом воздействии МПО2 раз- 108 лпгается, выделяя кислород (рис. 62): 2Н2О2 = 2Н2О + ОгТ А как доказать, что оксид марганца(1У) M11O2 выполняет в этой реакции роль катализатора? Сначала отфильтруем чёрный порошок Мп02, а потом добавим его к новой порции перекиси водорода. Эффект тот же: оксид марганца(1У) разлагает новую порцию перекиси водорода Н2О2. Обрати внимание: после разложения нсей перекиси водорода Н2О2 катализатор М11О2 остался на дне колбы в неизменном ниде. Именно этот факт может привести к ошибке: ты подумаешь, что катализатор пе принимает участия в реакции. Тогда возникает вопрос, как же он влияет на её скорость? Доказано, что катализатор принимает участие в реакции. Например, реакция между веществами А и В происходит согласно уравнению А -Ь В = АВ с очень малой скоростью. Ситуацию изменяет катализатор К. Он легко взаимодействует с одним из реагентов, например с веществом А, образуя промежуточное соединение АК. Последнее быстро взаимодействует с веществом В с образованием искомого АВ и высвобождением катализатора. Реакции, протекающие при наличии катализатора, называются каталитическими, а процесс изменения скорости I реакции под влиянием катализатора —! катализом. Термин «катализ» обычно связывают с ускорением реакции. Так, оксид вана- Рис. 62. Каталитическое разложение пероксида водорода А+В=АВ А + К==АК АК+В=АВ+К Действие катализатора: образование промежуточного соединения 109 Катализатор направляет химическую реакцию по новому, энергетически более выгодному пути Ингибиторы — замедлители реакции Ферменты — это биологические катализаторы. Свойственны для живых организмов, ускоряют природные биохимические процессы дия(У) ускоряет окисление оксида серы(ГУ) в производстве серной кислоты: V2O5 2SO2 + О2 = 2SO3 j Иногда необходимо уменьшить ск<> рость процесса, например коррозию металла. Для этого подбирают соответствующие замедлители реакции, их называют ингибиторами. | Но случается, что катализатор образует с реагирующим веществом (или примесями в нём) очень стойкое промежуточное соединение, из которого самопроизвольно освободиться не может. Тогда его каталитическое действие прекращается. Такое явление называют отравлением катализатора. Катализаторы характеризуются специфичностью действия: они выборочно ускоряют какую-либо одну реакцию, а на скорость других не влияют. Универсального катализатора не существует. Для каждой реакции существует свой специфический катализатор. Хотя случается, что одно и то же вещество может воздействовать на скорость нескольких раёных реакций. Значение каталитических реакций. В современной химической промышленности преобладают каталитические процессы. Для переработки нефти, производства красителей, серной кислоты, аммиака, полимеров, синтетического каучука и многого другого необходимы катализаторы. Они играют большую роль и в реакциях, протекающих в живых организмах. Биологические катализаторы — ферменты — обеспечивают стабильное и непре- 110 рывное протекание биохимических процессов. Однако и в организме возможно отравление биологических катализаторов. Ферменты могут быть отравлены •лкоголем (или продуктами его окисле-пия), никотином либо другими вредными веществами. В этом случае происходит нарушение ряда процессов, организм начинает болеть, а иногда и погибает. « Алкоголь, никотин ферменты отравляют iTiCWr-wutaf /.• t Ж У, иьшоды Катализаторы — это вещества, ускоряющие химические реакции, но сами при этом остаются в неизменном количестве. Реакции, протекающие при наличии катализаторов, называют каталитическими, а сам процесс изменения скорости реакции под влиянием катализатора — катализом. Катализатор принимает участие в химической реакции. Он способствует разрыву связей в исходных веществах, поэтому реакция становится энергетически более выгодной. Для катализаторов характерно такое явление, как отравление, тогда их каталитическое действие прекращается. Поэтому катализаторы необходимо защищать, в частности биологические (ферменты), от каталитических ядов — алкоголя, никотина, других вредных веществ. Современную химическую промышленность трудно представить без катализаторов, да и сама жизнь человека, существование животного и растительного мира — всё это базируются на каталитических процессах. б.гг> , И- 3. 4. А Задания для самоконтроля Что такое катализатор? Объясни механизм его каталитического действия. Сухой хлор на железо не действует, поэтому его можно хранить в железных баллонах. Влажный хлор железо разрушает. Как ты можешь это объяснить? Влияет ли катализатор на значение теплового эффекта реакции? Ответ аргу ментируй. Каталитическое действие возможно в случаях, когда: скорость реакции взаимодействия водорода с бромом возрастает при нагре вании; интенсивность реакции горения угля увеличивается после его дробления; -S 111 в скорость реакции горения фосфора возрастает при внесении его в атмосфе-] РУ чистого кислорода: Г скорость реакции разложения бертолетовой соли КСЮз увеличивается при добавлении к ней оксида марганца(1\/) МпОг. § 18. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ Реагенты ♦-> Продукты Рис. 63. Взаимодействие магния с серной кислотой — необратимая реакция Тебе необходимо * ' понимать сущность понятий: прямая реакция; обратная реакция; обратимая реакция; необратимая реакция; химическое равновесие: принцип Ле Шателье; уметь: объяснять влияние различных факторов на состояние химического равновесия; составлять уравнения обратимых и необратимых реакций. Ты уже знаешь, что химические реакции — это взаимодействие исходных веществ (реагентов) и образование конечных продуктов. Но не следует думать, что направление химической реакции только одно (реагенты —>- продукты). В действительности химические реакции протекают в прямом и обратном направлениях. Опыт 1. В пробирку с разбавленной серной кислотой опускаем стружку магния: Mg -h H2SO4 = MgS04 + Hat Реакция заканчивается тогда, когда весь магний прореагирует (рис. 63). Если попытаться провести эту реакцию в обратном направлении, то есть пропускать водород в раствор сульфата магния, то металлический магний и серная кислота при этом не образуются. Следовательно, 112 данная реакция не может протекать в обратном направлении, она необратимая. Опыт 2. В большую демонстрационную пробирку помеш;аем кристаллы хлорида аммония NH4CI массой 2—3 г, слегка прикрываем отверстие пробирки стекловатой и нагреваем. Хлорид аммония разлагается с образованием двух газов — аммиака NH3 и хлорида водорода НС1. В верхней, более холодной части пробирки они взаимодействуют между собой с образованием мелких кристалликов хлорида аммония NH4CI (рис. 64), и мы видим густой белый дым: прямая реакция Аммоний хлорид сублимируется, и обратная реакция происходит с образованием газов хлорида водорода и аммиака — это прямая реакция Аммоний хлорид повторно конденсируется NH4C1(tb.) : !__________ 1 ХНз(гоз) -I- НС1, (гая) Твёрдый , хлорид ^ аммония Теплота Прямая рёак1^ия ^ . NH4C1,„,^NH;„„,, + HC1„„, \ Этот символ означает обратимость Рис. 64. Обратимая реакция обратная реакция Реакция, в процессе которой из исходных веществ образуются конечные продукты, называется прямой реакцией, В уравнении реакции обозначают стрелочкой, направленной слева направо. Реакция, в процессе которой исходные вещества являются продуктами реакции, называется обратной реакцией. В уравнении реакции обозначают стрелочкой, направленной справа налево. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 12 Обратимые реакции Помести в пробирку немного голубых кристаллов медного купороса CUSO4 • 5НгО (покрыть дно) и нагревай. Что наблюдается? К белому порошку, образовавшемуся в пробирке, добавь пипеткой несколько капель воды (рис. 65). Объясни свои наблюдения. CUSO4 • бИзО ^ CUSO4 г 5Н,ОТ 113 Химические реакции, протекающие одновременно в противополож-| ных направлениях, называются обратимыми. ___I , В уравнениях обратимых реакций вмес-/ то знака «равенства» ставят две стрелки У направленные в противоположные сторсУ ны, например: / N2 + ЗН2 ^ 2NH3 / В начале реакции концентрации исходных веществ азота и водорода — большие, как и скорость прямой реакции. По мере расходования исходных веществ скорость прямой реакции уменьшается. При этом накапливается продукт реакции аммиак NH3. Пока его мало, скорость обратной реакции незначительная. С накоплением аммиака скорость обрат- I ной реакции возрастает. Наступает мо- | мент, когда скорости прямой и обратной . реакций становятся равными (рис. 66). Это означает, что наступает химическое равновесие: сколько частиц исходных веществ вступает в прямую реакцию, именно столько их образуется в результате обратной реакции, то есть концентрации веществ остаются неизменными. С достижением состояния равновесия обратимые реакции продолжают протекать с одинаковой скоростью, поэтому каких-либо изменений в реакционной системе не наблюдается. Такое равновесие называют динамичным. На момент его установления всегда можно обнаружить как продукты реакции, так и исходные вещества. Иногда необходимо выделить один из продуктов обратимой реакции, преимущественно прямой. В этом случае влия- 114 Рис. 65. Обезвоживание медного купороса ^ 2NO + O2 Рис. 66. Химическое равновесие ют на установившееся равновесие и смещают его в нужном направлении. В итого, равновесие снова устанавливается. Какие же факторы оказывают влияние кн состояние химического равновесия? Химическое равновесие можно сместить, изменяя концентрацию вепцеств, температуру, а для газообразных соединений — давление. 1. Влияние концентрации. Если при синтезе аммиака NH3 увеличить концентрацию азота N2 или водорода Нз, то равновесие сместится в сторону прямой реакции, и аммиака можно получить больше. Это понятно, ведь число молекул N2 или Нг на единицу объёма увеличивается, сталкиваются они чаще, поэтому аммиака образуется больше. Можно действовать иначе: уменьшать концентрацию продукта реакции. Если при взаимодействии азота с водородом постоянно удалять образующийся аммиак, то равновесие будет смещаться вправо, поскольку новые и новые порции азота и водорода начинают реагировать с образованием аммиака, чтобы компенсировать его удаление. 2. Влияние температуры. Реакция синтеза аммиака экзотермическая, то есть происходит с выделением теплоты. Значит, если необходимо получить больше аммиака NH3, то систему следует охлаждать. Тогда утраченная теплота будет пополняться за счёт прямой реакции, протекающей с выделением теплоты. Следовательно, всё новые и новые порции азота и водорода будут реагировать между собой. И, напротив, повышение температуры сопровождается ускорени- больше А А + В ~^C + D Увеличение концентрации А см. щает равновесие вправо Экзотермическая реакция N2 + 3H2 -;?2МНз Эндотермическая реакция 115 Молекула А Молекула АВ Молекула В * ■ V. , А{г1э) ®(газ) -^(гаэ) Мал. 67. Влияние давления на равновесие Повышение давления смещает равновесие в сторону уменьшения числа молей газа, то есть понижения давления Ле Шателье Анрп-Луи (1850—1936) Французский физико-химик и металловед. Сформулировал (1884) закон смещения термодинамического равновесия (принцип Ле Шателье). Исследовал высокотемпературные процессы, металлические сплавы. Сконструировал металлографический микроскоп ем обратной реакции, то есть разложением аммиака. 3. Влияние давления. При сжатии газов реакция между ними будет протекать в сторону образования веществ, занима] ющих меньший объём (рис. 67). Обрат: внимание на число молей в обеих частяк уравнения синтеза аммиака. В левой части имеем 4 моль, а в правой — 2 моль. Следовательно, реакция протекает с уменьшением объёма, поэтому повышение давления способствует смещению равновесия вправо, в сторону образования аммиака. Если реакция происходит без изменения объёмов реагирующих газов, например: N2 + Ог 2N0, то давление не будет влиять на состояние равновесия. Обрати внимание, что катализатор, оказывая заметное влияние на скорость реакции, совершенно не влияет на сме-п(ение равновесия, поскольку в одинаковой степени ускоряет как прямую, так и обратную реакции. Все перечисленные точки зрения о способах смещения химического равновесия исследовал французский учёный Ле Шателье. Он сформулировал общий принцип смещения химического равновесия, названный в его честь принципом Ле Шателье: ■ внешнее влияние на систему, находя-'щуюся в состоянии равновесия, спо ;собствует протеканию той реакции, ко-, торая ослабляет (сглаживает) это влияние. 116 Следовательно, система пытается противостоять изменению внешних условий (температуры, давления, концентрации). Если, например, температуру экзотермической реакции повышают при помохци нагревания, то, разумеется, сама система не может уменьшить внешнее нагревание. Но равновесие в системе смещается в сторону эндотермической реакции, протекающей с поглощением теплоты. В промышленности использовать обратимые реакции невыгодно, поскольку выход продукта небольшой. Однако ато неизбежно. Поэтому высоко ценится умение управлять химическим равновесием, создавать для обратимых реакций такие условия, при которых равновесие смещается в сторону образования конечных продуктов, и обратимая реакция практически становится необратимой. У необратимых реакций обратный процесс также наблюдается, но выражен слабо. Поэтому необратимые реакции практически протекают до конца. К ним относят обычно те реакции, в ходе которых: один из образующихся продуктов выходит из сферы реакции — выпадает в осадок или выделяется в виде газа: Ва(Шз)г + ШгСО, = BaCO^i + 2NaNO;,; K2SO3 -f H2SO, = K2SO, + SO2T + Н2О; образуется малодиссоциированное соединение (слабый электролит): НС1 + NaOH = NaCl + Н2О; реакция сопровождается выделением большого количества энергии: 2Mg -+-02 = 2MgO; ДЯ = -1 205 кДж. Рис. 68. Между осадком и его насыщенным раствором существует химическое равновесие: часть вещества из осадка непрерывно переходит в раствор, а из раствора — в осадок. Количество вещества осадка и концентрация раствора при этом не изменяются 117 ИЫ Р.ОДЫ Химические реакции разделяют на обратимые и необратимые. Обратимые реакции протекают одновременно в двух противоположных направлениях — в прямом и обратном. Самопроизвольное протекание обратимых реакций происходит не до конца, а до определённого момента — до установления в системе химического равновесия. После наступления равновесия концентрации веществ, как исходных, так и продуктов реакции, при данных условиях остаются неизменными. На состояние химического равновесия влияют концентрация вещества, температура и давление (для газов). Под их влиянием равновесие смещается в том направлении — в сторону прямой или обратной реакции, — где это влияние сглаживается (сущность принципа Ле Шателье). 1. 2. i 3. I '4. t 5. Задания для самоконтроля По какому признаку реакции разделяют на обратимые и необратимые? При каких условиях реакция является необратимой? Приведи соответствующие уравнения. Что такое химическое равновесие и почему его называют динамическим? Ответ аргументируй. Напиши уравнения реакций между данными веществами и скажи, какая из них обратимая: А МагЗЮз + N2804-^ В NaOH + А1(ОН)з Б СаО + HCI ^ Г N2 + О2 ^ Из перечисленных ниже факторов на состояние химического равновесия не влияют А температура; В концентрация реагирующих веществ; Б давление; Г увеличение площади поверхности реагирующих веществ. Равновесие термохимической реакции, протекающей по уравнению РезОд + 4СО ^ 3Fe + 4C02; ДН = +43,7кДж, смещается влево при А повышении температуры; В понижении давления; Б понижении температуры; Г повышении давления. Дополнительные задания Объясни, почему при повышении давления смещается (в какую сторону?) равновесие реакции А и не смещается равновесие реакции Б; А N2 + ЗН2 ^ 2МНз; Б N2 + О2 2NO. 118 7. Повышение давления в системе увеличивает выход продукта в реакции В Мад + ЗНйг» 7± 2NH 2(г) ^З(г), А 2НгО(г) ^ 2Нг(г) + Оад: Б СаСОз(тв) ^ СаО(тв) С02(г)1 Г СО(г) + НгО(г) ^ СОг(г) Нг(г)-8*. С повышением температуры равновесие реакции, протекающей по уравнению 280г(г) + Ог(г) ^ 250з(г), смещается влево. Сделай вывод о знаке теплового эффекта реакции. Ответ аргументируй. 9*. В замкнутой системе реакция взаимодействия хлороводорода с кислородом является обратимой 4HCI + Ог ^ 2С1г + 2НгО; ЛН = -113 кДж. Химическое равновесие смещается в сторону увеличения концентрации хлора под влиянием: А повышения давления; В повышения температуры; Б наличия катализатора; Г увеличения концентрации кислорода. 10*. Что ты можешь сказать о реакции, общий вид которой А +В = С, на основании данной диаграммы: А реакция протекает очень быстро; Б реакция экзотермическая; В реакция эндотермическая; Г диаграмма показывает состояние равновесия. 119 § 19. ЧТО ТАКОЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ шОо необходимо -ч.нь сущность понятий органические соединения, органическая химия; ■иыпичать. органические и неорганические соединения; а- яывать: характерные особенности органических веществ Органические вещества вокруг нас. Среди соединений различных элементов отдельную группу представляют соединения углерода, так называемые органические соединения. Этот термин появился в начале XIX в. и не случайно имеет общий корень со словом «организм». Тогда считалось, что органические вещества можно выделить из продуктов растительного н животного происхождения и изучать в 1’отовом виде, но невозможно получить из других веществ, то есть химическим способом. Действительно, живые организмы — ото своеобразные химические лаборатории, где образуются и разлагаются органические вещества. Но, как оказалось, их можно получить и в лабораторных условиях. Со временем было разработано множество способов получения органических веществ синтезом, в частности из неорганических веществ. Но название ♦органические соединения» сохранилось, и отрасль химической науки, изучающая соединения углерода, традиционно называют органической химией. Следует отметить, что оксиды углерода, карбонаты и некоторые другие соединения углерода относят к неорганическим. Углерод — основной химический элемент органических соединений ;Г Рис. 69. Продукты и материалы органической химии Мыло, уксус, масло, сахар, бумага, резина состоят из органических веществ 121 Атомы углерода образуют молекулы разнообразной формы; -С—С—с- СН4 Метан СНг—СНг—СНг—СНг—... Фрагмент молекулы полиэтилена Нас окружают преимущественно органические вещества: из них изготовлены мебель, одежда, обувь. И пищевые продукты — жиры, сахар — относятся к органическим соединениям, как й бумага для учебника, который ты сейчас чита ешь, изготовленная из целлюлозы (рис, 69). Из органических веществ формируются растительные и животные организм мы, а жизненно важные биохимические процессы, происходящие в них, являют^ ся реакциями органических соединений. Люди издавна использовали органические вещества и их превращения. Обрабатывая жиры пеплом растительного происхождения, получали мыло — органическое соединение, производили красители растительного и животного происхождения — индиго, пурпур и др. Вино, уксус изготовляли способом брожения виноградного сока (при этом взаимодействуют органические вещества). Средства древней медицины и косметики также содержали органические вещества. Особенности органических соединений. Какие же особенности соединений углерода обусловливают их изучение отдельно от соединений других элементов? Прежде всего, соединений углерода во много раз больше, чем таких, которые его не содержат. Сейчас известно более 20 миллионов органических веществ. С каждым годом их количество пополняется 200—300 тысячами новых, полученных синтетически. А вот неорганических веществ известно не более 200 тысяч. Атомы углерода обладают способностью последовательно соединяться между 122 собой, образуя молекулы разнообразной формы: прямые и разветвлённые, длинные и короткие цепи, кольца. Известны соединения, молекула которых содержит один атом углерода, как и известном тебе газе метане СН4, а есть и такие, в состав которых входят тысячи этих атомов, например полиэтилен. Кроме того, в молекулах органических веществ могут быть атомы водорода, кислорода, азота, галогенов, серы, фосфора и других элементов. В отличие от неорганических веществ качественный состав органических соединений представлен несколькими химическими элементами, при этом количественный — значительно разнообразнее. Валентность большинства элементов и неорганических соединениях — величина переменная (вспомни соединения, в которых сера, фосфор, азот имеют разную валентность), а элементы органических соединений проявляют значительно меньше валентных состояний. Углерод в органических веществах всегда четырёх-налентный. Разнообразнее в неорганических веществах также виды химических связей — ионная, ковалентная, металлическая. Л органические вещества образуются преимущественно посредством ковалентных связей, хотя среди них имеются ионные соединения. Кристаллические решётки большинства органических соединений молекулярные, поэтому они легкоплавкие, часто обладают запахом. Ионные неорганические вещества тугоплавкие, устойчивы к нагреванию (температура плавления В органических соединениях углерод всегда четырёхвалентный В органических веществах преобладают ковалентные связи между атомами 123 со а Н^О > Рис. 70. При сгорании древесины образуются углекислый газ и вода СН4 + 20, СОг + 2НгО хлорида натрия 800 ”С). Органические соединения сгорают с образованием воды, углекислого газа и выделением теплоты либо разлагаются при нагревании до 300—j 400 "С (рис. 70). Горючесть органических веществ обусловливает их использование в виде топлива и горючего (уголь, древе сина, керосин, бензин и др.). Для проведения реакции между неорга ническими веществами ты обычно исполь' зовал их водные растворы. Но органичес кие вещества преимущественно нерастворимы в воде. Для выведения с ткани пятен органического происхождения, например жирных, необходимы специальные органические растворители, а не вода. Изучая химические свойства неорганических веществ, ты наблюдал образование осадка, газа, изменение окраски. Причём' эффект проявлялся сразу же после смеши^ вания веществ, то есть реакции протекали быстро, практически мгновенно. Органи ческие вещества реагируют между собой обычно медленно. Реакции могут протер кать в нескольких направлениях, с образованием различных побочных продуктов! В уравнениях реакций органических соединений записывают только основные продукты, поэтому вместо знака равен^ ства принято ставить стрелку. Несмотря на существенные различия между органическими и неорганически ми веществами, разделение их на эти две группы условно. Ведь образование и реак ции органических и неорганических ве ществ протекают в соответствии с теми же законами. Среди органических веществ' есть растворимые в воде соединения электролиты (например, соли органичес 124 ких кислот), термостойкие (например, тефлон применяют как жаростойкое покрытие посуды). Органические и неорганические вещества объединяет способность к взаимному превращению. Вспомни круговорот веществ в природе (рис. 71). Из неорганических веществ углекислого газа и воды п растениях синтезируется органическое вещество глюкоза. В виде корма она используется животными как источник внергии, но при этом снова превращается в углекислый газ и воду. Так же можно наблюдать превращения соединений пзота, кислорода, водорода, фосфора. Органические и неорганические вещества обладают способностью к взаимопревращению Ассимиляция растениями 1\ Оксид углерода(1У) в атмосфере Дыхание растений Дыхание I животных *il * it- л (“fS Hi л Отходы j Корневое i дыхание j Отмершие т организмы Разложение Рис. 71. Круговорот углерода 125 •i г^яагвг fl'ifiMk: «mb' ■ ВЫВОДЫ Органическая химия изучает соединения углерода. Органические соединения широко распространены: из них произво^ дят пиш;евые продукты, ткани, лекарства, бумагу, горючее и много^ другое. Органические вещества — это основа растительных и животных ор* ганизмов. Атомы углерода в органических соединениях могут образовывать мо>_ лекулы разнообразной формы. Характерные признаки органических соединений: преобладание ко* валентных связей между атомами, молекулярные кристаллические] решётки, горючесть, плохая растворимость в воде. Разделение на ор* ганические и неорганические вещества — условно. Задания для самоконтроля к;ой элемент составляет основу органических соединений? ,к ты полагаешь, почему количество органических веществ значительно ревышает количество неорганических веществ? i чём отличие между органическими и неорганическими веществами? Объясни условность термина «органическая химия». Рассмотри окружающие тебя предметы. Какие из них изготовлены из материалов на основе органических веществ? Дополнительные задания . Составь сравнительную таблицу неорганических и органических веществ по признакам, рассмотренным в тексте параграфа. Дополни рис. 71 известными тебе примерами круговорота углерода. 126 § 20. МЕТАН /кС)1? необходимо чш1ь молекулярную и структурную формулы, применение метана; физические и химические свойства метана: Vmphj .юъяснить строение атома углерода в основном и возбуждённом состояниях, образование химических связей в молекуле метана; ум1 чь составлять уравнение химических реакций метана: понимать значение понятии: полное и частичное окисление. Состав и строение молекулы. Простейшим органическим соединением, в составе которого только один атом углерода и четыре атома водорода, является метан, его молекулярная формула СН4. Для понимания электронного строения молекулы метана вспомни электронное строение атома углерода. Его электронная формула ls^2s^2p^. В основном состоянии во внешнем электронном слое атома размещаются 4 электрона: два S- и два р-электрона, а одна р-орбиталь остаётся свободной (рис. 72). При образовании соединения атом углерода переходит в возбуждённое состояние, а один s-электрон перемещается МП свободную р-орбиталь (рис. 73). Таким образом в атоме углерода во внешнем слое содержатся четыре неспаренных влектрона, благодаря которым образуются четыре связи с другими атомами, то •сть углерод проявляет валентность четыре. Атомы водорода имеют по одному •лектрону и являются одновалентными. аС п = 2 S t t А Рис. 72. Основное состояние атома углерода аС* п = 2 s t t t t Рис. 73. Возбуждённое состояние атома углерода 127 Отдавая четыре электрона, атом углеро! да образует четыре ковалентных связи о] четырьмя атомами водорода. Обозначив валентные электроны то^ ками, получим электронную фopмyлyJ метана: Н Н:С:Н Н Заменим точки, обозначающие элекЗ тронные пары, чёрточками (связями) получаем структурную формулу метана:] Н Л = Б = С = £>= 109,5“ Рис. 74. Тетраэдрическое строение молекулы метана Н—С—н I н Структурные 4х)рмулы, которыми обьщ^ но пользуются в органической химий! являются плоскостными схемами моле кул, отображающими лишь последова* тельность размещения атомов в моле кулах. Реальное их строение отличается от схематичного изображения, посколь ку атомы размещаются в трёхмерном пространстве. Доказано, что молекула метана имеет форму правильной триго' нальной пирамиды (тетраэдра). Еслй атом углерода вписать в эту геометричес кую фигуру, то четыре валентных связи будут направлены под углом 109,5° к вер' шинам тетраэдра, где размещаются ато мы водорода (рис. 74). Тетраэдрическое направление связей даёт возможность валентным электронам находиться на максимальном расстоянии один от другого. Такое строение молекулы обусловлено электронным строением 128 птома углерода и подтверждается физико-химическими исследованиями. Реальное строение молекул можно представить, используя модели. Для конструирования моделей атомы углерода и иодорода изготавливают в виде шариков, п химические связи — в виде стержней, поэтому такие модели называют шаростержневыми (рис. 75). Используют также масштабные модели, в которых размеры атомов и связей передаются точнее, пропорционально реальным размерам молекул (рис. 76). Физические свойства и распространение в природе. При нормальных условиях метан — газ, бесцветный, без запаха, почти в два раза легче воздуха. В воде почти не растворяется, но хорошо растворим в органических растворителях. Природный газ, поступающий в газо-пую магистраль, на 98 % состоит из метана и имеет, как ты уже знаешь, неприятный запах. Это объясняется добавлением специальных веществ с характерным запахом. • Как ты думаешь, с какой целью это делают? Как основной компонент природного газа метан образовался в недрах Земли. По мнению учёных, это происходило в результате высокотемпературных реакций. В природе метан образуется в процессе гниения растительных остатков без доступа воздуха. На болотах он проявляется в виде пузырьков (болотный газ) на поверхности воды (рис. 77). В угольных шахтах может скапливаться рудничный газ — это также метан. Рис. 75. Метан: шаростержневая модель молекулы Рис. 76. Метан: масштабная модель молекулы Рис. 77. Образование метана в заболоченном водоёме I ‘Химия’, 9кл. 129 Рис. 78. Горение метана в газовой конфорке кухонной плиты Метан есть не только на Земле. Он преобладает в атмосфере планет Юпитер и) Сатурн. Химические свойства Реакции окисления. Одно из важней ших химических свойств метана извест' но тебе из повседневной жизни — это реакция горения. Реакция протекает при сгорании природного газа, поступающе го по газопроводам. В процессе сгора ния метана, как и других органических веществ, образуются вода и углекислый газ: СН4 + 20г -> СО2 + 2НгО. Продукты реакции можно обнаружить опытным путём. Опыт. Метан, собранный в цилиндре, надо поджечь или опустить газоотводя- щую трубку с пламенем метана в стеклян-| ный цилиндр. Через некоторое время на стенках цилиндра образуется роса. Добавим в цилиндр известковой воды; стекая по стенкам цилиндра, она становится мутной. Следовательно, при горейии метана выделяются вода и углекислый газ. Эти продукты образовались из углерода и водорода, которые есть в составе мета-, на. Опыт подтверждает качественный состав данного соединения. • Вспомни, как протекает реакция углекислого ^ газа с известковой водой. Составь химическое | уравнение. Почему известковая вода стано-i вится мутной? I t Кроме продуктов окисления выделяется также большое количество теплоты (рис. 78). Термохимическое уравнение реакции горения метана записывают так: 130 СН4 + 20г СО2 + 2НгО; АН = -890 кДж/моль. • Вспомни, как называются реакции, протекающие с выделением теплоты. С химической точки зрения, горение метана — это реакция полного окисления. При недостатке кислорода метан окисляется не полностью — протекает реакция частичного окисления, и вместо оксида углерода(1У) образуются углерод (в виде сажи) и оксид углерода(П). Это очень токсичное вещество без запаха и цвета. Важно знать, что при неполном окислении метана в бытовых газовых приборах его пламя приобретает жёлтую окраску, поскольку частицы углерода раскаляются. • Вспомни из курса биологии, что происходит в организме при воздействии угарного газа. Как уберечься от отравления? Метан образует взрывоопасные смеси с кислородом и воздухом. Взрыв может произойти даже от искры, если концентрация метана достигает критической. Поэтому необходимо соблюдать правила безопасности, регулярно проветривать помещение, где установлены газовые нагревательные приборы. В обычных условиях метан не взаимодействует с окислителями, например с перманганатом калия КМПО4. Опыт. Пропустим метан через раствор перманганата калия. Фиолетовая окраска раствора не исчезает, реакция не протекает. Кроме того, на метан не действуют кислоты и щёлочи. Реакция разложения. При нагревании метана до высокой температуры (свыше Горение — это реакция полного окисления Жёлтое пламя газовой горелки — показатель неполного сгорания метана и образования токсичных веществ Метан — взрывоопасное соединение Метан не взаимодействует с окислителями 131 1000 "С) без доступа кислорода протекает реакция разложения с образованием углерода и водорода: СН4 ^ С + 2Нг Реакция замещения. Метан вступает в реакцию с хлором С1г. При освещении стеклянной колбы со смесью этих двух газов ультрафиолетовыми лучами или при нагревании протекает реакция хлорирования метана: Н Н Освещение н—c4-H + 'ci^ci------►н- -С—С1 + НС1 н н Хлорметан При рассеянном солнечном свете реакция протекает медленно, можно наблюдать постепенное исчезновение жёлто-зелёной окраски хлора, который используется на взаимодействие с метаном. По химическому характеру — это реакция замещения. Она не прекращается на первой стадии, а протекает до полного замещения всех атомов водорода: * Н I Н—С—С1 -Ь С1—С1 I н н I Н—с—С1 Ч- С1—С1 I С1 н I -►Н—с—Cl-f НС1 Cl Дихлорметан Cl I -► Н—с—Cl + HCl Cl Трихлорметан 132 Cl Cl H—C—Cl + Cl—CL I Cl Cl—C—Cl + HCl Cl Тетрахлорметан • Напиши уравнения приведённых выше реакций, используя молекулярные формулы. Суммарное уравнение полного хлорирования метана: СН4 + 4С1г CCI4 + 4НС1. На практике образуется смесь одно-, двух-, трёх-, четырёхзамещённых соединений, так называемых хлорпроизвод-ных метана. Итак, сделаем выводы о химической активности метана. Для того чтобы он прореагировал, его необходимо нагреть до высокой температуры или поджечь, использовать такой активный реагент, как хлор. Следовательно, метан — достаточно инертное соединение. Для него характерны реакции замещения, он не вступает в реакции присоединения. Применение метана. Хотя состав метана как основного компонента болотного и рудничного газов был определён в начале XIX в., широко использовать его начали лишь спустя столетие. Благодаря теплоте, выделяющейся при сгорании метана, он применяется во многих промышленных процессах и как относительно дешёвое топливо для бытовых потребностей. Метан — основной компонент биогаза, который образуется при разложении бытовых и сельскохозяйственных органи- Для метана характерны реакции замещения В обычных условиях метан — инертное соединение 133 Рис. 80. Тетрахлорметан — средство для гашения огня ческих отходов. Биогаз можно использовать для отопления помещений, это сэкономит природный газ, запасы которого ограниченны. Одновременно решается проблема утилизации отходов органического происхождения. Широко применяются продукты химических превращений метана: углерод (сажа) — для производства резины, типографской краски; водород — в синтезе аммиака; хлорметан CH3CI — в органическом синтезе; дихлорметан CH2CI2, три-хлорметан CHCI3 — как растворители; трихлорметан (другое название — хлороформ) CHCI3 продолжительное время использовался в медицине как обезболивающее при хирургических операциях; тетрахлорметан CCI4 — для гашения огня (рис. 80). Продукты термического разложения и неполного окисления метана являются исходными для производства пластмасс, используются в органическом синтезе. ВЫВОДЫ Метан — простейшее органическое соединение. В молекуле метана, как и в других органических соединениях, атом углерода — четырёхвалентный, то есть образует четыре ковалентных связи. Молекула метана имеет тетраэдрическое строение. Метан — химически устойчивое соединение в стандартных условиях. В специальных условиях он вступает в реакции окисления и замещения. Метан горит с образованием углекислого газа и воды. Метан — основной компонент природного газа. Метан используют как топливо, а продукты его химической переработки — в различных отраслях хозяйства. 134 Задания для самоконтроля 1. Что означает чёрточка в структурной формуле органического вещества? 2. Как на опыте можно доказать химический состав метана? 3. Какой тип связей между атомами в молекуле метана? 4. Объясни пространственное строение молекулы метана. 5. Благодаря какому свойству метана его можно наблюдать в виде пузырьков на поверхности заболоченных водоёмов? 6. В какие реакции вступает метан? Напиши уравнения, определи типы реакций. 7. Отметь вещества, образующиеся при неполном сгорании метана. Аоксидуглерода(1\/) и вода; Б углерод и водород: В оксид углерода(М) и углерод: Г оксид углерода(М) и водород. 8. Назови хлорпроизводные соединения метана. 9. Объясни, исходя из уравнения реакции горения метана, почему его используют как топливо. Дополнительные задания 10. Метан содержит 5 % (по объёму) негорючих примесей. Для получения 2 670 кДж теплоты его необходимо сжечь (н. у.) А 67,2 л: В 22,4 л: Б 70,6 л: Г 11,2 л. 11. Метан можно синтезировать из простых веществ. Составь уравнение реакции. 12. Имеет ли предыдущая реакция практическое значение: теоретическое? Кратко объясни. 13. Аргументируй химическими свойствами метана сферы его применения. Составь уравнения реакций. 14. Сравни реакции замещения в органической (метан с хлором) и неорганической (металл с кислотой) химии. Какие различия ты обнаружил? 15. Сформулируй правила безопасного обращения с метаном в быту. 16. Что тебе известно об использовании биогаза? Подготовь сообщение об этом. 135 СгНв а Н-^ нн Н:С:С:Н НН б н н / Q 0,164 нм -С- н / н Н Рис. 81. Этан; а — молекулярная формула; б — электронная формула; в — геометрия молекулы; г — шаростержневая модель молекулы; д — масштабная модель молекулы § 21. гомологи МЕТАНА Тебе необходимо знать: молекулярные и структурные формулы, названия десяти гомологов метана, их общую формулу: понимать сущность понятий: насыщенные углеводороды, парафины, гомологи, гомологический ряд: уметь: объяснять пространственное строение углеродной цепи насыщенных углеводородов: составлять уравнения химических реакций гомологов метана, объяснять их применение: сравнивать: физические свойства гомологов метана. Состав и строение молекул. Ты уже знаешь, что атомы углерода обладают способностью соединяться между собой, образуя цепи. Если два атома углерода соединяются ковалентной связью, отдавая по одному электрону, то у каждого из атомов остаются по три электрона, которые могут образовать общие электронные пары с тремя атомами водорода. Химический состав такого соединения СгНв. Его электронная и структурная формулы: НН н н Н:С:С:Н НН Н—С—С—н н н Это соединение — этан (рис. 81). Запишем электронную формулу соединения углерода с водородом, которая включает три последовательно соединённых атома углерода, при этом помним, что углерод четырёх-, а водород — одновалентный: 136 ннн Н:С:С:С:Н ННН Н Н I I н-с-с- н I с-н ннн Молекулярная формула пропана (именно так называют это соединение) — СзНв. Данные соединения содержат лишь атомы углерода и водорода, которые полностью использовали свои валентности, то есть валентности атомов углерода полностью насыщены атомами водорода. Такие соединения называют насыщенными (предельными) углеводородами. К ним относится и метан. В таблице 6 приведены характеристики насыщенных углеводородов по возрастанию числа атомов углерода в молекулах. Названия первых четырёх соединений этого ряда сложились исторически, а начиная с пентана, образуются от греческих или латинских числительных с добавлением суффикса -ан. Таблица 6. Насыщенные углеводороды Структурные формулы можно записать в упрощённом виде. Например, для этана СНз—СНз, пропана СНз—СНг—СНз Название соединения Молекулярная формула Структурная формула (сокращённая) ^к«п» с Метан СН4 -162 Этан СзНе СНз-СНз -89 Пропан СзНв СНз—СНз—СНз -42 Бутан С4Ню СНз-(СН2)2-СНз -0,5 Пентан С5Н13 СНз-(СН2)з-СНз 36 Гексан СбНи СНз-(СН2)4- СНз 69 Гептан C7Hie СНз-(СН05- СНз 98 Октан CsHjs СНз-(СНз)в- СНз 126 Нонан С9Н20 СНз-(СНз)7-СНз 151 Декан С10Н22 СНз-(СН2)з- СНз 174 137 ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 13 Изготовление моделей молекул углеводородов Модели молекул можно собрать из деталей стандартного набора заводского производства или изготовить самостоятельно из пластилина и спичек. Тебе понадобится пластилин двух цветов. Изготовь 5 шариков одного цвета большего диаметра (атомы углерода) и 12 шариков другого цвета и меньшего диаметра (атомы водорода). Чтобы собрать модель молекулы метана, к одному шарику большего диаметра присоедини, используя спички (химические связи), шарики меньшего диаметра. Соблюдай тетраэдрическое направление химических связей, то есть под углом 109,5° одна к другой. Для изготовления моделей молекул гомологов метана последовательно соедини шарики большего диаметра и соответствующее количество шариков меньшего диаметра. Следи, чтобы атомы углерода были четырёхвалентные! Соединяя атомы углерода с соблюдением тетраэдрического направления химических связей, обрати внимание, что цепь атомов может приобретать различную форму (рис. 82). В молекулах насыщенных углеводородов вокруг углерод-углеродных связей при нормальных условиях возможно свободное вращение. В результате молекула может приобретать другие формы-, как можно убедиться на опыте с моделями молекул. Зигзагообразное строение углеродной цепи — энергетически наиболее выгодное, поскольку атомы в этом случае максимально удалены один от другого (рис. 82). Помни; какую форму не имела бы углеродная цепь, последовательность соединения атомов в молекуле остаётся во всех случаях одинаковой и выражается структурной формулой. Не изменяются также углы между атомами углерода (109,5°) и длина связей. Между атомами углерода она составляет 0,154 нм (рис. 81). 138 Рис. 82. Модели пространствен ных форм молекулы пентана Физические свойства. Агрегатное состояние веществ ряда, который начинается метаном, изменяется (при нормальных условиях) постепенно от газообразного до твёрдого с увеличением количества атомов углерода в молекуле. Согласно константам (таблица 6) первые четыре вещества при нормальных условиях — это газы, далее идут жидкости, а начиная с углеводорода состава CigHas (в таблице не приводится) — твёрдые вещества. Насыщенные углеводороды не растворяются в воде, но растворимы в органических растворителях. Соединения состава С5—С17 имеют характерный «бензиновый» запах. Пропан и бутан легко сжижаются при повышенном давлении. Смесь этих газов (баллонный газ) используется как топливо для бытовых потребностей. Основной природный источник насыщенных углеводородов — нефть. Химические свойства. По химическим свойствам эти углеводороды похожи на метан: горят, разлагаются при нагревании, вступают в реакции замещения с хлором, не вступают в реакции присоединения: СзНв -Ь 50г ЗСО2 "Ь 4НгО Пропан СгНб ^ 2С + ЗН2 Этан осветление СНз—СНз -ь CI2-Этан -►СНз—CH2CI + НС1 Хлорэтан Насыщенные углеводороды — основа химического состава нефти Насыщенные углеводороды вступают в реакции горения, разложения, замещения • Сравни эти реакции с реакциями метана. Все эти реакции протекают при определённых дополнительных условиях: на- 139 Термин парафины происходит от лат. parum — мало и affinis — родственный, сродство гревание до температуры разложения или возгорания, наличие света. При стандартных условиях насыщенные углеводороды относительно инертные, не реагируют с кислотами, щелочами, не окисляются таким сильным окислителем, как перманганат калия. В этом можно убедиться на опыте, воздействуя на различные насыщенные углеводороды растворами указанных веществ. Именно химической устойчивостью насыщенных углеводородов, относительной инертностью объясняется их другое название — парафины. Итак, насыщенные углеводороды, или парафины, имеют подобные свойства, но отличаются количественным составом молекул. Внимательно рассмотри таблицу 6. Это отличие выражается количеством групп СНг: СНз~ СНз Этан СНз—СНг— СНз Пропан СНз—СНг— СНг— СНз Бутан Соединения, которые имеют подобное строение молекул, подобные хими-| ческие свойства и различаются между собой по составу на одну или несколько групп СНг, называются гомологами, а ряд таких соединений — гомологическим рядом (от греч. ofioXoyia — соответствие). Группа СНг — гомологическая f разность состава. Рис. 83. Газозаправочная станция Явление гомологии характерно для органических веществ. Рассмотренные нами метан, этан, пропан, бутан и другие углеводороды относятся к гомологическому ряду метана. 140 Общая формула парафинов С^^Нг^+г. Зная её, можно вывести формулу каждого из этих соединений. Например, формула насыщенного углеводорода, который содержит 15 атомов углерода, С15Н32 (пентадекан). Применение. Как и метан (см. с. 135), его гомологи широко применяют в разных отраслях. Пропан и бутан — газы, которые легко сжижаются. Этим обусловлено их использование в виде сжиженного баллонного газа в быту, на транспорте и т. д. (рис. 83, 84). С точки зрения экологии, этот вид горючего наиболее приемлем для окружающей среды. Как и метан, его гомологи являются сырьём для многих органических веществ, из которых, в свою очередь, получают другие соединения. Гомологи метана состава С5—Сц — основа горючего для автомобильных двигателей (рис. 85). Парафин — это смесь твёрдых углеводородов с числом атомов углерода в молекуле от 18 до 35. Его используют в медицине, в производстве моющих средств, пластмасс, свечей, жевательной резинки и др. Медицинское применение имеет озокерит, или горный воск, — ископаемое вещество нефтяного происхождения, смесь углеводородов, смол, минеральных веществ. Рис. 84. Зажигалка работает на сжиженном газе Рис. 85. Бензозаправочная станция aKUi'O »»градин—114 Ш*11)ОДЫ Гомологи метана относятся к группе насыщенных углеводородов, или парафинов. Общая формула насыщенных углеводородов С„Нг„+2. Молекулы парафинов имеют зигзагообразное строение углеродной цепи. 141 Температуры плавления и кипения парафинов возрастают с увеличе* нием их молекулярных масс. В природе насыщенные углеводороды содержатся в нефти. Парафины — обычно химически инертны, но при определённых условиях вступают в реакции окисления, разложения, замещения. Парафины горят с образованием углекислого газа и воды. Парафины используют в разных отраслях: как топливо, сырьё для синтеза других веществ, в медицине и т. д. i Задания для самоконтроля Какие соединения называют насыщенными углеводородами? Приведи общую формулу гомологов метана. Составь молекулярную, структурную (сокращённую) формулы гомолога метана, содержащего 12 атомов углерода. Как называется насыщенный углеводород с относительной молекулярной массой 114; 72? Определи структурную формулу, соответствующую гексану. А СНз—СНг—СНг-СНг-СНг-СНз Н Н Н Н Н Н I I I I I I н-с-с-с-с-с-с-н I I I I I I н н н н н н в н—с с—н н—i (!)—н Н'" V"h н н 6. Определи структурную формулу, которая наиболее соответствует реальному размещению атомов в пространстве. Н Н Н Н Б Н ММ н-с-с-с-с-н ММ н н н н н-с- н I -с-н I н-с—н н-с-н в н н н I н I н—с I с I. I Н I н н н н н СНз—СНз—СНг—СНз 142 7. Можно ли водой смыть нефтяное пятно с ткани? Почему? 8. Объясни, существует ли зависимость между агрегатным состоянием гомологов метана и их относительной молекулярной массой. 9. Назови подобные и отличительные признаки гомологов. 10. Правильно ли, с позиций химии, другое название насыщенных углеводородов — парафины? Докажи это. 11. Какие химические реакции характерны для насыщенных углеводородов? Приведи примеры химических уравнений. 12. Парафин для свечей состоит преимущественно из углеводорода, в молекуле которого 25 атомов углерода. Составь молекулярную формулу соединения и уравнение реакции его горения. 13. Назови вещество, с которым реагирует этан: А серная кислота; В кислород, Б водород: Г щёлочь. Дополнительные задания 14. Нарисуй график изменения температуры кипения гомологов метана. Продолжи график пунктиром. Какой может быть температура кипения для соединения состава С14Н30? 15. Пользуясь справочником, найди закономерность в изменении плотности в ряду гомологов метана. 16. Проанализируй данные таблицы 7. Каким образом теплота сгорания связана с составом молекул парафинов? Таблица 7. Теплота сгорания углеводородов Название Формула Теплота сгорания, кДж/моль Метан СНд 890 Этан СгНе 1560 Пропан СзНв 2220 Бутан С4Н10 2878 Пентан С,И,г 3536 Гексан СбН,4 4141 Гептан С7Н,е 4817 Октан CeHie 5474 17. Как ты думаешь, почему в бытовых газовых баллонах используют пропан-бу-тановую смесь, а не метан? 143 18. По данным таблицы 7 и зная, что теплота сгорания угля (в перерасчёте на чистый углерод) составляет 394 кДж/моль, объясни, какой продукт — метан или уголь — целесообразнее (по массе) использовать как топливо в бьту. Каковы преимущества и недостатки каждого вида топлива? § 22. ЭТИЛЕН И АЦЕТИЛЕН Этилен и ацетилен — ненасыщенные углеводороды Согласно правилам, принятым международным научным сообществом, в научной литературе используют соответственно названия этен и этин. Тебе необходимо знать: молекулярные и структурные формулы этилена и ацетилена; понимать: сущность понятий «ненасыщенные углеводороды», «реакция гидрирования»; уметь: составлять уравнения химических реакций этилена и ацетилена, доказывать наличие кратных связей в молекулах; объяснять применение этилена и ацетилена; сравнивать: реакции присоединения для этилена и ацетилена. Состав и строение молекул. Существуют углеводороды, в которых содержание водорода будто меньше, чем это необходимо для насыщения четырёхвалентного углерода. Например, в соединении состава С2Н4 не хватает двух атомов водорода, а в соединении состава С2Н2 — четырёх атомов водорода. Именно эта ненасыщен-ность объясняет название группы соединений — ненасыщенные (непредельные) углеводороды. Обратимся к химическому строению данных веществ. Особенность состоит в том, что атомы углерода в этих соединениях связаны между собой двойными или тройными связями. В молекуле этилена С2Н4 атомы углерода, связываясь между собой, используют 144 не по одному электрону, как в молекуле этана СгНе, а по два, и образуют две общие электронные пары, то есть две ковалентные связи. По два валентных электрона, оставшихся у атомов углерода, используются для связей с атомами водорода. Электронная и структурная формулы этилена: н н н н Н:С::С:Н I I Н Н Н-С=С-Н Валентные углы в молекуле этилена — 120°, длина углерод-углеродной связи — 0,134 нм (рис. 86). В молекуле ацетилена С2Н2 атомы углерода используют для связи между собой по три электрона, образуя три общих электронных пары, то есть тройную связь. Каждый атом углерода отдаёт по одному электрону из оставшихся для образования связи с атомом водорода. Электронная формула ацетилена Н:С:‘:С:Н, структурная формула ацетилена Н—С=С—Н. Валентные углы в молекуле ацетилена — 180°, длина углерод-углеродной связи — 0,120 нм (рис. 87). Двойные и тройные связи называют кратными, в отличие от ординарных (обычных, простых) у насыщенных углеводородов. Физические свойства этилена и ацетилена. Этилен — бесцветный газ, почти без запаха, мало растворим в воде, немного легче воздуха. Ацетилен также бесцветный газ, со слабым фруктовым запахом, почти не растворим в воде, немного легче воздуха. С2Н4 а 120“ н н Н:С::С:Н н ii б н н 4^0,134 км с=с \ 1“ н Рис. 86. Этилен: а — молекулярная формула; б — электронная формула; в — геометрия молекулы; г — шаростержневая модель молекулы; д — масштабная модель молекулы С2Н2 а Н:С|!С:Н б 0,120 нм н—с=с—н 180“ от Рис. 87. Ацетилен: а — молекулярная формула; б — электронная формула; в — геометрия молекулы; г — шаростержневая модель молекулы; д — масштабная модель молекулы 145 С2Н5ОН (этиловый спирт) H2S04 Рис. 88. Получение этилена в лаборатории В природе ацетилен не встречается в свободном состоянии в виду высокой активности молекул. Выделяется при некоторых процессах обмена в тканях растительных и животных организмов. Этилен образуется при переработке нефти, получают его синтезом, в частности из неорганических веществ. Химические свойства этилена и ацетилена. Реакции окисления. Как и другие углеводороды, этилен и ацетилен горят, то есть полностью окисляются, с образованием оксида углерода(1У) и воды и выделением теплоты: СН2=СНг -Ь ЗО2 ^ 2СО2 + 2Н2О, АЯ< 0; 2СН=СН-Ь 502->4002 + 2НгО, АЯ<0. Опыт 1. Получим этилен, используя прибор, изображённый на рис. 88. Подожжём газ возле конца газоотводной трубки, — наблюдается свечение пламени. Вспомни, что метан горит почти бесцветным пламенем. Объяснить это различие можно исходя из состава молекул метана и этилена. Массовая доля углерода в метане составляет 75 %, а в этилене — 86 %. Следовательно, этилен при разложении в пламени образует по сравнению с метаном больше частиц углерода, они накаляются, что и обусловливает свечение. В верхней части пламени частицы сгорают до углекислого газа. Можно предположить, что ацетилен будет гореть ещё ярче, поскольку массовая доля углерода в его молекуле 92 %. Убедимся в этом на опыте. 146 Опыт 2. Получим ацетилен в приборе, изображённом на рис. 89. Подожжём газ, который выделяется, и убедимся, что ацетилен горит коптящим пламенем. Для полного сгорания ацетилена, например при ацетиленовой сварке металлов, в пламя дополнительно подают воздух или кислород. Ненасыщенный характер углерод-уг-леродных связей обусловливает характерные химические свойства этилена и ацетилена. Выясняя химическую активность метана, мы проводили опыт с раствором перманганата калия: его окраска не изменилась. Ненасыщенные углеводы этилен и ацетилен проявляют значительную активность в этой реакции. Опыт 3. Пропустим этилен или ацетилен в пробирку с раствором перманганата калия. Фиолетовая окраска раствора исчезает, что подтверждает протекание химической реакции. Этилен и ацетилен вступают в реакцию частичного окисления под воздействием такого окислителя, как перманганат калия. В результате образуются продукты сложного строения, поэтому мы не записываем уравнение реакции. Она характерна для всех ненасыщенных соединений и используется как качественная реакция для обнаружения кратной связи в молекуле. Реакция присоединения. Если для насыщенных углеводородов характерна реакция замещения, то для ненасыщенных — реакция присоединения. В присутствии катализатора (платины, нике- t: Н2О СаСг Рис. 89. Получение ацетилена в лаборатории По сравнению с метаном этилен и ацетилен проявляют значительную химическую активность Молекулы ненасыщенных углеводородов имеют кратные связи между атомами углерода 147 Для этилена и ацетилена характерна реакция присоединения по кратной связи Гидрированием ненасыщенные углеводороды превращают в насыщенные ля) по месту кратной связи может присоединяться водород: СН2=СНг + Нг Этилен [кат] ^ СНз—СНз Этан СН^СН -Ь 2Ha СНз- -СНз Ацетилен Этан Поскольку ацетилен менее насыщенный, то последнюю реакцию можно рассматривать как двухстадийную: сначала образуется этилен, потом — этан: Нг, [кат] На, [кат] СН=СН —....» СНз Ацетилен СНз Этилен СНз-СНз Этан Реакцию присоединения атомов водорода называют реакцией гидрирования. Опыт. Пропустим газ этилен или ацетилен в колбу с бромной водой. Вскоре наблюдае.м её обесцвечивание, то есть происходит присоединение молекул брома по кратным связям молекул этилена и ацетилена. В случае с ацетиленом присоединяются две молекулы брома. (Почему?) Вг Вг СНз—СНз + Вгз I I . СНз-СНз Вг Вг СН^СН -Ь 2Вгз ^ СН—СН I I Вг Вг Реакция с бромной водой также используется д.пя обнаружения в молекуле кратной связи. Итак, ацетилен и этилен — это вещества с высокой химической активностью. 148 Как для ненасыщенных соединений для них характерны реакции присоединения. Разный состав молекул и разная кратность углерод-углеродных связей обусловливают различия в протекании этих реакций для этилена и ацетилена. Применение этилена и ацетилена. Этилен и ацетилен — это многотоннажные промышленные продукты. Они образуются в процессе переработки углеводородов, содержащихся в нефти. Из этилена получают многие ценные продукты. Это, прежде всего, полиэтилен, его используют в производстве пластмассы. Из этилена получают также этиловый спирт, он нашёл применение в производстве ценных органических продуктов. Продукт присоединения хлора к этилену — дихлорэтан — растворитель и средство для уничтожения вредителей сельскохозяйственных культур. А продукт присоединения хлороводорода — хлорэтан — анестезирующее вещество. • Напиши структурные формулы хлорэтана и дихлорэтана, учитывая, что атомы хлора размещаются возле разных атомов углерода. Фрукты и овощи выделяют этилен в процессе созревания. Ты, наверное, заметил, если зелёные помидоры положить в пакет вместе с красными, то вскоре они также покраснеют. Это происходит под воздействием этилена, его выделяют спелые помидоры. Поэтому этилен используют для ускорения созревания овощей и фруктов. Некоторые соединения обладают способностью разлагаться с образованием этилена. Если такое соединение внести в растение в период созревания Этилен и ацетилен — химически активные соединения Этилен и ацетилен — ценное химическое сырьё Нефтепродукты — это источник получения этилена и ацетилена 149 Рис. 90. Ацетиленовая горелка плодов, то этот процесс можно ускорить благодаря выделению этилена. С открытием способа получения ацетилена из карбида кальция в конце XIX в. его начали использовать для освещения. Впрочем, эта сфера применения не получила развития, поскольку взрывы смеси ацетилена с воздухом нередко приводили к несчастным случаям. Благодаря высокой теплотворной способности ацетилен используется для газосварки металлов. Ацетилен-кислород-ное пламя имеет температуру 2800 °С и легко плавит сталь (рис. 90). Ацетилен — исходный продукт для производства пластмасс и синтетического каучука, сырьё для синтеза уксусной кислоты. ВЫВОДЫ Этилен и ацетилен — ненасыщенные углеводороды. В молекуле этилена атомы углерода соединяются двойной, а в молекуле ацетилена — тройной связью. Химическая активность этилена и ацетилена обусловлена ненасыщенным характером химических связей. Этилен и ацетилен горят светящимся пламенем, окисляются активными окислителями, вступают в реакции присоединения. Используя реакцию гидрирования, ненасыщенные углеводороды можно преобразовать в насыщенные. Этилен используют для производства пластмассы, других органических веществ и материалов. Из ацетилена синтезируют ценные органические вещества, используют при сварочных работах. 150 Задания для самоконтроля 1 .Чем отличаются этилен и ацетилен по составу? 2. Почему метан горит почти бесцветным пламенем, а ацетилен — светящимся, ярким? 3. Какая химическая особенность ненасыщенных углеводородов наиболее характерна? 4. Объясни, чем отличаются реакции присоединения к этилену и ацетилену. 5. Запиши уравнения двух стадий реакции ацетилена с бромом. 6. Существуют ли в природе в свободном состоянии этилен и ацетилен? Аргументируй ответ. 7. Как можно химическим способом обнаружить ненасыщенное соединение? 8. Ацетилен образует взрывчатые смеси с воздухом. Реагенты взаимодействуют полностью при условии объёмного соотнощения кислорода и ацетилена: А 1:2; В 5:1; Б 5:2; Г 1:20. 9. Установи соответствие между реагентами и продуктами реакций. 1 СНг=СНг+Нг^ 'А СОг+НгО; Б СНз-СНз; В СНВГг-СНВГг: Г CH3CI + HCI; Д CH3-CH2CI. Дополнительные задания 10. Приведи два способа получения хлорэтана. 11. Сравни химическую активность этилена и метана. Сделай вывод. 12. Составь структурную формулу ближайшего гомолога этилена. 13. Составь структурную формулу гомолога ацетилена, содержащего четыре атома углерода. 14. Составь общие формулы гомологов этилена и ацетилена. 2 3 4 СН = СН + 2ВГг-СНг = СНг + Сг-СН4 + С1г-^ 151 § 23. ПОЛИЭТИЛЕН Тебе необходимо знать: общую формулу полиэтилена: понимать: сущность реакции полимеризации; различать: мономер и полимер, полимер и пластмассу: объяснять: свойства и применение полиэтилена. Состав и строение полиэтилена. Молекулы этилена обладают способностью вступать в реакцию соединения между собой, образуя длинные цепи с высокими значениями молекулярных масс. В результате образуется полимер. Процесс последовательного соединения молекул низкомолекулярного вещества с образованием высокомолекулярного называют полимеризацией (от греч. лоХис; — многочисленный и цёрос — часть).______________________ Полиэтилен образуется в результате реакции полимеризации этилена В результате полимеризации этилена образуется полимер этилена полиэтилен: СН2==СН2 + СН2=СН2 + СН2==СН2 —СН2—CHz— + —СН2—СН2— + -Н —СН2—СНг-- СН2—СНг—СН2—СН2—СН2—СН2— ... Или в сокращённом виде: пСН2=СН2 ^ (—СНг—СН2—)„ Этилен Полиэтилен Реакция протекает в условиях высокого давлении и температуры при наличии катализатора. Исходные низкомолекулярные вещества называют мономерами (от греч. цоиод — один). Этилен — мономер в реакции полимеризации. 152 в структуре полимера можно выделить фрагменты, повторяющиеся по всей длине цепи, в полиэтилене это группы -СНг—СНг-. Группы атомов, которые повторяются и составляют основу химического строения полимерной цепи, называют мономерными звеньями. Число п в формуле полимера, показывающее, сколько мономерных звеньев соединяется, называют степенью полимеризации. Мономерное звено I цСНг=СН2 (-СН2-СН2—)„ Мономер Полимер ! Степень полимеризации В массе полимера имеются молекулы длинные и короткие, с высшей и низшей степенями полимеризации, соответственно с большей и меньшей молекулярными массами. Поэтому принято говорить о средней молекулярной массе полимера. Свойства полиэтилена. На ощупь полиэтилен кажется жирным, напоминает твёрдый парафин. Причина — в сходстве состава и строения этих веществ: парафин относится к высшим углеводородам (Ci8—С35), в его структуре, как и в структуре полиэтилена, повторяются группы -СН2-. Полиэтилен — твёрдое вещество белого цвета, но легко окрашивается в различные цвета, не тонет в воде. Плавится в пределах 102—105 °С или 125—137 ”С, в зависимости от способа получения полимера. Процесс плавления полимеров имеет свои особенности. Это обусловлено взаимодействием между молекулами, ко- Рис. 91. Упаковочную пленку из полиэтилена изготовляют выдавливанием расплавленного полимера через кольцеобразное отверстие. В полимерную трубу накачивают воздух 153 Полиэтилен — термопластичный полимер Полиэтилен — химически инертное соединение торые имеют значительную длину и в массе полимера образуют клубки. При нагревании в расплавленное состояние переходят прежде всего менее короткие молекулы, потом — длинные, поэтому у полимеров широкий интервал температур плавления, а не точка плавления, как у низкомолекулярных вепдеств. В расплавленном состоянии полиэтилену можно придать любую форму, которая сохраняется после охлаждения полимера (рис. 91). Эту особенность называют термопластичностью. • Вспомни, что такое пластичность. Полиэтилен — достаточно прочный материал. Плёнку из полиэтилена можно согнуть, смять, но трудно разорвать. Полиэтилен не проводит электрический ток. Устойчив к кислотам, щелочам, бромной воде, раствору перманганата калия, чем похож на насыщенные углеводы, к которым, собственно, и относится по своему строению. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 14 Ознакомление с образцами изделий из полиэтилена Рассмотри образцы полиэтиленовой плёнки, изоляционного покрытия для электропровода, различных емкостей и др. Проверь материал на ощупь, на пластичность и прочность. Кусочек полиэтилена нагрей над пламенем спиртовки, измени его форму, охлади. Повтори опыт. О чём он свидетельствует? Положи кусочки полиэтилена в пробирки с растворами кислоты, щёлочи, перманганата калия. Взаимодействует ли полиэтилен с этими веществами? Сделай вывод о пластических свойствах и химической активности полиэтилена. 154 Применение полиэтилена. Свойства полиэтилена обусловливают его широкое применение (табл. 8). Таблица 8. Свойства и применение полиэтилена Свойства Применение Химическая устойчивость Изготовление: деталей аппаратов для работы в агрессивной среде; тары для хранения химически агрессивных жидкостей; посуды и водопроводных труб, антикоррозийного покрытия Водо- и газонепроницаемость Изготовление упаковочных материалов, плёнки для теплиц Электроизоляционные свойства Изготовление изоляционных материалов для электропроводов Для того чтобы придать полимеру необходимые эксплуатационные свойства, то есть превратить его в пластмассу — материал, из которого можно изготавливать разнообразные изделия, к полимерной массе добавляют специальные вещества. Например, пластификаторы превращают твёрдый полимер в эластичный материал. Чтобы пластическая масса стала пористой, к ней добавляют вещества, при разложении которых выделяются газы; так получают пенопласты. Для повышения термо-, свето- и химической стойкости добавляют стабилизаторы и антиоксиданты, для окрашивания — пигменты, против наэлектризованности — антистатики', в пластмассы вводят также наполнители — кварц, мел, волокна и др., что снижает стоимость материала и улучшает его механические свойства. Благодаря разным добавкам из одного и того же полимера можно производить разные по свойствам материалы, а из них изготовлять разнообразные изделия, например детали конструкций и обувь. Пластмасса = полимер + пластификатор + стабилизатор + антиоксидант + пигмент + антистатик + наполнитель Выясни по толковому словарю значение этих терминов. 155 Рис. 92. Современный спортивный инвентарь, обувь, одежду изготовляют с использованием разнообразных полимерных материалов Рис. 93. Пластмассы относятся к современным материалам и широко применяются в технике, сельском хозяйстве, быту (рис. 92, 93). Это обусловлено свойствами и тем, что их использование экономически очень выгодно. В частности, низкая плотность (лёгкость), химическая стойкость, низкая теплопроводность, возможность окрашивания, высокие оптические свойства, а также возможность изменять свои свойства в широких пределах, меняя структуру полимеров. Значительные преимупдества пластмасс заключаются в технической и технологической простоте изготовления изделий, экономичности методов получения и переработки, низкой энергоёмкости данных процессов, следовательно, — высокой продуктивности производства. Эксплуатационные недостатки пластмасс связаны преимущественно с их низкой термостойкостью, горючестью, хрупкостью. Использование полиэтилена, например, ограничивается его низкой температурой плавления. Полиэтилен может поглощать жиры, смазочные материалы, различные загрязнения, поэтому со временем утрачивает свои свойства. Ты ознакомился только с одним видом пластмасс, а именно — на основе полиэтилена. Промышленность выпускает огромное количество пластмасс на основе других полимеров. Это уже известные тебе полистирол, полихлорвинил, полипропилен, тефлон и др. • С какими преимуществами и недостатками пластмассовых изделий ты сталкивался в процессе их использования? Приведи примеры. 156 выводы Полиэтилен образуется в результате реакции полимеризации. В реакции полимеризации этилен является мономером, а полиэтилен — полимером. При наличии молекул разной длины полимер не имеет постоянных молекулярной массы и температуры плавления. Полиэтилен — термопластичный материал. Полиэтилен обладает химической устойчивостью, водо- и газонепроницаемостью, электроизоляционными свойствами. Для получения пластмассы к полимеру добавляют специальные ве- щества. гживеагг.А'лакп t • Задания для самоконтроля 1. Что такое мономер: полимер? 2. Реакция полимеризации относится к типу А обмена: В присоединения: Б замещения: Г разложения. 3. Обозначь относительную молекулярную массу полиэтилена, если п равно 1000. А14 000: В 56 000: Б 30 000: г 28 000. 4. Полиэтиленовые пакеты изготовляют методом сварки. Какое свойство полиэтилена при этом используется? 5. Чем пластмассы отличаются от собственно полимеров? Благодаря чему из полиэтилена можно производить и плёнку, и посуду? 6. Расскажи об использовании полиэтилена для бытовых потребностей. Дополнительные задания 7. Объясни, почему этилен взаимодействует с бромной водой, а полиэтилен — нет. 8. Обоснуй химическое сходство полиэтилена и высших парафинов. 9. Полимерный материал тефлон (применяют для изготовления посуды с антипригарными свойствами) получают из мономера, формула которого Ср2=Ср2. Запиши общую формулу полимера. 10. Знак А ставят на изделиях, изготовленных из материалов, пригодных 11 для повторной переработки. Какое значение это имеет для охраны окружающей среды? Как ты полагаешь, можно ли ставить такой знак на изделиях из полиэтилена? . Охарактеризуй значение полимеров в технике.______________________ 157 § 24. МЕТАНОЛ И ЭТАНОЛ Формулы спиртов записывают сокращённо; СНз-ОН,або СНзОН Метанол (метиловий спирт) СНз-СНа-ОН, або СзНвОН Этанол (этиловый спирт) Тебе необходимо знать: молекулярную, структурную и электронную формулы этанола и метанола; понимать: сущность понятия «функциональная группа»: отрицательное влияние этанола на организм; уметь: составлять уравнения реакций спиртов, объяснять их применение. Состав и строение молекул. Как уже отмечалось, молекулы органических соединений, кроме атомов углерода и водорода, могут содержать атомы кислорода. Представь, что в молекуле метана один атом водорода замещается гидроксильной группой —ОН. Химическое строение такого соединения — метанола — выражается структурной формулой: Н Н Н—С—Н Н Метан н-с-о-н I н Метанол Замещаем атом водорода в молекуле этана и получаем соединение этанол: Н Н Н Н Н—С—С—Н Н—С—С—О—н н н Этан н н Этанол Эти соединения относятся к классу спиртов. . Поскольку в составе молекул указанных спиртов одна гидроксильная группа. 158 то такие спирты называют одноатомными (рис. 94). Учитывая четырёхвалентность атомов углерода и двухвалентность атомов кислорода, запишем электронные формулы простейших спиртов метанола и этанола: Н НН Н:С:0:Н Н:С:С:0:Н н" нн” Метанол Этанол Атом кислорода как более электроотрицательный оттягивает на себя электронную плотность связи О—Н. В результате такого смещения на атоме водорода образуется частичный положительный заряд, а на атоме кислорода — частичный отрицательный заряд (обозначается греческой буквой б — «дельта*): 6- 5-к СНз-р <- н в таком случае говорят, что связь — поляризованная, молекула — полярная. Полярность спиртов влияет на их физические и химические свойства. Физические свойства метанола и этанола. В стандартных условиях метанол и этанол — жидкости, легче воды, имеют специфический запах; как полярные соединения хорошо растворимы в полярном растворителе — воде. Ткип. метанола равняется 65 "С, этанола — 78 "С. * Вспомни растворимость в воде неполярных насыщенных углеводородов, сравни с растворимостью полярных спиртов. Сделай вывод. Рис. 94. Масштабная модель молекулы метанола Молекулы метанола и этанола полярные 159 Реакции спиртов протекают с разрывом связи C-i-OH I Химические свойства метанола и эта* иола Реакция полного окисления. Спирты, как и все органические соединения, горят. Метанол и этанол мгновенно загораются при поджигании и горят синеватым, почти незаметным пламенем с выделением большого количества теплоты. Происходит реакция полного окисления: 2СНз—ОН + ЗОг----*■ 2СОг + 4НгО; АН = -715 кДж/моль. • Составь уравнение реакции горения этанола. Реакции замеш:ения. Поскольку электронная плотность связи о—Н смеш;ена к атому кислорода, то атом водорода становится более подвижным и легче отщепляется. Под воздействием активных металлов, таких как натрий, калий, магний, алюминий, происходит замещение атома водорода гидроксильной группы атомом металла. Onw/n. В пробирку сэтиловым спиртом кладём кусочки натрия. Сразу же происходит реакция с выделением газа — водорода. • Вспомни, как его можно обнаружить. В результате взаимодействия образуется также эти лат натрия: ОН + 2Na----► 2СНз—СНг—ONa + Hat Этилат натрия Каплю полученного раствора переносим из пробирки на стекло и выпариваем — на стекле образуются кристаллы эти лата натрия. • Напиши уравнение реакции метанола с кали-■ ем. Назови продукт реакции. или -С-0-i-H 2СНа—СНз 160 Реакции спиртов могут протекать и с отщеплением гидроксильной группы. Спирты взаимодействуют с галогеноводо-родами. Например, если сухой хлороводород пропускать через спирт, протекает реакция замещения гидроксильной группы атомом галогена: СНз - CHo-f ОН + Н- -С1 СНз-СНг С1 + НгО Хлорэтан ‘ Напиши уравнение реакции метанола с бро-моводородом. Назови продукт реакции. Итак, ты убедился, что свойства (функции) спиртов определяются наличием гидроксильной группы. Такая группа называется функциональной. Молекулы органических соединений могут иметь одну, несколько разных или одинаковых функциональных групп. Физиологическое действие метанола и этанола. Метанол — оч^нь ядовитая жидкость. Попадание в организм метанола объёмом 10 мл приводит к слепоте, а 25 мл — к смерти. Метанол и этанол — очень похожие жидкости, различают их только химическим способом или по температуре кипения. Случается, что люди по ошибке употребляют метанол вместо этанола, это приводит к тяжёлым последствиям. По действию на организм этанол является наркотиком, который в небольших дозах вызывает опьянение, а в значительных — провоцирует даже смерть. Злоупотребление напитками, содержащими этанол (иначе — алкоголь), приводит к страшному заболеванию — алкоголизму. В особенности алкоголь опасен для молодого организма. Даже небольшие дозы Группу атомов, определяющих характерные химические свойства (функции) вещества, называют функциональной группой Употребление алкоголя очень опасно для молодого организма в "Химия", 9кл. 161 Atr Рис. 95. Подготовка винограда к изготовлению вина в Древнем Египте Рис. 96. Установка для дистилляции спирта сказываются на скорости реакций, спо- и собности сосредоточиться или выполнять умственную работу. Большие дозы алкоголя действуют как яд на все системы человеческого организма. Специфическое изменение настроения после употребления алкоголя, возбуждение крайне обманчивы, так как затем наступает фаза угнетения центральной нервной системы, физическая и психическая затормо-жённость. У молодёжи алкоголизм развивается быстрее, поскольку в неокрепшем организме процессы обмена протекают интенсивнее. Применение метанола и этанола. Впервые метанол, или метиловый спирт, получен в XVII в., а изучен — в первой половине XIX в. Его также называют древесным спиртом по первому из известных методов производства — сухой перегонке древесины. Этиловый спирт, этанол, винный спирт, алкоголь — названия-синонимы одного соединения, которое является осцовой алкогольных напитков и наиболее известным из класса спиртов^ Археологические раскопки подтверждают, что уже древнейшие цивилизации умели изготавливать вино и пиво (рис. 95, 96). Похоже, что алкоголь стал первым соединением, синтезированным человеком. Впервые в литературе упоминается о собственно этиловом спирте как «горючей воде», полученной перегонкой вина, еш;ё в VIII в., а элементный состав этанола был определён в начале XIX в. Метанол и этанол — растворители. Это их свойство используется в органическом 162 синтезе и лабораторной практике. Этанол как растворитель применяется в фармацевтике, медицине (экстрагирование, приготовление настоек и др.), пищевой промышленности (рис. 97). В результате химических превращений из этих спиртов получают вещества, являющиеся исходными для производства пластмасс и каучука. Этанол используется в синтезе уксусной кислоты, а в смеси с бензином — как горючее. Рис. 97. Этанол применяется в фармацевтике как растворитель К одноатомным спиртам относятся соединения, в которых углеводородная группа соединяется с одной функциональной гидроксильной группой. Функциональная группа определяет свойства веществ. Спирты — полярные соединения. Электронная плотность связи С—О смещена к электроотрицательному кислороду. Метанол и этанол горят с выделением большого количества теплоты. По гидроксильной группе спирты вступают в реакции замещения с разрывом связей О—Н и С—ОН. Метанол и этанол используют как растворители в органическом синтезе; этанол — в пищевой промышленности, фармацевтике, медицине. Спирты — исходные вещества для производства пластмасс и каучука. Метанол и этанол (в больших количествах) — ядовиты. Задания для самоконтроля 1. Какие соединения относятся к спиртам? 2. Что такое функциональная группа? 3. Как ты думаешь, спирты химически активные или инертные соединения? Чем определяется их поведение? 4. Приведи примеры реакции замещения у спиртов. 5. Объясни, на каком свойстве этанола основано его применение как горючего? 6. Сумма коэффициентов в уравнении реакции полного окисления этанола равна А6; Б7; В8; Г9. 163 7. При получении этилата натрия массой 68 г выделился водород (н, у.) объёмом А 22,4 л; Б 11,2 л: В 44,8 л; Г 5,6 л. 8. Объясни, являются ли гомологами метанол и этанол. 9. Составь структурные формулы одноатомных спиртов, содержащих три, четы ре атома углерода. 10. Объясни влияние атома кислорода на распределение электронной плотное ти в молекуле метанола. Дополнительные задания 11. Вычисли массу этанола, необходимого для получения хлорэтана массой 129 г, если выход продукта 80 %. 12. Напиши уравнение последовательного превращения метанола в хлороформ. 13. Как двумя способами получить хлорэтан? Напиши уравнения реакций. 14. Чрезмерное употребление алкоголя разрушает психику человека. Объясни это, используя знания из курса биологии. § 25. ГЛИЦЕРИН Тебе необходимо знать: химический состав и структурную формулу глицерина; уметь: составлять уравнения реакций глицерина: определять его химическим способом среди других соединений: объяснять применение глицерина, исходя из его свойств. Глицерин — трёхатомный спирт Состав и строение молекулы. Кроме одноатомных спиртов, содержащих в молекуле одну функциональную гидроксильную группу, выделяют многоатомные спирты, в состав которых входят две или несколько гидроксильных групп. Важнейший из них глицерин (употребляют также название глицерол) — трёхатомный спирт. Структурная формула глицерина 164 н н н I I I Н—с—с—с—Н, или сокращённо CHg—СН—СНг ОКОН он он он он Глицерин — от греч. yXuKuq — сладкий Физические свойства глицерина. Это густая сиропообразная жидкость без запаха и цвета, сладкая на вкус, хорошо растворима в воде. Свойства глицерина отражает его название — «масличный сахар», известное в XVIII в., когда глицерин впервые получили из оливкового масла. ЛАБОРАТОРНЫЙ опыт 15 Растворимость глицерина в воде Смешай в пробирке воду и глицерин (по 1 мл). Добавь к смеси ещё 1 мл глицерина. Растворяется ли он? Сделай вывод о растворимости глицерина в воде. Химические свойства глицерина. Наличие гидроксильных групп определяет сходство глицерина с одноатомными спиртами. Он вступает в те же реакции, но при участии трёх гидроксильных групп. Реакция полного окисления (горения) протекает, как и у других органических веществ, с образованием углекислого газа и воды. • Составь уравнение реакции горения глицерина. Реакция замещения. Глицерин вступает в реакцию замещения с металлическим натрием. Опыт. В пробирку с глицерином опустим кусочек натрия, нагреем. Реакция протекает с выделением водорода. Свойства глицерина обусловлены наличием в молекуле трёх функциональных гидроксильных групп 165 СНг—СН—СНа 2| I 1 +6Na- ОН ОН он СНа—он—СНа ->2| I I +3Hat ONa ONa ONa Реакция с гидроксидами металлов. В отличие от одноатомных многоатомные спирты взаимодействуют с гидроксидами щелочных и тяжёлых металличеких элементов. В результате реакции глицерина с гидроксидом меди(П) образуется раствор синего цвета. Продукт реакции — соединение сложного строения, поэтому уравнение реакции не записываем. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 16 Взаимодействие глицерина с гидроксидом меди(И) В пробирку налей раствор гидроксида натрия или калия объёмом 1 мл и добавь несколько капель раствора сульфата меди(П). Наблюдай образование голубого студенистого осадка гидроксида меди(П). К осадку добавь глицерин, смесь взболтай. Наблюдай образование прозрачного раствора синего цвета. Этот химический опыт помогает обнаружить многоатомные спирты среди других веществ. , Применение глицерина. Глицерин — это продукт, имеющий широкое применение. Благодаря гигроскопичности используется в парфюмерии и фармацевтике как смягчающее средство или основа мазей, добавка к мылу, в пищевой промышленности — как добавка к напиткам (ликёрам). В кожевенном производстве и текстильной промышленности — при обработке пряжи и кожи для их смягчения и эластичности. Из глицерина получают взрывчатое вещество нитроглицерин, из которого изготавливают динамит. Нитроглицерин обладает сосудорасширяю- Рис. 98. Нитроглицерин — лекарственное средство 166 щим действием, в виде лекарства применяется при сердечных заболеваниях (рис. 98). Глицерин — трёхатомный спирт. Глицерину свойственны реакции, типичные для одноатомных спиртов, а также обусловленные наличием нескольких гидроксильных групп. Реакцию глицерина с гидроксидом меди(П) используют для аналитического определения глицерина. Глицерин применяют в кожевенной, пищевой, текстильной промышленности, для производства мыла, косметических кремов, лекарств. Задания для самоконтроля 1. К какому классу соединений относится глицерин? Почему? 2. Сравни состав и свойства этанола и глицерина. Чем обусловлено различие между этими соединениями? 3. Если в реакцию с глицерином вступает натрий массой 69 г, то выделяется водород объёмом (н. у.): А 22.4 л; Б 44,8 л; В 33,6 л; Г 11,2 л. 4. В двух пробирках находятся этанол и глицерин. Как различить эти жидкости химическим способом? 5. Что тебе известно о применении глицерина в быту? Расскажи об этом. 6. Трускавецкая минеральная вода «Юзя» содержит глицерин. Издавна местные девушки умываются такой водой «для красоты». На каких свойствах основано её действие? Дополиитяльныя задания 7. Двухатомный спирт этиленгликоль имеет формулу СНг—СНг ОН ОН Напиши, по аналогии с глицерином, уравнения химических реакций, характеризующих свойства этиленгликоля. 8. Вспомни определение гомологии. Подумай, являются ли гомологами глицерин и этиленгликоль. 9. Пользуясь справочником, проанализируй физические свойства двухатомного спирта — этиленгликоля. Почему его используют как антифриз для автомобильных двигателей? 167 Рис. 99. Карбоновые кислоты содержатся во многих пищевых продуктах § 26. УКСУСНАЯ КИСЛОТА* Тебе необходимо знать. молекулярную, структурную и электронную формулы уксусной кислоты, функциональную карбоксильную группу: уметь: составлять уравнения реакций уксус- ной кислоты, определять её кислотные свойства опытным путём; понимать: сущность реакции эстерификации. Состав и строение молекулы. Характерный запах столового уксуса знаком всем. Он обусловлен уксусной кислотой СН3СООН. Структурная и электронная формулы уксусной кислоты: СНз О ОН нО: Н:С‘:С:0;Н Н Это соединение относится к классу карбоновых кислот, которые характеризуются наличием функциональной карбоксильной группы —СООН. С некоторыми карбоновыми кислотами ты уже ознакомился. Ощущение жжения после укуса муравья объясняется муравьиной кислотой в составе яда, выделяемого насекомым. Масляная кислота придаёт неприятный запах прогорклому сливочному маслу,- выделяется потовыми железами человека. Столовый уксус — это раствор уксусной кислоты. В квашеных огурцах и капусте, кислом молоке содержится молочная кислота, в цитрусовых — лимонная (рис. 99). * Международное научное название — этановая кислота. 168 Физические свойства уксусной кислоты. Уксусная кислота — бесцветная жидкость, летучая, с резким специфическим запахом, растворяется в воде в любых пропорциях, раствор кислый на вкус. В быту известна в виде 3—9-процентного водного раствора (столовый уксус) или 30-процентного водного раствора (уксусная эссенция). Химические свойства уксусной кислоты. Эти свойства обусловлены наличием функциональной карбоксильной группы. Электронная плотность связи О—Н смещается к атому кислорода как более электроотрицательному элементу —4- н. в результате отщепления атома водорода карбоксильной группы уксусная кислота проявляет кислотные свойства В результате связь О—Н поляризуется, атом водорода приобретает дополнительную подвижность (способность отщепляться), что и обусловливает кислотные свойства уксусной кислоты. Электролитическая диссоциация. Чтобы убедиться в кислотных свойствах уксусной кислоты, проведи следующий опыт. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 17 Действие уксусной кислоты на индикаторы ^ В две пробирки налей порции раствора уксусной кислоты объё- ^ мом 1—2 мл. В одну пробирку добавь несколько капель раствора лакмуса, в другую — раствор метилового оранжевого. Наблюдгш ; изменение цвета индикаторов. Как окрашиваются индикаторы в данных растворах? 7 ‘Химия’, 9кл. 169 Изменение цвета индикаторов свидетельствует о кислотной среде, которая создаётся благодаря уксусной кислоте. С образованием каких ионов диссоциируют неорганические кислоты? Составь уравнение электролитической диссоциации азотной кислоты. Степень диссоциации уксусной кислоты очень низкая: в растворе объёмом 1 л и содержанием 0,1 моль кислоты при н. у. всего три молекулы из ста миллионов распадаются на ионы водорода и ацетат-ионы СНзСОО". Следовательно, уксусная кислота — слабый электролит, поэтому в ионных уравнениях реакций её формулу записывают в молекулярном виде. Взаимодействие с металлами, щелочами, основными оксидами, солями. С этими соединениями уксусная кислота реагирует так же, как неорганические кислоты. В этом ты можешь убедиться на следующих опытах. ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ 18 Взаимодействие уксусной кислоты с металлами, щелочами, солями Опыт 1. Взаимодействие уксусной кислоты с магнием. К раствору уксусной кислоты в пробирке добавь порошок или стр^^жку магния. Наблюдай выделение газа. Вспомни, как взаимодействует магний с разбавленной серной кислотой. Какой газ при этом выделяется? Составь уравнение реакции. В результате реакции между уксусной кислотой и магнием образуются водород и соль (ацетат магния). Ai^ema/nw — общее название солей уксусной (ацетатной) кислоты. 2СНз—СООН 4- Mg-----»► Hat -I- Mg(CH3COO)2 Ацетат магния 2СНз—СООН + Mg —*► Hat + Mg'^ + 2СНзСОО~ Употребляется также название уксусной кислоты — ацетатная кислота. Соли ацетатной кислоты — ацетаты 170 Опыт 2. Взаимодействие уксусной кислоты с гидроксидом натрия. В пробирку с 1—2 мл раствора гидроксида натрия добавь несколько капель раствора фенолфталеина. К окрашенному раствору каплями добавляй раствор уксусной кислоты до обесцвечивания содержимого пробирки. О чём это свидетельствует? Вспомни взаимодействие неорганических кислот со щелочами. Как называется эта реакция? Приведи пример, составь уравнение реакции. Уксусная кислота реагирует со щёлочью, образуя соль и воду: СНз—СООН + NaOH СНз—COONa + Н2О Ацетат натрия СНз—СООН + Na+ Ч- ОН" —► Na+ -Ь СН3—СОО' -I- Н2О Проверь на опыте взаимодействие уксусной кислоты с основным оксидом. Напиши уравнение реакции. Уксусная кислота — слабая, но может вытеснять ещё более слабые кислоты из их — солей, например карбонатов. Опыт 3. Взаимодействие уксусной кислоты с карбонатом натрия или карбонатом кальция. В пробирку с раствором уксусной кислоты кладём кусочек мела или порошок питьевой соды. Наблюдаем бурное выделение газа (рис. 100). Какой газ выделяется? Составь уравнение реакции. • Вспомни, как взаимодействует карбонат кальция с соляной кислотой. Какой газ при этом выделяется? Составь уравнение реакции. Взаимодействие со спиртами. Как представитель класса карбоновых кислот уксусная кислота взаимодействует со спиртами. Если к смеси этилового спирта с серной кислотой (это катализатор реакции) добавить уксусную кислоту и смесь нагреть, то появляется приятный эфирный запах. Это образуется этиловый эфир уксусной кислоты — вещество, которое Рис. 100. Взаимодействие уксусной кислоты с гидрокарбонатом натрия 171 относится к классу сложных эфиров (рис. 101): .0 СН; + Но—С2Н5 —► СНз-С Р ОН + Н20 Рис. 101. Масштабная модель молекулы метилового эфира уксусной кислоты Рис. 102. Запах специй обусловлен преимущественно эфирами ...J О—С2Н5 Этиловый эфир уксусной кислоты Происходит реакция эстерификации. Сложные эфиры — очень распространённые соединения. Запах фруктов, цветов, специй обусловлен преимущественно сложными эфирами (рис. 102). Обычно эфиры имеют приятный запах. Промышленность производит разнообразные синтетические эфиры. Из них изготавливают эссенции, которые добавляют к прохладительным напиткам, конфетам, кремам, парфюмерным и косметическим изделиям. Например, этиловый эфир уксусной кислоты используют как ароматизатор мыла. Применение уксусной кислоты. Уксусная кислота в виде винного уксуса известна людям издавна, поскольку образуется в результате уксуснокислого брожения (скисания) вина. Но получили её в почти чистом виде лишь в XVIII в. В начале XIX в. был определён состав уксусной кислоты, а её структурная формула — в середине XIX в. В больших количествах уксусная кислота используется в органическом синтезе, при производстве искусственного волокна, лекарственных препаратов, химических средств защиты растений. Она имеет широкое применение как растворитель, а в пищевой промышленности — как средство для консервирования и приправа. 172 выводы Уксусная кислота относится к классу карбоновых кислот. Молекулы карбоновых кислот содержат функциональную карбо-ксильвсую группу, соединённую с углеводородной группой. Карбоксильная группа поляризована, электронная плотность связи О—Н смещена к более электроотрицательному атому кислорода, поэтому облегчается отщепление атома водорода. Уксусная кислота взаимодействует с металлами, щелочами, солями, спиртами. Уксусная кислота — это продукт, широко используемый в разных отраслях хозяйства и для бытовых потребностей. Задания для самоконтроля 1. Какие соединения относятся к классу карбоновых кислот? :. Укажи вещества, с которыми реагируют карбоновые кислоты при смещении электронной плотности связи О—Н. А щёлочь: Б спирт; В хлороводород; Г магний. 3. Перечисли реакции уксусной кислоты, в результате которых образуются соли. Составь уравнения реакций. 4. Уксусная кислота реагирует с карбонатом натрия как солью более слабой кислоты. Укажи признак реакции. А образование осадка: Б выделение газа: В изменение цвета. 5. При приготовлении кондитерских изделий питьевую соду «гасят» уксусом. Составь уравнение этой реакции. 6. Смешали раствор уксусной кислоты массой 20 г (массовая доля кислоты составляет 25 %) с раствором, содержащим гидроксид натрия массой 3,3 г. Содержимое пробирки выпарили. Какое соединение образовалось и какова его масса? 7. Для приготовления раствора уксусной кислоты массой 20 г с массовой долей кислоты 9 % необходимо кислоты и воды соответственно: А2ги5мл; В 1,8 г и 18,2 мл; Б 13,6 г и 6,4 мл; Г 0,18 г и 19,82 мл. 8. Ацетат свинца(П) — ядовитое вещество, за сладкий вкус его называют «свинцовым сахаром». Напиши его формулу. 9. Какую реакцию называют реакцией эстерификации? 10. Составь уравнение реакции между уксусной кислотой и метиловым спиртом. 11. Составь структурную формулу гомолога уксусной кислоты. 12. Составь уравнение реакции эстерификации этанола с кислотой, формулу которой ты составил в предыдущей задаче. 173 13. Перечисли подобные и отличительные свойства уксусной и соляной кислот. Составь уравнения реакций. .'Чополиитсльные задания 14. Какая реакция протекает быстрее — между магнием и серной кислотой или между магнием и уксусной кислотой? Ответ аргументируй. 15. Установи соответствие между веществами и их применением. Вещество Сфера применения 1 полиэтилен А добавка к горючему 2 ацетилен Б взрывчатка 3 этанол В пищевая добавка 4 уксусная кислота Г сварка металла Д электроизоляционный материал 16. Вычисли массу сложного эфира, полученного при взаимодействии этанола массой 69 г с уксусной кислотой, если выход продукта составляет 64 %. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 4 Свойства уксусной кислоты Опыт 1. Действие уксусной кислоты на индикаторы. К раствору уксусной кислоты добавь раствор лакмуса или метилового оранжевого. Как изменилась окраска раствора? Что это подтверждает? Опыт 2. Взаимодействие уксусной кислоты с основаниями. К раствору гидроксида натрия, окрашенного фенолфталеином, каплями добавляй раствор уксусной кислоты до обесцвечивания раствора фенолфталеина. Что подтверждают результаты данного опыта? Составь уравнения реакции в молекулярной и ионной форме. Опыт 3. Взаимодействие уксусной кислоты с металлами. В пробирку с разбавленной уксусной кислотой помести стружку магния. Происходит выделение газа. Какой газ выделяется? Составь уравнения реакции в молекулярной и ионной форме. Опыт 4. Взаимодействие уксусной кислоты с солями. В пробирку с раствором уксусной кислоты добавь соль кислоты более слабой, чем уксусная, например карбонат натрия. Происходит выделение газа. Какой газ выделяется? Составь уравнения реакции в молекулярной и ионной форме. 174 § 27. ЖИРЫ Тебе необходимо знать: состав молекул жиров; приводить примеры: высших карбоновых кислот; уметь: объяснять химическую природу жиров и сущность химических реакций — гидролиза и гидрирования; понимать: биологическую роль жиров. Состав и строение молекул. Сложные эфиры могут образовываться различными карбоновыми кислотами и спиртами. Но наибольшее значение имеют те, которые образованы трёхатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами. К последним относятся, например, стеариновая кислота C17H35COOH и олеиновая кислота С17Н33СООН. Первая — насыщенная кислота, вторая — ненасыщенная, в её углеводородной части имеется двойная связь между атомами углерода, поэтому в молекуле олеиновой кислоты на два атома водорода меньше: О СНз-(СН2)1б-С Стеариновая кислота \ ОН о СНз—(СН2)7—СН=СН—(СН2)7—с Олеиновая кислота \ ОН Высшие карбоновые кислоты содержат не менее 6 атомов Углерода ■ Напиши полную структурную формулу олеиновой кислоты. Если углеводородную группу молекулы карбоновой кислоты обозначить R, то формулу кислоты можно записать в общем виде: 175 р Жиры — эфиры глицерина и высших карбоновых кислот ‘ // R—С \ ОН Образование жира можно представить в виде уравнения реакции эстерификации: О СНг—ОН НОг-С—R СНг О О II -О—С—R О СН—ОН +НО—6—R->CH--0—4—R -I- ЗН2О О О СН,—ОН'НО—А—R СН,—О— R Глицерин Карбоновая кислота Жир Химическую природу жиров начали изучать в первой половине XIX в. Впервые жир тристеарин синтезировал французский химик М. Бертло (1854 г.). Физические свойства жиров. Состав и строение углеводородных ip>4in влияют на свойства жиров. Вот как, например, изменяются их температуры плавления: Бертло Пьер Эжен Марселей (1827—1907) Французский химик, член Парижской АН. Один из основателей синтетической органической химии. Синтезировал ацетилен, бензол, фенол, метан, жиры и другие соединения, изготовил бездымный порох. Автор трудов в области термохимии, химической кинетики, агрохимии, истории химии. Общественный деятель, педагог Состав угле- Название ^ПЛ.* водородной жира °с группы -С,тНз5 Тристеарин 65 С17Н33 Триолеин -4 Как видим, жир, образованный насыщенной кислотой, твёрдый в стандартных условиях, а ненасыщенной кислотой — жидкий. Жидкие растительные жиры таклсе называют растительными маслами (рис. 103). В состав масел (подсолнечного, кукурузного, оливкового и 176 др.) входят остатки преимущественно ненасыщенных кислот, в состав животных жиров (говяжьего, бараньего и др.) — остатки насыщенных кислот. Сливочное масло содержит смешанные эфиры насыщенных и ненасыщенных кислот. Жиры легче воды и нерастворимы в ней, но растворяются в органических растворителях. • Сравни на опыте растворимость масла в воде, спирте, бензине. Опиши (устно) этот опыт. Химические свойства жиров Реакция окисления. При длительном хранении на воздухе под действием тепла и света жиры портятся, приобретают неприятные запах и вкус. Это результат окисления жиров, сопровождается этот процесс образованием свободных карбоновых кислот и других кислородсодержащих органических соединений, часто вредных для здоровья. • Реакция присоединения. В отличие от твёрдых молекулы жидких жиров имеют двойные углерод-углеродные связи. Как ты уже знаешь, по месту двойной связи возможна реакция присоединения, в частности атомов водорода (реакция гидрирования). В результате ненасыщенное соединение становится насыщенным, а жидкий жир — твёрдым. • Вспомни, как протекает реакция гидрирования этилена. Составь уравнение реакции. Гидрирование жиров происходит по следующей схеме; Рис. 103. Растительные жиры Появление неприятного запаха, вкуса или цвета жира свидетельствует об окислении и непригодности для питания Химическим способом растительное масло можно превратить в твёрдый жир 177 о СНа—о—с—Ci7H:w V СН—О —с—С17Н3З + ЗНа О СНа—о—с—СпНзз Триолеин О СНа—О—С—С17Н35 О СН—О—С—С17Н35 О СНа—о—с—СпНзб Тристеарин Гидролиз (от греч. (Збшр — вода и Хиоис; — разложение) — это реакция обмена между веществом и водой. В этом случае говорят, что вещество гидролизирует Процесс гидрирования жиров используется в производстве маргарина (от греч. ladpyapou — жемчужина»). Негидрирован-ные жиры легко окисляются по двойным связям, а гидрирование замедляет эти процессы. Кроме того, можно производить твёрдые жиры, похожие на сливочное масло. На маргарин перерабатывают дешёвые жидкие масла, рыбий и китовый жиры. Твёрдые жиры имеют преимущества перед жидкими, поскольку не содержат двойных связей. Следовательно, они медленнее окисляются, их легче транспортировать, фасовать и т. д. Чтобы гидрированный жир был пригоден для употребления, к нему добавляют вкусовые, ароматические вещества, красители. Реакция гидролиза. Это очень важная реакция жиров. Жиры гидролизируют с образованием трёхатомного спирта глицерина и карбоновых кислот: 178 СНг—О-СН—О-СНг—О- V -с—R НОп -н сн,—он с—R + HO-^-H;<=s^CH—OH + 3R—С I I I I I I -R НО^Н СНг—ОН 1. ОН Если гидролиз жира проводить при наличии щёлочи, то образуется соль соответствующей Стеарат натрия — основа твёр-карбоновой кислоты. Соли высших карбоно- дого мыла вых кислот называют мылами. О II СНг О С С17Н35 О II СН—о —с—С17Н35 + 3NaOH О II СНг О С С17Н35 СНг—ОН -► СН—ОН + 3Ci7H35COONa Стеарат натрия (мыло) СНг—ОН Поскольку в результате щелочного гидролиза жира образуется мыло, то эту реакцию называют омылением жира. Биологическое значение жиров. Наря-j ду с белками и углеводами жиры — биологически активные вещества. Они входят в состав клеток растительных и жи-' вотных организмов и являются для них источником энергии. При окислении 1 г жира выделяются 37,7 кДж энергии, что вдвое больше, чем при окислении 1 г бел-j ка или углевода. Основное количество жиров, необ-| ходимых человеку, содержится в мясе, рыбе, молочных и зерновых продуктах. Рис. 104. Подсолнечник — Если в организм человека с пищей посту- основной источник растительного пает больше энергии, чем расходуется, масла в Украине 179 то образуются и откладываются в тканях организма жирообразные вещества. Таким образом аккумулируется энергия. Согласно данным современной медицины чрезмерное употребление жиров, образованных насыщенными кислотами, то есть животных жиров, может привести к накоплению веществ, затрудняющих движение крови в артериях, ответственных, в частности, за снабжение кровью мозга. Более полезными считаются жиры, образованные ненасыщенными кислотами, то есть растительные масла. В подсолнечном масле, например, массовая доля ненасыщенных карбоновых кислот составляет 91 % (рис. 104). ВЫВОДЫ Жиры — это сложные эфиры глицерина и высших карбоновых кислот. Образование твёрдых жиров связано с насыщенными карбоновыми кислотами, а жидких жиров — с ненасыщенными. Жиры вступают в реакции окисления, гидрирования, гидролиза. Гидрированием жидких жиров получают маргарин. Гидролизом (омылением) жиров получают мыло. Жиры — биологически активные вещества. Рис. 106. Цветёт рапс — источник технического масла Рис. 106. Биодизельное топливо получают из рапсового масла Задания для самоконтроля 1. По химической природе жиры относятся к: А солям; Б эфирам; В карбоновым кислотам; Г спиртам. 2. В результате какой химической реакции образуются жиры? 3. Чем жиры отличаются от других сложных эфиров? 4. В чём различие химического характера жидких и твёрдых жиров? 5. Какая химическая реакция лежит в основе производства маргарина? 180 6. Мыло относится к классу: А солей; Б спиртов; В эфиров; Г карбоновых кислот. 7. Охарактеризуй значение процесса гидролиза жиров. 8. Каковы признаки окисления жиров? Дополнительные задания 9. Предложи способ, как растительное масло можно отличить от растопленного животного жира. 10. На упаковке маргарина написано: «Содержит лишь растительные масла». Правильно ли это? 11. Что такое «омыление жиров»? 12. Основа жидкого мыла — калийные соли высших карбоновых кислот. Составь уравнение реакции образования такой соли. 13. Вспомни известные тебе реакции гидрирования. Охарактеризуй значение этих реакций для синтеза органических веществ. 14. Какое соединение ты можешь предложить как ароматизатор мыла? 15. Подготовь сообщение об использовании рапсового масла для производства дизельного топлива (рис. 105, 106). § 28. УГЛЕВОДЫ. ГЛЮКОЗА Тебе необходимо знать: состав углеводов, молекулярную фор- мулу глюкозы; уметь: определять глюкозу с помощью ка- чественной реакции; составлять: уравнение реакций спиртового брожения и окисления глюкозы; объяснять: биологическую роль глюкозы. Прежде ты изучал химические реакции, в результате которых одни органические соединения превращались в другие или окислялись до углекислого газа и воды. В природе постоянно происходит обратный процесс: из углекислого газа и воды образуются органические вещества, из которых состоят растительные организмы, Например, под влиянием солнеч- 181 6С0, + 6Н,0 Солнечный свет ----► СбНтзОб GO2 Глюкоза Рис. 107. Глюкоза образуется в растениях в прюцессе фотосинтеза НОИ энергии в зеленых листках растении протекает реакция фотосинтеза, в результате образуется глюкоза (рис. 107). В процессе принимает участие зелёный пигмент хлорофилл, поглощающий солнечную энергию. В общем виде процесс фотосинтеза выражается уравнением: 6СО2 + 6Н2О Солнечный свет ->■ СбН120б -Ь 6О2 Глюкоза Рис. 108. Я. ван Утрехт. Натюрморт с виноградом В растениях из глюкозы образуются сахароза, крахмал и целлюлоза. Эти соединения относятся к классу углеводов. Это название сложилось исторически, поскольку первые из изученных соединений данного класса содержали в молекулах, кроме атомов углерода, атомы водорода и кислорода в соотношении Н : О как 2 : 1, то есть аналогично воде Н2О,— отсюда «углеводы». Состав и строение молекулы. Молекулярная формула глюкозы СеНхгОе. Молекула глюкозы, сложное строение которой мы не рассматриваем, содержит пять гидроксильных групп —ОН. Физические свойства глюкозы. Глюкоза широко распространена в природе. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. В свободном состоянии глюкоза содержится во многих фруктах, в частности винограде (отсюда название глюкозы — виноградный сахар), в мёде, имеется она в корнях, листках и цветках растений, в крови человека и животных (до 0,1 %) (рис. 108). * Вспомни происхождение названия трёхатомного спирта — глицерина. Пользуясь 182 словарём, выясни, от какого слова происходит название глюкозы, сравни названия этих соединений и их физические свойства. Химические свойства глюкозы. Реакция окисления. В результате полного окисления глюкозы сильными окислителями образуются углекислый газ и вода. • Составь уравнение реакции полного окисления глюкозы. Взаимодействие с гидроксидом меди(И). Поскольку молекула глюкозы содержит функциональные гидроксильные группы, можно предположить, что это вещество будет вступать в реакцию, характерную для многоатомных спиртов. • Вспомни реакцию распознавания глицерина. Каковы признаки этой реакции? Проведи такой же опыт с глюкозой. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 19 Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди(П) В пробирку налей 1 мл раствора гидроксида натрия и добавь несколько капель раствора сульфата меди(П). Наблюдай образование осадка гидроксида меди(П). К осадку добавь раствор глюкозы, смесь взболтай. Наблюдай образование прозрачного раствора синего цвета (уравнение реакции не записываем в виду S сложности строения продукта). Эта реакция подтверждает наличие в молекуле глюкозы нескольких гидроксильных групп. Реакция брожения. Из химических свойств глюкозы следует выделить реакции брожения. Этот вид химического взаимодействия протекает под воздействием катализаторов — ферментов, которые вырабатываются микроорганиз- В процессе скисания молока, квашения капусты глюкоза превращается в молочную кислоту . г СНз- сн-соон I он 183 • **ЕадяД||У Рис. 109. Глюкоза — как лекар ственное средство СбН120б + 6О2 мами. Например, под влиянием ферментов дрожжей и без доступа воздуха глюкоза превращается в этиловый спирт, — происходит спиртовое брожение. Процесс можно упрощённо выразить следующим уравнением: 2С2Н5ОН + 2СОгТ Применение и биологическое значение глюкозы. Человеческий организм легко усваивает глюкозу и использует её как источник энергии, которая выделяется при окислении глюкозы в клетках. Суммарно этот процесс можно выразить уравнением: >■ бСОгТ + 6Н2О; АН = -2,87 • 10® кДж/моль. Как питательное вещество глюкоза используется в медицине для поддержания жизнедеятельности ослабленного организма (рис. 109). Её раствор вводят непосредственно в кровь, поскольку именно она переносит глюкозу к клеткам организма. ВЫВОДЫ Глюкоза относится к классу углеводов. Глюкоза — распространённое в природе соединение, образуется в растениях в процессе реакции фотосинтеза. Как многоатомный спирт глюкоза взаимодействует с гидроксидом меди(И). Важной реакцией глюкозы является брожение. Глюкоза — биологически активное вещество. j ITTIUH Задания для самоконтроля 1. Как ты понимаешь название «углеводы»? 2. В чём заключается подобие глюкозы и глицерина? Как доказать это на опыте? 184 3. какое, на твой взгляд, значение имеют процессы брожения глюкозы? 4. В результате брожения глюкозы получили этанол массой 69 г. Какой объём углекислого газа можно собрать? 5. Докажи, что глюкоза — источник энергии в организме. Дополнительные задания 6. Составь уравнение реакции молочнокислого брожения глюкозы, если образуется лишь одно соединение. 7. Объясни взаимосвязь между органическими и неорганическими веществами на примере глюкозы. § 29. САХАРОЗА Тебе необходимо знать: химический состав сахарозы; объяснять.-общую схему производства сахара. Состав молекулы. К классу углеводов относится также сахароза, или свекловичный, тростниковый сахар. Молекулярная формула СхгНггОц. В природе синтезируется из глюкозы. Физические свойства сахарозы. Это бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде. При нагревании до 190—200 "С кристаллы плавятся, из расплавленной массы после застывания образуется леденец, а потом — карамель. Сахароза содержится в растениях, особенно много её в корнеплодах сахарной свёклы (16—20 %) и стеблях сахарного тростника (14—26 %) (рис. 110). Сахароза в виде тростникового сахара была известна ещё в древности и использовалась как лекарственное средство. Родиной сахара считают Индию. Рис. 110. Сахарный тростник и сахарная свёкла — источники сахарозы 185 Украина — один из крупнейших производителей сахара в мире Бунге Николай Андреевич (1842—1915) Украинский химик. Окончил Киевский университет, профессор этого учебного заведения. Работал в области электрохимии и химической технологии. Исследовал электролиз растворов неорганических и органических соединений, усовершенствовал методику газового анализа. Изучал процесс производства сахара из сахарной свёклы и условия протекания этого процесса. Сделал значительный научный вклад в развитие отечественной сахарной промышленности. В Европе сахар-сырец из сахарного тростника появился в XVI в., а из сахарной свёклы впервые был выделен в середине XVIII в. Украина относится к крупнейшим мировым производителям сахара. Поскольку сахароза — ценный пищевой продукт, её производят в большом количестве (рис. 111). Процесс состоит в выделении сахарозы из природного сырья (например, сахарной свёклы), очистке и кристаллизации продукта. Прежде всего, моют и измельчают корнеплоды, потом обрабатывают массу горячей водой. Как хорошо растворимое в воде соединение сахароза переходит в раствор. После извлечения сахара остаток (жом) используется как корм для скота. Чтобы очистить раствор сахарозы, его сначала обрабатывают известковым молоком, а потом пропускают через него углекислый газ. В осадке остаётся карбонат кальция, а прозрачный раствор обесцвечивают, обрабатывая оксидом cepbi(IV). Далее раствор выпаривают, сахароза кристаллизуется, то есть образуется сахарный песок. Побочные продукты кристаллизации — патока и меласса — используются в производстве дрожжей, этанола, кондитерских изделий. Способом повторного растворения и кристаллизации получают сахар-рафинад, он содержит 99,9 % сахарозы. Важным показателем для производства сахара является сахаристость свёклы. Селекционеры работают над новыми сортами этой культуры с высоким содержанием сахара. Сахаристость снижается при длительном хранении корнеплодов, поэтому 186 J'^* M Рис. 111. Общий вид сахарного завода на сахарных заводах их стараются перерабатывать как можно быстрее. •М1мз>е;14Т.«0Г1гяши.'ь.4^:.г%.1'1Икд'»'|'.а п .1 V ^ Мч«>^с:а>*ггж('5.д( ВЫВОДЫ Сахароза — это углевод. Сахароза синтезируется в растениях, известна как свекловичный, тростниковый сахар. Сахароза — ценный пищевой продукт. я MVHflBIKXSU If Задания для самоконтроля 1. Составь общую схему производства сахара. 2. Какие продукты сахарного производства — побочные? Где их можно исполь-. зовать? 3. Относится ли производство сахара к химическому производству? 4. Почему сахароварение — сезонное производство, ведь корнеплоды можно сохранять на протяжении зимы? 5. Массовая доля сахара (положили две чайных ложки — по 8 г в каждой) в стакане чая (250 г) составляет: А 7,8 %; Б 12,8 %; В 3,1 %; Г 6.4 %. Дополнительные задания 6. Если в местности, где ты проживаешь, выращивают или перерабатывают сахарную свёклу, расскажи об этом. 7. Составь рассказ об использовании сахарозы. 187 / п § 30. КРАХМАЛ Тебе необходимо знать: химический состав крахмала: объяснять: образование и гидролиз крахмала; проводить, качественную реакцию на крахмал; понимать: биологическую роль крахмала. Крахмал — природный полимер Состав и строение молекулы. Состав молекулы крахмала выражается общей формулой (СвНю05)„ (п составляет от нескольких сотен до нескольких тысяч). Фрагмент полимерной цепи можно записать следующим образом: ... —CeHioOs—CeHioOs—СеНюОз—СеНшОб—... Крахмал — природный полимер, синтезируется в растениях из глюкозы согласно реакции: nCeHi20e---► (СбН1о05)„ -f дНгО Свойства крахмала. Крахмал — белый аморфный порошок. В холодной воде — нерастворим, в горячей воде набухает, образуя клейстер. В этом можно убедиться на опыте. ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 20 Взаимодействие крахмала с водой В пробирку насыпь немного крахмала, добавь холодной воды. Размешай смесь, дай ей отстояться. Что наблюдается? Растворился ли крахмал в холодной воде? Вскипяти воду в стакане. Вылей смесь из пробирки, перемешивая, в горячую воду. Что наблюдается? Сделах! вывод о взаимодействии крахмала с ведой. Сохрани крахмальный клейстер для следующего опыта. Крахмал можно получить из картофеля механическим способом. Рассмо- 188 три рисунок 112. Зёрна крахмала плавают в клеточном соке, откуда их можно извлечь. Для этого картофель измельчают, промывают водой и отцеживают. С водой крахмал проходит через сито, отстаивается. Воду сливают, а продукт высушивают. Характерное химическое свойство крахмала — его реакция с иодом (иодо-крахмальная реакция). Рис. 112. Срез картофелины под микроскопом ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 21 Взаимодействие крахмала с иодом К крахмальному клейстеру, приготовленному в предыдущем опыте, добавь каплю спиртового раствора иода. Наблюдай появление синей окраски. Это характерная реакция и на крахмал, и на иод. Биологическое значение крахмала. Накопленный растениями крахмал расщепляется под действием ферментов с образованием глюкозы, в результате её окис-дения высвобождается энергия. Если растения накапливают энергию в виде крахмала, то животные — в виде гликогена (углевода, подобного по структуре крахмалу). Процесс усвоения крахмала организмом человека начинается в полости рта, с его гидролиза под действием ферментов до глюкозы. Процесс гидролиза можно представить в общем виде: к каждому из мономерных звеньев крахмала присоединяется молекула воды, полимерная цепь разрывается, образуются молекулы глюкозы: 189 н- (СбНю05)„ + лНгО --СбНюОэ-гСбНюОб-гСбНюОб -ОН Н-^ОН Н^ОН nCeHizOe, или •—► дСеНхгОб Рис. 113. К. Билокур. Завтрак Вспомни, каким образом глюкозу можно обнаружить в растворе. Избыток глюкозы откладывается в печени в виде «запасного» углевода гликогена. В случае необходимости, например при физических нагрузках, гликоген превращается, подобно крахмалу в растениях, в глюкозу, питающую организм. Теперь ты знаешь, что в человеческом организме энергия запасается в виде жиров и углеводов и высвобождается в процессе их окисления. По мнению специалистов, энергетические потребности человека на 60 % должны удовлетворяться за счёт растительной пищи, в частности овощей и фруктов. Приведённое выше уравнение реакции — суммарное. Реально гидролиз протекает постепенно, с образованием промежуточных продуктов — декстринов, молекулярная масса которых меньше, чем у крахмала. Приготовление отварного или жареного картофеля, выпекание хлеба, глаженье накрахмаленного белья связаны с частичным гидролизом крахмала и образованием декстринов. С пищей декстрины усваиваются организмом лучше, чем крахмал (рис. ВЫВОДЫ Крахмал — природный полимер. Растения накапливают энергию в виде крахмала. В горячей воде крахмал образует клейстер. Характерной реакцией крахмала является гидролиз. Для выявления крахмала используют иодокрахмальную реакцию. 190 Задания для самоконтроля 1. Охарактеризуй крахмал как природный полимер. Чем он отличается от известного тебе полиэтилена? 2. На каких свойствах основано получение крахмала из картофеля? 3. Чем обусловлено образование вкусной корочки на хлебе? 4. Почему декстрины усваиваются организмом легче, чем крахмал? 5. Благодаря окислению жиров в организме выделяется вдвое больше энергии, чем при окислении углеводов. Какое значение это имеет для поддержания нормальной массы тела? 6. Проверь на наличие крахмала муку, печенье, зубной порошок, косметическую пудру и т. д. 7. Вспомни из курса биологии, как образуется крахмал в растениях. Дополнительные задания 8. Масса глюкозы, полученной из крахмала, больше массы исходного продукта. Объясни, почему. Согласуется ли это с законом сохранения массы веществ? 9. Глюкоза относится к моносахаридам, а крахмал — полисахарид. Объясни этот термин. 10. Установи соответствие между названиями соединений и химическими реакциями, в которые эти соединения вступают. Соединение Химическая реакция 1 глюкоза А омыление 2 крахмал Б с гидроксидом меди(И) 3 триолеин В с натрием 4 этанол Г с иодом __________Д с сульфатом меди(И)________________________________ § 31. ЦЕЛЛЮЛОЗА Тебе необходимо знать: химический состав целлюлозы; сравнивать: крахмал и целлюлозу по составу и строению: объяснять: применение целлюлозы. Состав и строение молекул целлюлозы. Из звеньев состава —СеНюОб—, как и у крахмала, состоят цепные молекулы другого природного полимера — целлюлозы, или клетчатки. 191 Целлюлоза (от лат. ceiula — ячейка, клетка) — основное вещество оболочек растительных клеток Рис. 114. Срез оболочки растительной клетки под электронным микроскопом (видна волокнистая структура целлюлозы) Целлюлоза широко распространена в природе, поскольку из неё состоят оболочки растительных клеток. Если крахмал — источник энергии, то целлюлоза — строительный материал растений. Растительные волокна (хлопковые, конопляные, льняные) и древесина на 45 % состоят из целлюлозы. Почти чистая цел.пюлоза известна тебе в виде ваты и фильтровальной бумаги. Внешние различия между этими волокнами и крахмалом очевидны, хотя полимерные цепи крахмала и целлюлозы представлены одинаковыми звеньями. В чём же причина таких различий? Общая формула целлюлозы, как и крахмала,— (CoHioOs)^. Но степень полимеризации, молекулярная масса целлюлозы намного больше: п составляет 10—14 тысяч, относительная молекулярная масса — несколько миллионов. Кроме того, некоторые молекулы крахмала имеют разветвлённое строение, а молекулы целлюлозы — нитевидные, линейные, поэтому могут образовывать волокна (рис. 114). Имеются и другие существенные особенности внутреннего строения, их мы не рассматриваем, но они также обусловливают различия между крахмалом и целлюлозой. Применение целлюлозы. На протяжении столетий целлюлозу в виде древесины использовали как топливо. • Составь уравнение реакции горения целлюлозы. При этом из целлюлозы можно получить много полезных веществ посредством химической переработки. Например, ис- 192 Рис. 115. Жвачные животные способны усваивать целлюлозу кусственныи шелк, спирты, взрывчатые вещества. Из целлюлозы изготавливают бумагу. Учитывая огромное значение бумаги, можно утверждать, что развитие современной цивилизации в значительной степени связано с целлюлозой. У жвачных животных и термитов в органах пищеварения под действием ферментов происходит гидролиз клетчатки и её усвоение (рис. 115). * Составь уравнение реакции гидролиза целлюлозы аналогично гидролизу крахмала. В организме человека целлюлоза, получаемая с растительной пищей, не расщепляется, следовательно, не усваивается. На Земле в биомассе растений, основным компонентом которой является целлюлоза, сосредоточено огромное количество энергии. Оказывается, эту энергию можно высвободить, используя проду'кты переработки биомассы (рис. 116). Современная наука рассматривает её как перспективное сырьё для получения углеводородов и других органических веществ. Это достигается методами биотехнологии и предполагает использование ферментов (биохимических катализаторов). Правда, стоимость ползшенных продуктов пока достаточно высока, но таким образом к нефти, природному газу и каменному углю — источникам органических соединений — можно отнести также биомассу. ВЫВОДЫ Целлюлоза — углевод полимерного строения. Целлюлоза — строительный материал растений. Целлюлоза горит с выделением большого количества теплоты. Химическая переработка целлюлозы — это получение многих ценных веществ. Рис. 116. Биомасса растений накапливает огромное количество энергии 193 Задания для самоконтроля 1. Сравни состав и строение крахмала и целлюлозы. 2. Иногда неправильно употребляют термин «углеводы» вместо «углеводороды», и наоборот. Объясни эти термины. 3. Благодаря какой особенности строения целлюлозы, в отличие от другого полимера — крахмала, из целлюлозы можно получать искусственные волокна? 4. Как ты полагаешь, целлюлозу целесообразно сжигать или подвергать химической переработке? Дополнительные задания 5. Клетчатка гидролизируется аналогично крахмалу. Составь уравнение реакции. Как клетчатку можно преобразовать в этиловый спирт? Какие реакции происходят при этом? Составь их уравнения. 6. Подготовь информацию о развитии биотехнологии. § 32. АМИНОКИСЛОТЫ Примеры аминокислот: НООС—СНг—СНг—СН—СООН I МНг Глутаминовая кислота НО—СНг—СН—СООН NHz Серин HzN—(СНг)4—СН—СООН NH2 Лизин Тебе необходимо знать: химический состав аминокислот, их функциональные группы; формулу аминоуксусной кислоты; объяснять: амфотерные свойства аминокислот; составлять: уравнение реакции образования полипептидов; понимать: биологическую роль аминокислот. Состав и строение молекулы. Ты уже знаешь, что в состав растительных и животных организмов входят представители таких классов органических соединений, как жиры и углеводы. Не менее важными для функционирования живых организмов являются белки. Это высокомолекулярные соединения, образующиеся из аминокислот. Впервые предположение о том, что аминокислоты являются «кирпичиками», из которых состоят белки, выска- 194 зал выдающийся украинский биохимик и химик Иван Яковлевич Горбачевский. В чём же отличие аминокислот и карбоновых кислот, которые ты изучал ранее? Карбоновые кислоты содержат функциональную карбоксильную группу —СООН, аминокислоты — две функциональные группы: карбоксильную и аминогруппу —NH2. Если в молекуле уксусной кислоты СН3СООН один атом водорода в метиль-ной группе заменить аминогруппой, то образуется аминоуксусная кислота СНз—СООН СООН NHz Уксусная кислота Аминоуксусная кислота Электронная и структурная формулы аминоуксусной кислоты: Н .-.б: f О Н:С:а. ' // H:N: Р-'Н Н Н—С—С Н—N I Н ОН • Аминоуксусная кислота — простейшая из аминокислот. Некоторые из них содержат две карбоксильные группы или две аминогруппы, гидроксильные и серосодержащие группы. Физические свойства. Аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества с высокими температурами плавления, большинство из них хорошо растворимы в воде. Химические свойства. Карбоксильная и аминогруппа — противоположны по своему химическому характеру: первая 195 Горбачевский Иван Яковлевич (1854—1942) Украинский учёный, академик АН Украины. Родился в Украине, работал в Вене, Праге. Профессор, ректор Украинского свободного университета в Праге. Научные работы по органической химии и биохимии. Впервые синтезировал мочевую кислоту и изучил способы её образования в организме. Высказал предположение об аминокислотном составе белков. Впервые выделил чистые нуклеиновые кислоты из организмов животных. Значительный вклад учёного и в развитие украинской научной терминологии. Автор учебников по химии на украинском языке является носителем кислотных свойств, вторая — основных. Следовательно, аминокислоты — амфотерные соединения, реагируют и с кислотами, и со щелочами. H2N—СНг—СООН + НС1 ^ [H3N—СНг—СООНГСГ H2N—СНа—СООН+ NaOH HaN—СНа—COONa + Н2О • Вспомни особенности амфотерных неорганических соединений, приведи примеры реакций. Главной особенностью аминокислот является взаимодействие молекул между собой. В реакцию вступают противоположные по своим функциям группы: карбоксильная группа одной молекулы и аминогруппа — другой. В результате реакции образуются ди-, три-, полипептиды и выделяется вода. Связь между остатками аминокислот называют пептидной, а группу О н II I —с—N- пептидной группой. Н ? -HaN—СНа—С—ОН -Ь Н—N—СНа—С—ОН О Н ? ->HaN—СНа—С—N—СНа—С-ОН + НаО Дипептид Н н HaN—СНа—с—N—СНа—с—он + Н—N—СНа—С—ОН-> Н ОН ^ -ОН -I- НаО ? ? -^HaN—СНа—С—N—СНа—С—N—СНа-Трипептид 196 Рис. 117. В рыбе содержится много незаменимых аминокислот Именно благодаря пептидным связям аминокислоты соединяются в молекулах белков. Биологическое значение аминокислот. В составе белков 20 аминокислот, восемь из которых незаменимые. Это название объясняется тем, что животные организмы, в отличие от растений, не способны самостоятельно синтезировать данные аминокислоты. Следовательно, необходимые для жизнедеятельности аминокислоты должны поступать в готовом виде, с пищей (рис. 117). Дефицит аминокислот может стать причиной заболевания, поэтому ослабленным людям аминокислоты, как лекарство, вводят непосредственно в кровь. Полученные синтетическим путём аминокислоты используют для подкормки скота. ами’ди——I iijMmwniiuiiM ii,in т ——я———r.v ВЫВОДЫ Молекулы аминокислот содержат две функциональных группы: ами-но- и карбоксильную.' Аминокислоты относятся к амфотерным соединениям. , Образование полипептидов — важнейшее химическое свойство аминокислот. Аминокислотные остатки соединяются между собой пептидными связями. Аминокислоты имеют биологическое значение. Задания для самоконтроля 1. Сформулируй определение аминокислот, исходя из их строения. 2. Чем, на твой взгляд, объясняется разнообразие аминокислот? 3. Какова причина амфотерности аминокислот? 4. Почему аминокислоты называют «кирпичиками» белков? 5. Какая реакция аминокислот лежит в основе образования белков? 6. Что такое пептидная группа; пептидная связь? 197 Дополнительные задания 7. Аргументируй действие на индикаторы глутаминовой кислоты и серина. 8. Охарактеризуй значение аминокислот, используя знания из курса биологии человека. § 33. БЕЛКИ Фишер Эмиль Герман (1852—1919) Немецкий химик, член Берлинской АН. Научные труды посвящены химии физиологически активных веществ. Синтезировал ряд углеводов, в частности глюкозу и фруктозу. Установил, что аминокислоты связываются между собой пептидными связями, образуя полипептиды; впервые получил дипептид. Лауреат Нобелевской премии 1902 г. Тебе необходимо знать: химический состав белков; объяснять: образование белков из аминокислот; различать, гидролиз и разложение белков; проводить: цветные реакции белков; понимать: сложность строения и биологическую роль белков. Строение белков. Полимерная поли-пептидная цепь — основа молекулы каждого белка. Впервые синтез полипептидов осуществил немецкий учёный Э. Фишер в 1903—1907 гг. Каждый белок имеет набор аминокислот, соединённых в определённой, присущей только ему последовательности. Ты уже знаешь, что лишь 20 аминокислот принимают участие в построении белковых макромолекул, а количество комбинаций соединённых в разной последовательности аминокислотных остатков достигает 10*®. Молекулярная масса некоторых белков составляет сотни миллионов. Строение белков очень сложное и обусловлено не только последовательностью аминокислотных остатков. Длинные цепи белковых молекул скручиваются в спирали, спирали — в клубки, располагающиеся определённым образом в пространстве (рис. 118,119). В совокупности 198 это определяет особенности каждого белка. В виду такой сложности расшифровка структуры природных белков — очень сложная задача. Свойства белков. Белки очень отличаются по своим свойствам, которые зависят от наличия в их составе остатков аминокислот с разными функциональными группами, способными вступать в характерные реакции. Денатурация. Среди белков различают нерастворимые в воде и образующие коллоидные растворы. Ко вторым относится белок куриного яйца. Именно с этим раствором удобно проводить опыты. Опыт. К белку куриного яйца в пробирке добавим воду, смесь размешаем. Убедимся, что образовался прозрачный раствор. Нагреваем раствор белка и наблюдаем, как он свёртывается, или денатурируется. Именно этот процесс денатурации наблюдается при кулинарной обработке белковых пищевых продуктов — мяса, яиц, рыбы. С химической точки зрения, денатурация — разрушение сложной структуры белка, в результате он утрачивает биологическую активность (рис. 120). Этот процесс необратимый. Поэтому, например, высокая температура опасна для человеческого организма. При этом белки теряют биологическую активность, живые клетки погибают. Аналогично воздействие сильных кислот, например серной. В случае попадания кислоты на кожу можно получить химический ожог. атом азота Рис. 118. Фрагмент модели полипептидной цепи Рис. 119. Модель одной из четырёх полипептидных цепей белка гемоглобина (в центре — ион Fe^*) Рис. 120. Схема денатурации белка 199 Цветные реакции ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ 22 Цветные реакции белков К раствору белка в пробирке добавим такой же объём раствора щёлочи и несколько капель слабого раствора сульфата меди(П). Что происходит? Как изменилась окраска раствора? К раствору белка добавим концентрированную азотную кислоту. Белок свёртывается и постепенно окрашивается в жёлтый цвет. Взаимодействие белков с концентрированной азотной кислотой и гидроксидом меди(П) — это цветные реакции белков, которые используют для их аналитического определения. Гидролиз. Кислоты, щёлочи или ферменты (если речь идёт о живом организме) расщепляют полимерную белковую молекулу на аминокислоты. Гидролиз — это процесс, обратный образованию полипептид ной цепи. В процессе гидролиза молекулы воды присоединяются в местах пептидных связей, последние разрушаются, пептидные группы замещаются карбоксильными и аминогруппами. Следовательно, белок расщепляется на отдельные аминокислоты, из которых он состоит: НО н Р t —СН,—CbN—СНо—Ci-N—СН,—с ■N-v.xa2 -Н HOi-H НО -Н НО ? -н ^3H,N—СН,—с—он Белки могут разлагаться под действием микроорганизмов. В результате образуются не аминокислоты, а аммиак. 200 сероводород, фенол, другие вещества с неприятным запахом. Появление запаха свидетельствует о том, что происходит процесс разложения (гниения) белка. Вспомним, насколько неприятен запах протухших яиц, несвежего мяса или рыбы. Замораживание продуктов, маринование, копчение снижают активность микроорганизмов или даже уничтожают их. Процесс разложения замедляется, и продукты сохраняются значительно дольше. Биологическое значение белков. Белки в составе пищи непосредственно не усваиваются организмом. Сначала они расщепляются до аминокислот под действием веществ, находящихся в пищеварительном тракте. Далее аминокислоты всасываются в кровь, которой переносятся к клеткам организма, где синтезируются белки, характерные именно для него. Белки — основной строительный ма-теригш живых организмов. Мышцы, гемоглобин крови, волосы, кожа, ферменты имеют белковую природу. ‘ Запас аминокислот, необходимый для нормального функционирования, может пополняться в организме человека за счёт белков пищи (рис. 121). Это в особенности важно для молодого организма в процессе роста и развития. Поэтому пища молодого человека должна содержать достаточное количество белков. Богаты белками мясо, рыба, молоко, твёрдый сыр, яйца, бобовые, орехи. Для подкормки сельскохозяйственных животных используют белковую массу, которую производят из углеводородов нефти, природного газа или отхо- При низкой температуре процесс разложения белка замедляется Рис. 121. С мясом организм человека получает значительное количество белков 8 ‘Химия’, 9кл. 201 дов переработки древесины способом микробиологического синтеза. Некоторые виды микроорганизмов способны использовать углеводороды как питательную среду и вырабатывать на её основе белковую массу. ВЫВОДЫ Белки — природные полимеры, образующиеся из аминокислот. Состав белков чрезвычайно разнообразен благодаря разной последовательности аминокислотных остатков. Строение белков отличается большой сложностью. Каждый белок имеет определённую последовательность остатков аминокислот. Важное биологическое значение имеет способность белков к гидролизу. Белки можно обнаружить с помощью цветных реакций. Белки — основной строительный материал клеток всех животных организмов. ■ктпвсчга Задания для самоконтроля 1. Чем обусловлено разнообразие белков? 2. Что означает денатурация белка с химической точки зрения? Где можно наблюдать явление денатурации? 3. Охарактеризуй процесс гидролиза белков. 4. Чем отличаются процессы гидролиза и разложения белков? 5. Белки относятся к биополимерам. Можно ли назвать так клетчатку; крахмал; глюкозу? 6. Можно ли полностью заменить белковую пищу углеводной? Почему? Дополнительные задания 7. Охарактеризуй значение процесса гидролиза белков, жиров, углеводов для функционирования организма. 8. Горение белков сопровождается характерным запахом. Чтобы убедиться в этом, осторожно подожги пёрышко, шерстяную нить. Сравни с запахом горящей нити из хлопка., 9. Зная свойства белков, объясни, почему посуду после молочных продуктов сначала моют холодной водой, а потом горячей, а не наоборот. 10. Как ты полагаешь, какие органические вещества входят в состав вареников с творогом? 202 § 34. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ Тебе необходимо знать: химический состав и общую схему строения нуклеиновых кислот; понимать: принцип комплементарности азотистых оснований; репликацию ДНК; понимать: биологическую роль нуклеиновых кислот. Состав и строение молекул. Среди природных органических веществ важную роль играют нуклеиновые кислоты (НК). Они имеются в каждой живой клетке и контролируют её работу. Впервые чистые нуклеиновые кислоты получил И. Я. Горбачевский в 90-х годах XIX в. В начале XX в. выяснилось, что в состав НК входят азотистые основания (аденин, гуанин, тимин, урацил, цитозин), моносахариды (рибоза С5Н10О5 и де-зоксирибоза С5НЮО4) и остаток фосфорной кислоты. • Формулы приведены для ознакомления, а не для запоминания. Установлено, что существуют два типа НК: в состав одних входит рибоза, в состав других — дезоксирибоза. Названия кислот соответственно рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). Следовательно, в состав НК входят фрагменты азотсодержащих соединений, углеводов и фосфорной кислоты. НК — полимерные соединения. В общем виде схему полимерной цепи можно представить следующим образом: Моносахариды — общее название углеводов простого строения. Глюкоза также относится к моносахаридам Азотистые основания NH, N НС. Аденин N > 'NH СН HjN \ / сн 'N I н Гуанин Ч \ NH -ы-/\ НС.. н Тимин 203 0 11 —О—Р—О 1 1 Моно- j \ j сахарид | J 1 1 • • 1 0 1 I Азотистое! \ !основание!! 1 н Нуклеозид ; Нуклеотид нс NH нс^ N I Н Урацил NH, НС HCv -N^4 i Цитозин Моносахариды СНаОН о ОН „ ОН 1/Ч. он Рибоза О —О—Р—О ; Моно- ! ! сахарид | ' i ' 0 1 > 1 1 ! Азотистое! !основание! 1 н Нуклеозид О II II — О—Р—О— 1 сахарид 1 !• 1 О Азотистое основание 1^ Нуклеозид ! Нуклеотид Нуклеотид В молекуле НК азотистое основание связано с моносахаридом — этот фрагмент называют нуклеозидом. Нуклеозид, соединённый с остатком фосфорной кислоты, образует нуклеотид. Нуклеотиды являются мономерными звеньями в полимере НК. ДНК и РНК содержат разные азотистые основания. В составе ДНК — аденин, гуанин, тимин, цитозин, РНК — аденин, гуанин, цитозин, урацил. В макромолекулах ДНК и РНК соединяются тысячи нуклеотидов. Молекулярная масса НК составляет от нескольких сотен тысяч до нескольких миллиардов. Двойная спираль ДНК. Представляет собой две полинуклеотидныё цепи, закрученные в двойную спираль (рис. 122). Каждое азотистое основание одной цепи направлено вглубь спирали и связано слабыми межмолекулярными связями с азотистым основанием другой цепи. Важно, что аденин всегда размещается с тимином, а цитозин — с гуанином. Следовательно, азотистые основания как бы дополняют друг друга. Иными словами, они располагаются по принципу комплементарности. Модель двойной спирали ДНК предложили в 1953 г. американский учёный 204 I Д. Уотсон и английский учёный Ф. Крик, их исследования были отмечены Нобелевской премией (1962 г.). Биологическая роль ДНК. Открытие структуры ДНК имеет огромное научное значение, поскольку эта структура связана с функциями ДНК в организме. Двойная спираль ДНК — это хранилище наследственной информации. Она записана (закодирована) в виде последовательности азотистых оснований в полинуклео-тидной цепи. Каждая тройка последовательно расположенных оснований (триплет) — это своеобразная «буква» генетического кода, единица наследственной информации; её называют кодоном. Передача информации происходит благодаря способности ДНК к репликации (от лат. replicatio — отображение). ДНК удваивается, чтобы обеспечить дочернюю клетку полным набором соответствующих молекул. В момент деления клетки разрываются межмолекулярные связи, двойная спираль начинает раскручиваться, разделяясь на две цепи. На каждой из них строится дополнительная цепь за счёт нуклеотидов, которые поступают из окружающей среды, размещаясь по принципу комплементарности. Образуются новые связи между азотистыми основаниями. В результате происходит точное воспроизведение исходной двойной спирали (рис. 123). Этот процесс является молекулярной основой наследственности. Любая ошибка в воспроизведении двойной спирали может стать причиной мутации. Не менее важна ещё одна функция ДНК: она направляет синтез белка в ор- СНаОН Дезоксирибоза Рис. 122. Модель двойной спирали ДНК Рис. 123. Схема двойной спирали ДНК и её репликации 205 ганизме. Последовательность азотистых оснований в НК определяет последовательность аминокислотных остатков в белке. Каждой аминокислоте соответствует определённый кодон. Следовательно, структура молекул НК определяет структуру молекул белков. ВЫВОДЫ Нуклеиновые кислоты — это природные полимеры. Мономерные компоненты НК — нуклеотиды — состоят из химически связанных нуклеозидов (азотистое основание -I- углевод) и остатков фосфорной кислоты. Различают два типа НК — рибонуклеиновые (РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Они отличаются составом углеводов и азотистых оснований. Каждая НК обладает определённой последовательностью нуклеотидов. ДНК имеет форму двойной спирали, в которой образуются межмолекулярные связи между азотистыми основаниями. Азотистые основания в ДНК располагаются по принципу комплемен-тарности. Триплет азотистых оснований — это кодон генетической информации. Генетическая информация передаётся посредством репликации ДНК. Задания для повторения 1. Каково химическое строение НК? 2. Дай определение понятий: нуклеиновая кислота, нуклеотид, нуклеозид. 3. Чем отличаются составы ДНК и РНК? 4. Что означает парность азотистых оснований в структуре ДНК? 5. Что такое кодон? 6. К чему может привести ошибка в последовательности нуклеотидов? 7. Охарактеризуй значение открытия структуры ДНК. Дополнительные задания 8. Подумай, как протекают частичный и полный гидролиз НК. Какие соединения при этом могут образоваться? 9. Вычисли число возможных кодонов по формуле: т", где т — количество азотистых оснований, п — количество оснований в кодоне. 206 § 35. ПРИРОДНЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Тебе необходимо различать: природные и синтетические органические вещества; приводить примеры природных и синтетических органических веществ; объяснять: значение органического синтеза; понимать: роль органических веществ в общественном производстве и жизни человека. Ты ознакомился с важнейшими органическими веществами — представителями разных классов: углеводородов, спиртов, сложных эфиров, углеводов, аминокислот, белков, карбоновых и нуклеиновых кислот. Эти соединения отличаются по составу, строению и свойствам, но при всём разнообразии способны к взаимному превращению. Из простейших можно получить более сложные, от соединений одного класса перейти к соединениям другого. • Вспомни из уже изученного материала примеры таких превращений органических веществ. Каковы же источники получения органических веществ? Различают органические соединения, существующие в природе либо полученные из природных веществ, а также изготовленные синтетическим способом, посредством химических превращений из других органических или неорганических веществ. К природным органическим продуктам относятся нефть, природный газ, уголь (то есть полезные ископаемые органического происхождения), а также продукты 207 Рис. 124. Каменный уголь, как и нефть, — неисчерпаемые источники органических соединений Рис. 125. Резервуар для хранения сжиженного природного газа Рис. 126. Органические продукты природного происхождения растительного (древесина, сахар, крахмал, растительные масла, натуральный каучук, хлопковое и льняное волокно) и животного (аминокислоты, белки, жиры, шерсть) происхождения (рис. 124—126). Многие органические веш;ества содержит планктон. К синтетическим органическим продуктам относятся пластические массы, синтетические волокна и каучуки, химические средства защиты растений, лекарственные препараты, красители, мыло и другие моющие средства, фотоматериалы, ароматические, вкусовые вещества и т. д. (рис. 127—129). Благодаря взаимным превращениям органических веществ можно проводить синтезы, направленные на получение веществ с заранее определёнными свойствами. Так, из сравнительно простых по строению углеводородов, содержащихся в нефти или каменном угле, можно синтезировать многие сложные вещества, необходимые и полезные для человека. Синтетическая органическая химия подарила человечеству огромное количество веществ, не существующих в природе, при этом значительно более дешёвых по сравнению с полученными из природного сырья. Поинтересуйся у пожилых людей, как изменились на протяжении их жизни материалы, из которых изготовляют одежду, предметы быта, какие изменения произошли на транспорте, в строительстве, в приготовлении и хранении пищи, в стирке и чистке одежды и т. п. Ты убедишься, насколько продукты синтетической органической химии изменили нашу жизнь, сделали её комфортнее. 208 Рис. 127. Эти предметы с твоего письменного стола изготовлены из синтетических материалов Рис. 128. На синтетической резине ездят все автомобили Рис. 129. Синтетические моющие средства Ш.НЮ.-Ь! Источники получения органических веществ — вьщеление их из природного сырья и химический синтез. Синтез даёт возможность получать вещества с заранее определёнными свойствами. Синтетическая органическая химия обеспечивает ценными веществами все отрасли общественного производства. 209 Задания для самоконтроля 1. Охарактеризуй источники органических соединений. 2. Объясни значение органического синтеза. 3. Установи соответствие между веществами и продуктами их переработки Вещество Продукт переработки 1 целлюлоза А патока 2 метан Б бумага 3 крахмал В бензин 4 жир Г мыло Д сажа 4. Выбери из перечисленных предметов и материалов те, в составе которых имеются органические вещества: электрическая лампочка, тефлоновое покрытие сковороды, упаковочная плёнка, пуховая подушка, жемчужное ожерелье, вино, кафель, сливочное масло, варенье. Составь формулы этих органических соединений. 5. Составь рассказ о получении и переработке органических веществ в своём регионе. ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА 5 Решение экспериментальных задач по определению органических веш;еств Вариант 1 1. В пронумерованных пробирках находятся: а) глицерин; б) раствор уксусной кислоты; в) раствор крахмала. Определи эти вещества. 2. Докажи, что ацетат натрия — соль слабой кислоты. Результаты опытов подтверди, по возможности, уравнениями химических реакций. Вариант 2 1. В пронумерованных пробирках находятся растворы: а) глюкозы; б) белка; в) уксусной кислоты. Определи эти вещества. 2. Докажи, что полиэтилен — термопластичный материал. Результаты опытов подтверди, по возможности, уравнениями реакций. 210 § 36. МЕСТО ХИМИИ СРЕДИ НАУК О ПРИРОДЕ Тебе необходимо {объяснять: сущность понятия «материя»; характеризовать: химическую форму движения материи; рбосновывать: место химии среди наук о природе; анализировать: химический состав оболочек Земли; устанавливать: связь между оболочками Земли. Различают три основные науки о природе — физику, химию, биологию. Предметом их изучения является материя, то есть всё существующее, сущее, в целом окружающий нас мир, со всем многообразием его существования и превращений. Неотъемлемым свойством существования материи является движение. Материя находится в непрерывном движении. Формы этого движения — чрезвычайно разнообразны и взаимосвязаны. Каждая естественная наука изучает определённую форму движения материи. Физика изучает механическое движение — перемещение тел и масс в пространстве, что является простейшей формой движения, а также физические процессы — электромагнитные, гравитационные, ядерные, связанные с механическим движением, но они не сводятся лишь к нему. Это так называемая физическая форма движения материи. Она присуща абсолютно всем материальным объектам, и потому лежит в основе всех других форм движения. Простейшими её носителями являются элементарные частицы — протоны, нейтроны, электроны и другие. Химия изучает химическую форму движения материи Химия — это наука о химической форме движения материи, лежащей в основе развития живой и неживой природы 211 Аргон 0,93 % Другие газы Рис. 130. Состав атмосферы Земли Химия изучает химическую форму движения материи — химические реак-, ции. Они представляют собой физичес-) кую форму движения, например переход электронов от атомов одних элементов к i атомам других элементов, и сопровождав ются физическими процессами — погло|-щением либо высвобождением теплоты] или света, изменением цвета и т. д. Но химические процессы не сводятся лишь к физическим формам движения. Простейшим носителем химической формы движения материи является атом, в частности ионизированный. Итак, химия — это наука о химической форме движения материи, лежащей в основе развития живой и неживой природы. Объектом изучения химии являются химические элементы и их соединения. Именно химические элементы — это те «кирпичики*, из которых создана Вселенная. Все химические элементы образов£1Лись в результате сложных процессов ядерного синтеза в звёздах и космическом пространстве. Существует много теорий, объясняющих происхождение химических элементов и их распространение на Земле и в Космосе (мы их не рассматриваем). • Вспомни, какие элементы преобладают во Вселенной, и сравни с распространением их на Земле. Наша планета Земля, согласно современным представлениям, образовалась почти 4,7 млрд лет тому назад из рассеянного в околосолнечном пространстве газопылевого вещества. В результате химической эволюции вещества (под влия- 212 нием его гравитационного поля, разогрева и частичного расплава в недрах Земли) возникли и сформировались различные по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам гео-сферные оболочки нашей планеты, например атмосфера, гидросфера, литосфера и биосфера. 1 Атмосфера — воздушная оболочка Земли, имеющая определённое строение (рис. 130) и соответствующий состав (табл. 9). Таблица 9. Приблизительный состав воздуха Газ Доля газа, % Название Фор- мула объём- ная массо- вая Азот N2 78 75,5 Кислород 02 21 23 Аргон Аг 0,93 1,3 Оксид углерода(1У) СО2 0,03 0,05 Другие 0,04 0,15 Геосферные оболочки Земли: атмосфера, гидросфера, литосфера (земная кора), биосфера Экзосфера 400 В состав воздуха входят также пыль, водяной пар и примеси различных газов: SO2, СН4, NH3, СО и др. Они отрицательно воздействуют на окружающую среду и здоровье человека. • По данным формулам приведи названия газов. Но воздух не всегда был таким. Состав атмосферы изменялся в процессе химической эволюции вещества. Вначале атмосфера (несколько миллиардов лет тому назад) состояла из оксида углеро-да(1У) СО2, азота N2 и водяного пара Н2О. С развитием зелёных растений в атмосфере появляется кислород О2 (= 1,5—2 млрд лет). Его содержание с течением времени -120 -60 60 120 180 240 300 360 Рис. 131. Строение атмосферы (По Е. П. Митрясовой) 213 Кислород Ог появился в атмосфере Земли = 1,5—2 млрд лет тому назад в процессе развития зёленых растений возрастало, а в последние 0,5 млрд лет остаётся практически неизменным. В атмосфере под влиянием ультрафи-, олетового излучения Солнца происходят различные химические процессы (фотодиссоциация, фотоионизация и др.), час-j тично они поглощают губительное излу чение Солнца и защищают всё живое на Земле (рис. 138). Но в атмосфере под возг действием природных и в особенности! антропогенных факторов наблюдаются также отрицательные явления — озоновые дыры, парниковый эффект (с ними ознакомишься позднее), кислотные дожди и т. д. Атмосферу необходимо защищать от загрязнителей, которые приводят к неблагоприятным последствиям. Следует помнить, что атмосфера — это своеобразный регулятор обменных процессов между Землей и космосом. Гидросфера — водная оболочка Земли. Воде принадлежит важнейшая роль в геологической истории планеты. Жизнь 214 \ на Земле зарождалась в воде. Вода стала \ первоначальной средой для эволюции \ органического мира. Она входит в состав \ всех живых организмов. Например, орга-\низм человека на 65 % состоит из воды. Вспомни физические свойства воды. Напиши уравнения реакций, характеризующих химические свойства воды. Охарактеризуй значение воды в жизни природы и в промышленности. Водная оболочка Земли очень тесно связана с газовой оболочкой: атмосфера насыпдается водяным паром, а воды Мирового океана поглощают и растворяют атмосферные газы. Поэтому в гидросфере химических элементов больше, чем в атмосфере. Каждый химический элемент, соединения которого растворимы, осуществляет естественный циклический путь — круговорот. Круговорот веществ на Земле — это циклические процессы превращения и I миграции веществ в природе. Са 3 % ^ Вода распространена на Земле очень неравномерно. В 'морях и океанах сосредоточена основная её масса — 97,3 %. Это солёная вода; кроме кислорода и водорода — компонентов собственно воды, в значительном количестве имеются хлор, натрий, магний, сера, калий, бром, углерод. Морская вода непригодна для употребления. А пресной воды на Земле мало, всего 2,7 %. Известно много районов, где воды катастрофически не хватает, а в некоторых местах она утратила свои свойства и стала непригодна для Na 2.5 % Рис. 133. Состав земной коры. В земной коре есть практически все элементы периодической системы. Но более 99 % её массы составляют 9 элементов: О, Si, А1, Fe, Са, Na, К, Mg, Ti 215 использования в связи с непродуманными действиями человека. Поэтому проблема охраны водных ресурсов имеет огромное значение. Земная кора — верхняя оболочка «твёрдой» Земли. Она имеет разную толщину, её слагают разнообразные горные породы (базальты, граниты, осадочные породы) и минералы (силикаты, алюмосиликаты, карбонаты, сульфиды, сульфаты). В их составе — различные химические элементы, но преобладают кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний, титан. В земной коре массовая доля данных элементов (вместе с кислородом) составляет почти 99,4 % (рис. 133). Биосфера — оболочка планеты Земля; включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть земной коры (рис. 134). 216 Термин «биосфера» предложил в 1875 г. австрийский учёный Э. Зюсс. Учение о биосфере как активной оболочке Земли, в пределах которой совокупная деятельность живых организмов, в частности че-1ловека, проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создал в 1926 г. украинский и россий-|ский учёный В. И. Вернадский. В биосфере живые организмы и среда [ИХ обитания органически объединены и взаимодействуют между собой. В живой природе именно вещества осуществляют взаимосвязи между организмами и средой в экосистемах. Человек в процессе своей деятельности часто ухудшает состояние той или иной части биосферы, возникают экологические конфликты, в основе которых лежат реальные химические процессы. Итак, мы убеждаемся, что материя находится в постоянном движении, изменяется в своей вещественной форме. В результате химическая эволюция веществ способствовала появлению биологической формы движения материи. Она Возникла вследствие развития не только веществ, но также их агрегатов, химических систем и процессов, происходящих в этих системах. Биологическая форма движения материи невозможна без механической, физической, химической форм, но не исчерпывается ими, поскольку является качественно новой формой движения материи, отличающейся от предыдущих. Простейший носитель биологической формы движения — клетка. В отличие от химических реакций, которые протека- Вернадский Владимир Иванович (1863—1945) Украинский академик и российский естествоиспытатель, создатель геохимии, биогеохимии. Обогатил науку идеями, которые положили начало развитию ведущих направлений современной минералогии, геологии, гидрогеологии. Начал поиск урана и радия, развил теорию проблем окружающей среды. Инициировал создание Академии наук Украины, её первый президент. Организатор Государственной публичной библиотеки в Киеве, ныне она носит его имя Клетка — химический реактор. В живой клетке каждую секунду протекают сотни и тысячи химических реакций 217 ют в неживых системах и базируются на столкновении беспорядочно расположенных в пространстве молекул, в клетке взаимодействуют молекулы, закреплённые там пространственно. Живые системы состоят преимущественно из углерода, водорода, азота, кислорода и фосфора. Правильное понимание биологии, в частности молекулярной, базируется на подробном знании структур, свойств и реакционной способности биомолекул. Эти фундаментальные знания приобретаются в процессе изучения химии. ВЫВОДЫ Понятие «материя» охватывает все объекты, системы, свойства, связи и формы движения, реально существующие в мире, от элементарных частиц до Галактик. Особый тип материальных систем — живая материя. Различают несколько основных форм движения материи, например физическая, химическая, биологическая. Такая классификация имеет объективный характер, поскольку отображает объективное развитие материи от простого к сложному, от низших форм к высшим. Одновременно она является классификацией наук, изучающих эти формы движения материи. Следовательно среди наук о природе химия находится между физикой и биологией. Химические знания в значительной степени формируются на основе физических' и, в свою очередь, являются основой для накопления биологических знаний. В природе существует круговорот — циклическое движение атомов химических элементов, охватывающее все оболочки Земли. Благодаря циклической миграции атомов осуществляется обмен веществ (и энергии) между земной корой, гидросферой и атмосферой. Определяющий фактор циклической миграции — живое вещество, активно действующее на поверхности земной коры, в нижних слоях атмосферы и Мировом океане. Геохимическая деятельность живого вещества способствовала возникновению особой оболочки Земли — биосферы. На природные процессы значительное влияние оказывает жизнедеятельность человека, в результате которой возникают глобальные экологические проблемы. 218 Задания для самоконтроля Объясни, что такое материя. Какие формы движения материи ты знаешь? Объясни сущность химической формы движения материи на конкретном при мере. Сравни состав современного и первобытного воздуха. Какова причина изменения его состава? Охарактеризуй водную оболочку Земли, раскрой её роль в природе. Обоснуй взаимодействие оболочек Земли. Что такое биосфера? Оцени влияние человечества на .её состояние. Обоснуй место химии среди наук о природе. § 37. РОЛЬ ХИМИИ В ЖИЗНИ ОБЩЕСТВА Тебе необходимо обосновать: роль химии в разных отраслях промышленности и сельскогР хозяйства: приводить примеры: использования химических соединений в разных отраслях хозяйства и в повседневной жизни; охарактеризовать: сущность химизации; оценить: её пользу и вред; объяснить: социальное значение химии. Изучение химии как одной из фундаментальных естественных наук необходимо для формирования научного мировоззрения, развития образного и логического мышления, творческого роста будущих специалистов. Большое значение имеет химия и в жизни каждого человека, в его повседневной практической деятельности. «Широко простирает химия руки свои в дела человеческие» — эти слова великого российского учёного Михаила Ломоносова, сказанные им почти 250 лет назад, и в наши дни не утратили своего Рис. 135. Химическая лаборатория 219 Рис. 136. Лекарственные препараты Рис. 137. Ядерный реактор Рис. 138. Цементовоз значения, напротив, звучат с особой силой. Ведь сейчас, как никогда, велика роль химических соединений, процессов и в целом химических знаний в жизни общества. «Век химии», «Век полимеров» — эти образные характеристики не являются преувеличением. Они наглядно отображают объективный факт беспрецедентного по своей значимости, масштабности и последствиям вторжения химии в разнообразнейшие сферы деятельности человека, всей жизни общества. Известно, что наибольшее значение для промышленности и сельского хозяйства, транспорта, обороны страны и бытовых потребностей имеет твёрдое, жидкое и газообразное топливо. Химия занимает ключевые позиции в разработке процессов производства разных видов топлива, создании ракетного топлива и окислителей для него. Совместно с физикой разработаны научные основы получения топлива для ядерных реакторов. В связи с уменьшением запасов природного газа и нефти химики уже сегодня заботятся о топливе будущего. Так, предполагается добыча синтетического газа метана из каменного угля: С + НгО -» СО + Нг (конверсия угля); ЗНг + СО -> СН4 + НгО. Метод конверсии угля приобретает большое значение также для развития водородной энергетики. Водород как экологически чистое топливо может использоваться всеми видами транспорта. Не меньшее значение имеет использование этанола С2Н5ОН как горючего вместо бензина. Это будет огромным достиже- 220 нием химиков, поскольку продукты сгорания этанола не загрязняют воздух. • Напиши уравнение реакции горения этанола. Итак, химия играет важную роль в современной энергетике. Промышленное производство невозможно представить без машин и инструментов. Основными материалами для их производства являются металлы и сплавы, которые получают в процессе химической переработки природных минералов. Химия даёт металлургии способы исследования руд с целью определения в них содержания необходимых металлов, способы обогащения сырья и извлечения полезных металлов, интенсификации металлургических процессов, а также способы улавливания, разложения и переработки отходов. Например, доменные шлаки используют для производства шлакоситала — прочного и твёрдого материала, который используется в строительстве. По комплексу свойств и себестоимости он может конкурировать с любым строительным материалом. Итак, химия имеет большое значение для развития и усовершенствования металлургии. Благодаря достижениям химии получают не только металлические, но и новые материалы — сверхпроводники, полупроводники, изоляторы, что способствует развитию электротехники и радиоэлектроники. Новые материалы — сверхпрочные, термостойкие и т. д. используются в конструкциях спутников, космических кораблей, ядерных реакторов. Рис. 13‘).Тру'>ы Рис. 140. Т(‘|)мостойкие матери-;uti>r ис11ол1.:пмот п конструкциях 1>а!С(‘т 221 Рис. 141. Искусственный сустав. Из титановых сплавов, сплавов кобальта с хромом (30 %) и молибденом (5—7 %) изготавливают тазобедренный сустав, а для его чашечки используют полиэтилен Быстрыми темпами развивается производство полимеров: пластмасс для изготовления деталей машин и механизмов, каучуков для производства шин, покрышек, прокладок; изоляционных материалов; синтетических волокон; искусственной кожи и других кожзаменителей и т. д. Химия имеет большое значение и для производства продуктов питания. Растениеводству она даёт минеральные и органоминеральные удобрения, средства защиты растений от сорняков, вредителей, болезней, а животноводству — кормовые добавки, витамины, лечебные и санитарные средства. Кроме того, многие процессы пищевой промышленности, которая перерабатывает первичные сельскохозяйственные продукты, тесно связаны с химией — это производство уксуса, спирта, сахара, маргарина, крахмальной патоки, консервантов. Итак, химия глубоко проникла в сельское хозяйство и пищевую промышленность. Большое значение имеет химия и для здравоохранения. Химические, продукты используют как средства для лечения, дезинфекции, обезболивания, производства кровезаменителей, искусственных суставов, зубных протезов и т. д. Благодаря таким продуктам, как духи, ванилин, мыло и моющие средства, растворители, лаки, краски, дезинфицирующие вещества, средства для выведения пятен, химия имеет особое значение для человека, его повседневной жизни. Стремительное развитие химизации во всех отраслях производства сегодня на- 222 блюдается во всем мире, что требует переоценки социального значения химии. Ещё сравнительно недавно каждое достижение в практическом освоении и изучении химического действия веществ воспринималось как очередное доказательство господства человека над природой и оценивалось как благо для человечества. А сегодня мы видим другую крайность: появилась своеобразная мода подвергать критике и саму химию, и использование химических продуктов и методов. Химизация производства часто представляется «главным виновником» угрожающего загрязнения окружающей среды, пропагандируется отказ от химизации, от использования искусственных и синтетических продуктов. В сознании обывателя химические продукты ассоциируются с чем-то противоестественным. Но общеизвестно, что химизация как практическое использование свойств веществ и их превращений в производстве средств жизнедеятельности человека начиналась в те давние времена, когда первобытный человек научился использовать огонь. Реакция горения — это первый химический процесс, практически освоенный человеком и нашедший широкое и разнообразное применение в жизни общества, создании материальных благ, в практическом использовании веществ. Сегодня химизация — это использование химических процессов и химических материалов его всех отраслях хозяйства, комплексное использование вещества и энергии, которое обеспечивается химическими методами. Элементы Рис. 142. Бетонная плотина 223 Рис. 143. Анализ качества воды природного водоёма химизации встречаются даже в тех производствах, где преобладают механические операции и механическая обработка. Например, использование бетона в строительстве, пропитка древесины специальными веществами для уменьшения горючести или гниения, что увеличивает срок использования изделий и, в итоге, повышает производительность труда. Итак, что касается отрицательного влияния на окружающую среду и здоровье человека, то виновата не собственно химия, а люди, недостаточно химически образованные, либо люди, химические знания которых не достигли функциональности или уже утратили её. Такие люди обычно пренебрегают знаниями о веществах и химических процессах, легко нарушают нормы и правила их использования, проектируют производства без очистных сооружений для их удешевления, закапывают отходы в землю либо сбрасывают в водоёмы, распыляют химикаты и т. д. Их деятельность наносит непоправимый урон здоровью людей и окружающей среде. Такой урорень практической химизации провоцирует столкновение общественного сознания с рядом вопросов химического, технологического, экологического и социального характера. Завершая базовое химическое образование, ты, безусловно, уже представляешь диалектическую природу химии, её пользу и вред. Понимаешь, каким образом и почему для человечества и природы благом либо злом становятся те могущественные и очень тонкие в своей избирательности химические действия веществ. 224 которые использует человек. И независимо от того, какому профилю обучения ты в дальнейшем отдашь предпочтение, всегда помни о гуманистической направленности химии и старайся реализовать это в своей практической деятельности. Понимая, что такое химия в руках человеческих, всегда совершенствуй свои химические знания, помни об их социальном и общекультурном значении. В]Л«ОД|>Г Химия как наука не только способствует познанию окружающего мира, это также сфера производственной деятельности человека. С глубокой древности и до наших дней химия всегда служила и продолжает служить человеку, его практической деятельности. Без развития химии невозможно дальнейшее развитие топливно-энергетического комплекса, металлургии, транспорта, строительства, электроники, космической техники, сферы быта и т. д. Проникновение новых веществ и современных материалов, химических методов в основные отрасли промышленного и сельскохозяйственного производства, сферу быта, здравоохранение способствует их прогрессу. Именно поэтому происходит химизация практически всех сфер человеческой деятельности. Химизация — это использования свойств веществ и материалов, химических процессов и методов анализа в практической деятельности человека, в сфере материального производства. Химизация даёт возможность решать многие вопросы хозяйственной жизни общества, но при этом провоцирует новые проблемы, связанные с состоянием природной среды и здоровьем человека. Современное состояние, химизации остро сталкивает общественное сознание с рядом глобальных проблем (энергетической, сырьевой, продовольственной, экологической), которые волнуют человечество и требуют безотлагательных решений. 225 Ответы к заданиям § 1 3. л(Ге(МОз)з = 1 моль. 8. Li. §2 6. рЗЗ;Р. 7. Ge. § 6 8. (В). §7 3.(А),(Г). § 8 4. ^(Нг) = 5,6 л. 7. Ва. §9 1.(Г). 2. (В). 3. 17,9%. 4. m(NaCl) = 100 г; 5. W(NaCl) = 7 %. 6. с(соли) = 0,4 моль/л. 7. W(FeS04) = 4 %. 8. Ж(КНз) = 36 % . 9. Ж(ЫаОН) = 32 %. 10. 200 г раствора. 11. с(НзР04) = 1,61 моль/л. 12. W(H2S04) = 66,85 % . 13. т(р-ну) = 296,2 г. 14. c(NaOH) = 4,12 моль/л. § 10 6. (б), (в), (г). § 11 3. В. 4. В. 5. Г. 6. В. 7. т(А1®^) = 5,4 г. 8. Н3РО4, H2S. 9. п(Н") = 0,015 моль. 10. 0,5 моль. §12 2. В. 5. Г. 6. Б, В. 8. В. 9. В. 10. Б. §13 3. Д,Е. 4. А, В. 6. Б. § 14 5. А, Г. 6. А, Г. 7. Б. 8. Г. §15 1.А. 3. Б, В. 5. m(S) = 64 г, Р(02) = 44,8л. 7. Г. 8. Б. 9. 13,8 кДж, 3 214 кДж, §16 5.1) = 0,1 моль/(л • с). 6. В. 7. у = 0,2 моль/(л • с). 8. у = 0,075 моль/(л • с). § 17 4. Г. § 18 3. Г. 4. Г. 5. Б. 7. В. 8. минус. 9. Г. 226 10. В. 4. Б. §20 7. В. 6. /п(СНзСООКа) = 6,8 г. 10. Б 7. В. §21 5. А; Б. 11. лг(эфира) = 132 г. 6. В. 13. В. 13. В. 16. 1 —Д;2 —Г;3 —А; §22 8. Б. 4 —В. 9. 1 —Б;2 —В; §27 1. Б. 3 — А; 4 — Г. 6. А. §23 3. Г. §28 4. F(C02) = 33,6 л. §24 6. Г. §29 5. Г. 8. Б. §30 10. 1 —Б; 2 —Г; 3 —А; 11. т(С2Н.50Н) = 92 г. 4 —В. §25 3. В. §35 3.1 —Б;2 —Д;3 —А; §26 2. А; Г. 4 —Г. толковый СЛОВАРИК Анионы — отрицательно заряженные ионы. В электрическом поле перемещаются к аноду. Брожение — химический процесс преобразования глюкозы под воздействием микроорганизмов, точнее природных катализаторов (ферментов). Различают спиртовое, уксуснокислое, молочнокислое и другие виды брожения. Гидрофильный — обладающий большим сходством с водой; легко смачивается водой, её молекулы адсорбирует в первую очередь. Диполь — совокупность двух равных по абсолютной величине разноимённых электрических за- рядов, расположенных на определённом расстоянии один от другого. Дисперсия — рассеяние, раздробление, измельчение. Диссоциация — разложение (распад) молекул на простые молекулы, атомные группы или ионы. Ионы — электрозаряженные частицы вещества, образованные из атомов или атомных групп в результате потери либо присоединения к ним электронов. Катионы — положительно заряженные ионы. В электрическом поле перемещаются к катоду. 227 Классификация — система подчинённых понятий (классов объектов) определённой области знаний или деятельности человека; используется для установления связей между этими понятиями или классами объектов. Коллоидный — клееобразный, желеобразный. Конфигурация — 1) общий вид, очертания; 2) взаимное размещение предметов, в данном случае — электронов в атомах. Концентрация — соотношение числа частиц компонента системы (смеси, раствора, сплава), его количества (молярная концентрация) или массы (массовая концентрация) к объёму системы. Кристаллизация — процесс формирования кристаллов из пара, раствора, расплава. Играет большую роль в атмосферных явлениях и почве (снег, лёд); лежит в основе металлургических и литейных процессов, при получении по-.пупроводниковых, оптических и других материалов. Минералы — природные химические соединения кристаллического строения; (1юрмируются в результате физико-химических процессов, входят в состав горных пород, руд и других минеральных тел. Преобладают твёрдые минералы, имеются также жидкие (вода, ртуть). Неоднородный — разный относительно своего состава; смесь двух или более компонентов. Однородный — относится к одному и тому же роду, разряду; характеризуется одинаковыми свойствами, признаками. Органическая химия — наука, изучающая органические соединения (вначале были обнаружены в организмах растений и животных). Пестициды — химические средства борьбы с вредными организмами (насекомыми, клещами, грибами, бактериями, грызунами и др.). Смог — сильно загрязнённый воздух, смесь дыма, копоти, тумана и пыли. Термодинамика — раздел теоретической физики, изучающий свойства термодинамических систем, находящихся в состоянии теплового равновесия, и процессы их перехода из одного равновесного состояния в другое. Термохимия — рораздел химической термодинамики, изучающий тепловые явления при химических реакциях, нагревание или охлаждение в результате растворения чего-либо в жидкости. Химическая кинетика — раздел физической химии, изучающий механизмы и закономерности протекания химических процессов во времени, а также промежуточные продукты, образующиеся при этом. 228 Ионы РАСТВОРИМОСТЬ кислот ОСНОВАНИЙ и СОЛЕЙ В ВОДЕ н" к" nh; А1"^ Ag" Си'* РЬ'* Sn'* ОН" р р р р м н н н н н н н н — н н н сг р р р р р р р р р р р р р р н р р м р Вг" р р р р р р р р р р р р р р н м р м р 1" р р р р р р р р р р — р р р н н — н м S'" р р р р р м м — — н — н н н н н н н н sor р р р р н н н — — н — н н н н — — н — sor р р р р н м р р р р р р р р м р р н р роГ р р р р н н н н н н н н н н н — н н н соГ р р р р н н н — — н — — н н н — н н — sior н р р — н н н н — н н — н н — — н н — no: р р р р р р р р р р р р р р р р р р р СНзСОО" р р р р р р р — р р — р р р м р р р р р |- растворимые м|- малорастворимые н |- нерастворимые - I разлагающиеся или не существуют Периодическая система химических элементов (короткая форма) ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ II III IV V VI VII VIII н 1 .0079 Не 2 4,0026 Is’ j^oflopon I ‘ I 6,94 1 (Mi'|2s' Be (1ИГИЙ бериллий 4 9,0122 [Не] 2s’ N '1 22,990 ишрии jNclSs' Mg 12 24,305 [Nc]3s’ В 5 10,811 [Ho)2s’2p' бор A1 алюминии 13 26,982 [Nc]3s’3p' углерод 6 12,011 [He]2s’2p’ Si кремний 14 28,086 [Ne)3s’3p’ N 7 14,007 !He]2s’2p‘ фосфор 15 30,974 ]Ne]3s^p’ О кислород 8 15,999 [He]2s’2p" сера 16 32,066 [Ne]3s’3p' фтор 9 18,998 ]Hc]2s’2p' Ne 10 20,179 (He]2s’2p'' Cl хлор 17 35,453 [Ne]3s’3p" Ar аргон 18 39,948 [Ne)3s’3p‘ Символ Порядковый F 9 18,998- фтор [He]2s’2p' Название элемента Электроннв! конфигурац! систематическое К К/1ПИИ 19 39.098 (Ar)'ls' Са кальций 20 40,078 (Ar]4s’ 21 44,956 (Ar|3d‘4s^ скандий 22 47,88 [Аг] 3d4s^ Ti 23 50,942 (Ar]3 V-/II I Ar|3d"'4s' медь 30 65,39 |Ar)3d"’4s’ Zn цинк vjrt 69,723 lAr]3d“*4sMp‘ галлий VIC 72,59 [Ar)3d*®4sMp2 германий A ^ 741922 [Ar]3d‘®4^4p' МЫШЬЯК Se селен 34 78,96 [Ar]3d'°4s’4p’ 35 Br 79,904 [Ar]3d‘”4sMp' Kr бром 36 83,80 [Ar]3d'“4s’4p“ криптон 3 Rb рубидий 37 85,468 |Kr|5s' Sr стронции 38 87,62 [Kr]5s’ 39 V 88,906 X (Kr]4d'5s’ иттрий 40 91,224 [Kr)4d’5s’ Zr цирконии T]4d’5s' J НИОШЙ 41 92, [Kr]4d 95^94 Mo (Krj4d'5s' молибден 43 (99) (Kr)4d'5s’ ' Tc технеции 44 101,07 [Kr]4d’5s' Ru рутении 45 102,91 (Kr]4d’'5s' Rh родии 46 n 106,42 JT tKr]4d“'5s" naniuv 47 107,87 |Kil4d'"5s' Ag серебро 48 112,41 V-/XX iKrl4d'"5s’ кадмий Т о XII 114,82 (Krl4d“'5s’5p' индий Sn 50 118,71 ]Kr)4d'“5s’5p’ олово Sh о и 121,75 [Kr)4d'‘'5s’6p' сурьма ХС 127,60 |Kr)4d'"5s’5p" теллур_______________ 53 126,90 [Kr)4d“'5s’5p^ иод 131,29 [Kr]4d'<’5s’5p‘ ксенон (> Cs цнлии 55 132,91 (Xe)6s' Х>«х 137,33 |Xe|6s’ барий___________ 57 138,91 * La (Xe]5d'6s’ лантан 72 XJir 178,49 XXX |Xe)4f'<5d’6s’ гафний IЯ 180,95 *<Х [Xe)4f’5d‘6s’ тан 74 W 183,85 |Xe]4f'*5d*6s’ вольфрам 75 О#» 186,21 XVC [Xe)4f'<5d'6s’ рений Оч 190,2 V/» lXe)4f>"5d‘^6s2 осмий 1г 77 192 22 [Xei4f'*5d’6s’ иридий 78 I 195,08 Ш (Xel4f'*5d''6l.' плац Ап 140.97 ТА. IX |Хе| U"5d"'(.s' ЗОЛОТО Hg IXi‘i4f'^5d'"6s2 ____________ртуть Т1 А t 204,38 (XeJ4f'"5d'^’6s^6p' таллий РЬ А 207,2 (Xe]4f'^5d'‘'6s26p^ свинец Bi 83 20S.98 [Xe]4f'-5d'‘'6s’6p' висмут Ро 84 (209) lXe)4f"5d'“6s’6p' полоний At 85 (210) [Xe]4f'"5d'‘>6s’6p" астат ж Рп 86 XVII (222) [Xel4f"5d'"6s’6p'’ радон Fr ||)рт|ции 87 (223) |Kn|7s’ Ra радии 88 226,02 |Rn)7s’ 89 (227) icic [Rn)6d'7s’ актиний Rf 104 (261) [Rnl5f'"6d’7s’ резерфордий 105 (262) lRn]5f'"6d'7s’ „ дуб^й 106 (263) Og |Rn]5f'"6d^7s’ сиборгий 107 (262) [Rn)5f"'6d'7s’ Bh борий 108 (265) lRii)5f'"6d‘7s’ Hs Mt 109 (266) [Rn]5f"6d’7s’ майтнерий 110 Uu [Rn]5f'*6d*7s' унунни! Hwmuh* OIH'IWIM ((•tyil •<МИЧ>' ^ииммия R/) RO R2O3 RO, R2O3 RO, R2O7 RO, RH, RH, H3R HR irk 58 140,12 |X.'|4l'5d"f.i.' 11приИ 90 2 (2.04 |l5d»6s’ диспрозий Ho 164,93 A XU (Xe)4f*'5d^6s2 гольмий 68 p,. 167,26 XZ/X (Xe)4f’5d"6s’ эрбий 88 Tm 168,93x111 lXe]4f'’5d"6s’ тулий 70 Yh 173,04 X IX (Xe)4f'*5d"6s’ иттербий 1 174,97 A lXc)4^'^^d люта 91 Ря (2.11) X *I |Rn|5l'6d'7s’ ортактиний 92 TT 238.03 ^ lRnl5l'6d'7s^ уран Р2^37) Np (Rnl5P6d'7s- нептуний 94 Pi, (244) X U (RnUSI'^d'Vs’ плутоний р243)Ат (RnjsredW америций 98 Cm (247)VjII1 (Rn]5r6d'7s’ кюрий 8^ Rlx (247) X>JV |Rnl5f'6d"7s’ берклий 98 (249) V>1 [Rn|5f"’6d»7s’ калифорний 99 Pc (252) Х^э [Rn]5f"6d‘'7s’ эйнштейний (\^?) Fm [Rn)5f’6d“7s’ фермий 101 ДХЛ (258) iVlU. |Rn]5f''6d“7s’ менделевий 102 (259) i>IV> [Rnl5f'<6d*7s’ нобелий 103 1 (260) M (Rn|5f'6i. лоурен Периодическая система химических элементов (длинная форма) ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ ПА П1Б IVB VB VIB VIIB VIIIB IB ПВ IIIA IVA VA VIA VIIA VIIA S-элементы 3079 н юрод 1 р-элементы 941 Li 1ТИЙ 3 9,0122 Be бериллий 4 10,811 в бор 5 12,011 С углерод 6 14,007 N азот 7 15,999 О кислород 8 18,998 F фтор 9 ,990 трий 1 ■i 24,305 Mg магний i О ^ d-элементы 26,982 А1 алюминий 13 28,086 Si кремний 14 30,974 Р фосфор 15 32,066 S сера 16 35.453 С1 хлор 17 n 1 A ^ ^ .098 К 1ЛИЙ 19 40,078 Ca кальций 20 44,956 Sc скандий 21 47,88 Ti титан *22 50,942 V ванадий 23 51,996 Cr хром 24 54,938 Mn марганец 25 55,847 Fe железо 26 58,933 Со кобальт 27 58,69 Ni никель 28 63,546 Си медь 29 65,39 Zn цинк 30 69,723 Ga галлий 31 72,59 Ge германий 32 74,922 As мышьяк 33 78,96 Se селен 34 79,904 Вг ^ом .468 lb 1идий i7 87,62 Sr стронций 38 88,906 Y итрий 39 91,224 Zr цирконий 40 92,906 Nb ниобий 41 95,94 Mo молибден 42 (99) Тс технеций 43 101,07 Ru рутений 44 102,91 Rh родий 45 106,42 Pd палладий 46 107,87 Ag серебро 47 112,41 Cd кадмий 48 114,82 In индий 49 118,71 Sn олово 50 121,75 Sb сурьма 51 127,60 Те теллур 52 126,90 I йод 53 2.91 )9ИЙ >5 137,33 Ba барий 56 138,91 La“^ лантан 57 178,49 Hf гафний 72 180,95 Та тантал 73 183,85 w вольфрам 74 186,21 Re рений 75 190,2 Os осмий 76 192,22 1г иридий 77 195,08 Pt платина 78 196,97 Аи золото 79 200,59 Hg ртуть 80 20438 Т1 таллий 81 207,2 РЬ свинец 82 208,98 Bi висмут 83 (209) Ро полоний 84 (210) At астат 85 23) ?r 1НЦИЙ 17 226,02 Ra радий 88 (227) актиний 89 (261) Rf оеэерфорди|р 104 (262) Db дубний 105 (263) Sg сиборгий 106 (262) Bh борий 107 (265) Hs гасий 108 (266) Mt майтнерий 109 •Uun унуннилий 110 г. ' 1(с 2 20. I/O Nc 10 »0,'ММ Лг М|ИПМ 18 HI,но Кг и|1И1тн« 38 I Ч./о Хс иовмии 84 (22/) Ко 8в /- -элементы 140,12 Се церий 58 140,91 Рг празеодим 59 144,24 Nd неодим 60 (147) Pm Прометий 61 150,36 Sm самарий 62 151,96 Ей европий 63 157,25 Gd гадолиний 64 158,93 ть тербий 65 162,5 Dy диспрозий 66 164,93 Но гольмий 67 167,26 Ег эрбий 68 168,93 Тт тулий 69 173,04 Yb иттербий 70 174,97 Lu лютеций 71 232,04 тъ торий 90 (231) Ра протактиний 91 238,03 и уран 92 (237) Np нептуний 93 (244) Ри плутоний 94 (243) Ат америций 95 (247) Cm кюрий 96 (247) Вк берклий 97 (249) Cf калифорний 98 (252) Es эйнштейний 99 (257) Fm фермий 100 (258) Md менделевий 101 (259) No нобелий 102 (260) Lr поуренсий 103