Учебник Химия 8 класс Жилин

На сайте Учебник-скачать-бесплатно.ком ученик найдет электронные учебники ФГОС и рабочие тетради в формате pdf (пдф). Данные книги можно бесплатно скачать для ознакомления, а также читать онлайн с компьютера или планшета (смартфона, телефона).
Учебник Химия 8 класс Жилин - 2014-2015-2016-2017 год:


Читать онлайн (cкачать в формате PDF) - Щелкни!
<Вернуться> | <Пояснение: Как скачать?>

Текст из книги:
т 'М ФГОС Д.М. Жилин химия ©ИЗДАТЕЛЬСТВО ФГОС Д. М. Жилин ХИМИЯ Учебник для 8 класса Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации к использованию в образовательном процессе в образовательных учреждениях, реализующих образовательные программы общего образования Москва БИНОМ. Лаборатория знаний 2012 УДК 54 ББК 24.12я721 Ж72 Жилин Д. М. Ж72 Химия : учебник для 8 класса / Д. М. Жилин.— М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012. — 268 с. : ил., [16] с. цв. вкл. ISBN 978-5-9963-0904-7 Учебник открывает УМК нового поколения по химии (8-9 классы), в состав которого входят учебники и лабораторные журналы, а также методические и дидактические материалы для учителей, электронные материгшы на диске и ссылки на Интернет-ресурсы. Уделено особое внимание практическим работам с целью приобретения учащимися навыков и умений, что должно способствовать формированию взаимосвязей между формальным химическим языком и реальной жизнью, а также пониманию учебной программы. Учащиеся знакомятся с системой основных химических понятий и окружающим миром как состоящим из химических соединений, приобретают начальные навыки составления уравнений реакций и решения количественных задач химии. Имеются описания опытов. Соответствует федеральному государственному образовательному стандарту основного общего образования (2010 г.). УДК 54 ББК 24.12я721 По вопросам приобретения обращаться: «БИНОМ. Лаборатория знаний» Телефон: (499)157-5272 e-mail: [email protected] http://www.Lbz.ru, http://metodist.Lbz.ru ISBN 978-5-9963-0904-7 БИНОМ. Лаборатория знаний, 2012 ПРЕДИСЛОВИЕ Химия — наука, способная творить чудеса. Фейерверки и материалы для компьютерных чипов; негорючие ткани и пластины, запоминающие форму; компакт-диски и духи — всё это разработано химиками. Некоторые чудеса делать несложно. Другие полезные дела доступны только тем, кто очень хорошо знает химию и очень много работает. Этот курс лишь приоткроет перед вами многообразие веществ и их превращений, покажет подходы к решению их загадок, научит основам химического языка, на котором общаются химики. Даже изучив этот начальный курс химии и получив отличные оценки, вы не сможете изготовить ни негорючей ткани, ни компакт-диска, ни даже фейерверка. Тем не менее, выполнив множество интересных и красивых опытов и усвоив основы химических знаний, вы сможете в старших классах всё дальше и глубже открывать волшебный мир веществ и их превращений. Вокруг вас всегда происходит множество химических процессов — от приготовления пищи до высыхания краски на заборе, от удобрения почвы до стирки белья, от разжигания костров до застывания цемента в кирпичной кладке. Имея багаж химических знаний, вам будет легче понимать эти процессы и проводить их с минимальной затратой сил и средств. Каждый день человек имеет дело с материалами — от тканей для одежды до кровли для крыши, и знание химии поможет вам выбрать наилучший материал. Возможно, в жизни вам будут попадаться разные мошенники, обещающие превратить воду в золото, предлагающие кастрюли с антибактериальным покрытием или таблетки для похудания. Знание химии позволит вам не попадаться на их уловки. КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ УЧЕБНИКОМ А А О Этот учебник, как и любой другой, содержит основы знаний в определённой области науки. Люди воспринимают информацию по-разному: то, что понятно одному, непонятно другому. Одному требуются подробные объяснения, другой в них утонет. Один лучше воспринимает текст, другой — иллюстрацию. Поэтому при изучении химии можно идти разными маршрутами, которые как раз и указаны в этом учебнике. Главный путь — текст, где необходимая информация изложена довольно подробно. На полях содержатся значки (пиктограммы), которые указывают на различные разделы текста и обращают ваше внимание на важность материала. ЗАДАНИЕ. В тексте параграфа предусмотрены задания, выполнение которых поможет понять материал. Эти задания лучше всего выполнять по мере чтения параграфа, желательно письменно. ОПЫТ. В учебнике приведено множество опытов, которые можно выполнить своими руками, необходимых для иллюстрации теоретического материала. Д Опыты, лабораторные и практические работы, в которых требуется составить письменный отчёт, приведены в лабораторном журнале. Предупреждения об опасности и знаки техники безопасности вынесены на поля рядом с опытом, к которому относятся. На с. 10 указаны специальные знаки безопасности. Некоторые опыты следует проводить в защитных очках. На контрольные вопросы следует отвечать устно. При этом ответы на контрольные вопросы и информация, нужная для решения задач, всегда содержатся в одном-двух предыдущих абзацах. В конце параграфа предусмотрены ключевые задания, которые помогут вам понять насколько хорошо вы запомнили и усвоили учебный материал. Вся ключевая информация и определения понятий выделены цветными линиями. Определения нужно понимать и уметь ими пользоваться, иначе дальнейшее изложение будет непонятно. Н Как пользоваться учебником Если нет уверенности, что материал хорошо понят, следует обратиться к примерам. ПРИМЕР. Вполне возможно, что такие же примеры может придумать и кто-то из вас. Информация по теме параграфа, предназначенная для любознательных, изложена мелким шрифтом. При изучении химии один из главных этапов — научиться решать типовые задачи. В учебнике описаны основные приёмы решения задач и даже приведены соответствующие алгоритмы (подробная последовательность действий) с примерами. Обращаться к алгоритмам следует только в том случае, если после чтения основного текста учебника и примеров вы всё-таки не смогли решить задания. Тогда выполнять задание следует, имея под рукой алгоритм. Выполнив первое задание по алгоритму, приступайте к следующему, по возможности не заглядывая в алгоритм. Заучивать алгоритмы категорически не следует — это всего-навсего временная подпорка, которую вы должны отбросить как можно быстрее. В конце каждого параграфа приведены контрольные вопросы, на которые следует ответить устно дома. Вся информация, необходимая для ответа на контрольный вопрос, содержится в этом же параграфе. Кроме того, в конце параграфов имеются задания на дом, которые нужно выполнять письменно. Как правило, эти задания аналогичны тем, которые вы уже встретили в тексте (только задания повышенной сложности, которые отмечены звёздочкой (*), могут вызвать затруднения). Для большинства домашних заданий в конце учебника приведены ответы. ЭТО ИНТЕРЕСНО! Интересная дополнительная информация. После каждого параграфа приведён список ресурсов, в котором указано, где можно взять дополнительную информацию по данной теме. Это либо интернет-ссылки, либо компакт-диски, которые поставляются в школы. В конце учебника находится предметный указатель. поиск и ОЦЕНКА ХИМИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ Мы живём в эпоху информационного взрыва. Море информации вокруг постоянно пополняется с экранов телевизоров, со страниц газет, журналов, из всемирной сети Интернет. К сожалению, многое из этой информации недостоверно. Чтобы не потонуть в информационном море, нужно уметь искать информацию и, самое главное, уметь оценивать её достоверность. Прежде всего нужно запомнить, что абсолютно достоверной информации не бывает. Наиболее достоверную информацию можно получить из справочников, энциклопедий, научных монографий и учебников. Но даже там можно найти досадные ошибки. Книги создаются большим коллективом. Наряду с авторами, над книгами работают редакторы, им помогают рецензенты — первые читатели, призванные оценить достоверность содержащейся в книге информации. Представление об учёном можно получить, набрав в поисковых системах Интернета фамилию вместе с ключевым словом, отражающим область научных интересов этого учёного. Отсутствие в книге указаний на рецензентов (обычно размещаемых на оборотной стороне титульного листа) должно настораживать читателя. Весьма недоверчиво нужно относиться к «энциклопедиям», у которых всего один или два автора и нет научных редакторов. Очень важный источник достоверной научной информации — научные журналы. Большинство издаётся на английском языке, поэтому найти их можно либо в специализированных библиотеках, либо в виде интернет-версий. О новейших научных исследованиях и открытиях можно узнать из научно-популярных журналов. Статьи туда пишут учёные, стараясь в краткой и понятной для читателя без специальной подготовки форме изложить серьёзные научные проблемы. Можно рекомендовать издающиеся в течение десятилетий журналы «Химия и жизнь», «Наука и жизнь», «Природа». Химическая информация из газет и популярных журналов, такая как «горячие» новости, часто преследует исключительно рекламные интересы коммерческих предприятий и поэтому она должна уточняться по научным источникам. Сложнее всего оценивать достоверность информации в сети Интернет, куда каждый пользователь может выложить всё, что угодно. Наиболее достоверна информация на сайтах официальных организаций (например, сайт Министерства образования и науки РФ http://mon.gov.ru/, сайт Федеральной службы государственной статистики России http://www.gks.ru/, статистические данные ООН http://data.un.org, сайт американского агентства по I Поиск и оценка химической информации защите окружающей среды www.epa.gov и т. д.). Заслуживает доверия информация на сайтах профессиональных организаций (например, сайт химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова www.chem.msu.ru или сайт Российского химико-технологического университета им. Д. И. Менделеева www.muctr.ru). Осторожнее нужно относиться к информации на персональных и информационных сайтах. При работе с ними нужно оценивать профессионализм автора и знакомиться с комментариями к статьям. К информации на коммерческих сайтах нужно относиться крайне осторожно, так как она направлена на продвижение коммерческих продуктов. Достоверность информации можно оценить по её содержанию. Химия — экспериментальная наука, поэтому химическая информация должна подтверждаться экспериментом, причём таким, который можно повторить по его описанию. Поэтому подробное описание соответствующих экспериментов или хотя бы ссылки на такое описание говорят в пользу достоверности информации. Крайне сомнительна информация, изложенная с нарушением логического хода рассуждений, противоречащая основным естественнонаучным принципам, известным экспериментальным данным и, разумеется, вашим собственным наблюдениям. Достоверность информации можно проверить, найдя критические отклики (хотя бы в сети Интернет). Никогда не следует читать только одну статью по интересующей теме — всегда нужно найти статью оппонентов. С помощью сети Интернет это сделать довольно легко, так как статьи по одной теме «откликаются» на одни и те же ключевые слова. При этом следует обращать внимание не на число мнений «за» или «против», а на аргументированность критики. Одна статья «против» может перевесить многие статьи «за». Много полезной информации находится на сайтах www.alhimik.ru и www.XuMuk.ru. Ресурсы по конкретным темам приведены в конце каждого параграфа. Наши ссылки на ресурсы нельзя считать исчерпывающими, однако при пользовании другими ресурсами следует помнить про достоверность информации. Ресурсы Библиотека образовательных интернет-ресурсов по химии, http://school-collection.edu.ru/ (Коллекции Предметные коллекции Химия) http://window.edu.ru/window/library (Поиск материала на сайте осуществляется по поисковой строке или с помощью каталога —> Общее образование -> Химия) http://fcior.edu.ru/ (Основное общее образование раздел «Химия»; для работы необходимо скачать с сайта дистрибутив плеера ОМС. Поиск ресурсов по сайту можно осуществлять с помощью каталога или поисковой строки. В разделе «Ресурсы» указаны названия модулей) ■ Поиск и оценка химической информации • Официальный информационный портал единого государственного экзамена, http://wwwl.ege,edu.ru/, демонстрационные варианты ЕГЭ. • Видеозаписи химических экспериментов (на английском языке), http://chemed.chem.purdue.edu/demos/index.html http://WWW.kentchemistry.com/KentsDemos.htm • Множество видеозаписей химических экспериментов (на самых разных языках) можно найти на англоязычных серверах www.youtube.com и http://www.metacafe.com, задавая соответствующие ключевые слова (например, «chemical reaction»). • Задачи химических олимпиад (с решениями) http://www.chem.msu.su/rus/olimp/ http://www.chem.msu.su/rus/school/sorokin/ • Задачники http://window.edu.ru/window/ Сборник задач и упражнений по общей химии / Ю. Ю. Громов и др.; Сборник задач и упражнений по химии / М. И. Лебедева и др. Интерактивные электронные пособия • Лента времени «Химия жизни» http://school-collection.edu.ru/, название набрать в поисковой строке • Интерактивные задания по химии (по сути, тесты с проверкой правильности ответа). http://school-collection.edu.ru Коллекции —> Предметные коллекции —)• Химия —V Интерактивные задачи по химии. Книги и журналы в электронном формате • Журнал «Химия и жизнь» (все выпуски) http: //school- collect ion. edu. ru/e- leam/ • Программа для рисования химических формул ACD/ChemSketch. Включает возможность составления названий веществ по структзфной формуле. Для образовательных учреждений бесплатно. Англоязычная. http://www.acdlabs.сот/ Справочники и энциклопедии онлайн • Википедия — наиболее полная онлайн-энциклопедия http://ru.wikipedia.org • Википедия на английском языке http://en.wikipedia.org • Статьи по химической тематике из Большой советской энциклопедии http: //www. chemport. ru/str .php?l=\7,C0 • Энциклопедия «Элементы» http://elementy.ru/chemistry Различные справочные данные по химии • http://www.chemport.ru/data/ • Химические свойства индивидуальных веществ http://www.chemport.ru/chemical\_substances\_properties\_letter\_a.html • Растворимость веществ в воде (более 1000 записей) http://chemister.da.ru/Database/Tables/sol-water.dbp • Таблица Менделеева со справочными данными и другой полезной информацией, http://chemistry .neirod.ru/tablici/Tablica. htm Учебные тексты и справочная информация • http://chemistry, neurod.ru/ • http: //chemi stry. eiznet. org/chemi stry/1 ink02. htm И наконец, этот учебник поддерживается сообществами «Учебник химии» сразу в нескольких социальных сетях: • http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook/ • http://vkontakte.ru/club2589027 Также учебник поддерживается на сайте методической службы издательства «БИНОМ» • http://metodist.Lbz.ru ГЛАВА I ХИМИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ Мы сами творцы в горящем гимне — Шуме фабрики и лаборатории. В. Маяковский. Облако в штанах § 1 Техника безопасности при химических экспериментах Любая практическая работа начинается с ознакомления с правилами техники безопасности. Особенно это касается работы в химической лаборатории. Общие правила поведения в лаборатории • Работать в лаборатории необходимо в халате, который защищает одежду от попадания капель жидкостей и от мельчайших частиц реактивов в воздухе. • Опыты с нагреванием следует проводить в защитных очках. При нагревании возможно растрескивание стеклянной химической посуды, а также выброс горячих жидкостей. • Длинные волосы должны быть заколоты и убраны (под халат, шапочку или косынку), иначе они могут попасть в реактивы или пламя. • Передвигаться по лаборатории следует медленно и плавно. Запрещается делать резкие движения и издавать резкие звуки. Любое резкое движение или резкий звук воспринимается учителем как нештатная ситуация, в которой необходима его помощь. • Запрещается загромождать проходы портфелями, сумками и другими предметами. • В лаборатории запрещается пить, принимать пищу и хранить её в открытом состоянии. В воздухе лаборатории могут содержаться вредные для здоровья частички реактивов. При вдыхании пылевые частицы задерживаются ворсинками и слизистой оболочкой носоглотки, а при оседании на пищу попадают в желудок, что очень опасно. • Запрещается проводить какие бы то ни было эксперименты, не согласованные с учителем. • По окончании лабораторных (практических) работ следует убрать рабочее место, сдать его дежурному и вымыть руки с мылом. Химическая лаборатория Правила обращения с реактивами • Запрещается пробовать вещества на вкус. • При необходимости определения запаха вещества следует держать открытый сосуд с ним на расстоянии 10—20 см от носа и плавным движением ладони гнать воздух над отверстием на себя (рис. 1). • С едкими веществами — щелочами, кислотами — обращаться осторожно. • Склянки с горючими жидкостями нельзя держать рядом с огнём. Рис. 1. Так нужно нюхать вещества Знаки безопасности, согласно Государственному общероссийскому стандарту ГОСТ Р 12.4.026-2001 aecewaew А пожаро- опасно А А горячая поверхность аллергическое (раздражающее) вещество, едкий газ едкое вещество Действия в опасных ситуациях • При попадании на кожу: - реактивы сразу же смыть струёй холодной воды; - кислоту смыть раствором соды (хранится в аптечке); - щёлочь смыть раствором борной кислоты (из аптечки) или раствором уксуса. • При попадании в глаза: - реактива промыть глаза холодной водой. Для этого набрать воды в «лодочку» ладони, поднести её к глазу и несколько раз поморгать в воде; - кислоты — промыть глаза раствором питьевой соды; - щёлочи — раствором борной кислоты. • Разлитые горящие жидкости тушить, накрывая одеялом из негорючего материала. • При попадании горящей жидкости на одежду или её воспламенении лечь на пол так, чтобы горящая часть одежды оказалась внизу. • При этих и других нештатных ситуациях сообщить учителю и следовать его указаниям. Где в кабинете химии находятся: а) огнетушитель; б) одеяло из негорючего материала; в) аптечка; г) рубильник, отключающий электричество? Приёмы работы с веществами и химическая посуда Несоблюдение любого из вышеизложенных правил — достаточное основание для удаления нарушителя из лаборатории. Помните, что нарушение правил техники безопасности в химической лаборатории может причинить вред не только вам, но и окружающим. 1. ВСЕГДА ДУМАЙТЕ ПЕРЕД ТЕМ, КАК ЧТО-ТО СДЕЛАТЬ. 2. БУДЬТЕ ВНИМАТЕЛЬНЫ ДРУГ К ДРУГУ. Задание на дом 1.1. На этикетке с веществом стоит значок £1^. Какие меры предосторожности следует предпринять при работе с этим веществом? 1.2. Вы пролили на руку жидкость из баночки с надписью «соляная кислота». Ваши действия? 1.3. Выполните электронные тесты (см. Ресурсы). Ресурсы Дополнительные материалы • Первая помощь при нештатных ситуациях: http://chemexpress.fatad.ru/Navigator/911.htm • Первая помощь при различных ожогах: http://lechebnik.infо/503/28.htm Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Лабораторная посуда и оборудование"*: http://fcior.edu.ru • Модуль «Правила работы в школьной лаборатории»: http://fcior.edu.ru О §2 Приёмы работы с веществами и химическая посуда Рекомендуется повторить правила техники безопасности (§ 1). — В какой одежде нужно работать в лаборатории? — Какие эксперименты нельзя проводить в лаборатории? — Как следует передвигаться по лаборатории? — Что нужно сделать по окончании работы? Оборудование. Сухое горючее с подложкой и крышкой или спиртовка; стеклянная трубка длиной около 10 см; стакгш химический; железная проволока (или скрепка); пробирки; штатив для пробирок; держатель для пробирок; промывалка с дистиллированной водой; защитные очки; спички. Химические опыты проводят в специальной химической посуде, которую, чаще всего, изготавливают из стекла (рис. 2). Q Химическая лаборатория мерный цилиндр ложка фарфоровая химический стакан шпатель фарфоровый колба плоскодонная треугольник фарфоровый колба коническая чашка для выпаривания колба мерная ступка тигель тигельные щипцы пробирки палочка стеклянная Рис. 2. Химическая посуда А А А Стекло — очень удобный материал потому, что оно почти ни с чем не реагирует. Из него можно делать изделия самой разной формы. Кроме того, стекло прозрачно, поэтому можно наблюдать за происходящим в сосуде. Однако не надо забывать, что стеклянные изделия легко бьются и осколками можно порезаться. Работа со стеклом требует аккуратного обращения. Что будет, если химики вдруг станут использовать железные пробирки? При проведении химических опытов вещества часто нужно нагревать. Для этого используют спиртовку или сухое горючее. Их зажигают спичкой, а гасят — накрывая пламя специальными крышками. - —"ТГТ Категорически запрещается задувать пламя сухого горючего и спиртовок! ОПЫТ 2.1. Приёмы обращения с сухим горючим. Таблетку сухого горючего (рис. 3) кладут на специальную подложку и поджигают спичкой. Накрывают горящую таблетку крышкой (рис. 4) — она должна быть накрыта полностью. Крышку Приёмы работы с веществами и химическая посуда Сухое горю- Рис.4. Горящую таблетку сухого горючего гасят с помощью крышки Рис. 5. Горящую спиртовку гасят, накрывая колпачком сразу не поднимают — нагретое сухое горючее дымит и при этом неприятно пахнет. Д, ОПЫТ 2.2. Работа со спиртовкой. Берут спиртовку, отвинчивают колпачок. Зажигают фитиль спиртовки спичкой. Затем накрывают пламя колпачком — фитиль должен быть полностью скрыт (рис. 5). Д, Нагревать стеклянные изделия нужно аккуратно. Дело в том, что стекло обладает двумя уникальными свойствами. Во-первых, оно очень плохо проводит тепло. Нагревая стеклянную трубку на огне, её можно держать руками недалеко от места нагрева (с метЕшлической трубкой так сделать не удастся). БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Бесцветная жидкость с характерным запахом. Замерзает при —113°С, кипит при 78,5°С. Легче воды (плотность 0,79 г/см^), но смешивается с ней в любых соотношениях. Растворяет жиры и многие органические вещества. Горит слабо коптящим пламенем. Продукт естественных биохимических процессов во многих организмах, в том числе в организме человека (по разным данным, в 1 л крови содержится от 0,2 до 15 мг этанола). В больших дозах этиловый спирт ядовит. Регулярное употребление алкоголя приводит к повреждению печени, почек, нервной системы и нарушению социального поведения. Используют в химических производственных процессах как сырьё для синтеза многих органических веществ, в качестве растворителя, а также как дезинфицирующее средство (70%-й водный раствор). В 2002 г. во всём мире было произведено 78 млн т этилового спирта. Класс: оксиды С2Н5ОН Номенклатурное название: этанол. Тривиальное название: этиловый спирт, спирт, алкоголь Химическая лаборатория Во-вторых, при нагревании стекло очень сильно расширяется. А это значит, что если изделие из стекла быстро нагреть или сильно охладить в одном месте, то тепло не успеет распределиться по всему изделию. Стекло в месте нагрева расширится (или при охлаждении сожмётся) и треснет. Поэтому нельзя: • резко охлаждать и резко нагревать стекло; • нагревать толстостенные стеклянные сосуды и сосуды с неравномерной толщиной стенок; • нагревать мокрое снаружи стекло. Жидкость при испарении отводит тепло, что вызывает неравномерное расширение стекла, и оно трескается. А А А опыт 2.3. Изучение теплопроводности железной проволоки и стекла. Наливают воду в стаканчик. Надевают защитные очки. Зажигают сухое горючее. Берут пальцами железную проволоку (или разогнутую скрепку) за конец. Другой конец проволоки вносят в пламя и нагревают его до тех пор, пока пальцам не станет горячо. Насколько быстро это произошло? Проволоку опускают в стакан с холодной водой. Что происходит? Затем берут пальцами стеклянную трубку. Вносят её конец в пламя и нагревают до тех пор, пока вблизи стекла пламя не приобретёт жёлтый цвет (это означает, что та часть трубки, которая находится в пламени, прогрелась почти до 500 °С). Чувствуют ли ваши пальцы изменение температуры стекла? Разогретый конец трубки быстро опускают в воду. Что происходит? Тушат пламя. Осколки стекла после занятия надо высыпать в специальную банку (или стаканчик). Д. При температуре выше 500 °С кусок металла или керамики начинает светиться. В отличие от металла и керамики стекло, даже сильно нагретое, не светится, и горячее стекло по внешнему виду нельзя отличить от холодного. Для того чтобы оценить температуру стеклянного изделия, следует осторожно приблизить к нему руку (внутренней стороной ладони) на расстояние 1-2 см: если оно горячее, рука почувствует исходящее тепло. Работы, связанные с нагреванием стекла, следует проводить в защитных очках. При резких перепадах температуры или неравномерном нагреве стекло растрескивается. Горячее стекло внешне ничем не отличается от холодного. Приёмы работы с веществами и химическая посуда Рис. 6. На посуде из термостойкого стекла присутствует специальная маркировка Рис. 7. Так нужно гревать пробирку на- Нагревать можно только посуду из специального (термостойкого) стекла (рис. 6). При этом снаружи посуда должна быть сухой, а прогревать её следует равномерно — иначе треснет. При нагревании вещества в пробирке надо соблюдать определённые правила. • Пробирку заполнять не более чем на четверть её объёма (иначе содержимое может выплеснуться). • Пробирка, которую нагревают, должна быть сухой снаружи (иначе она треснет). • Пробирку надо зажимать в держателе (чтобы не обжечь пальцы). • При нагревании пробирку следует наклонять под углом 45° (чтобы увеличить площадь поверхности испарения жидкости из пробирки, рис. 7). • Сначала следует прогреть пробирку почти по всей её длине, а только потом нагревать нижнюю часть (иначе пробирка может треснуть). • Открытый конец пробирки следует направлять в сторону от людей (во избежание несчастного случая). • Нельзя заглядывать в горячую пробирку (чтобы содержимое случайно не попало в глаза). • Горячие пробирки ни в коем случае не следует ставить в пластмассовый штатив, так как он может расплавиться! Их нужно ставить в сухой фарфоровый стакан. ОПЫТ 2.4. Нагревание воды. Наливают воду в пробирку и нагревают до кипения. Когда вода закипит, пламя тушат. ^ Химическая лаборатория О Контрольные вопросы 2.1. Назовите посуду. # & I • а б в г д V» 1 И 2.2. Что может произойти со стеклом, если его неравномерно нагфеть? 2.3. При каких условиях пробирка может треснуть? 2.4. При каких условиях горячее содержимое пробирки может выплеснуться из неё? Как отличить горячее стекло от холодного и не обжечься при этом? Как надо располагать пробирку, когда её нагревают? 2.7. Выполните модуль «Лабораторная работа „Лабораторная посуда и оборудование"* (см. ссылку ниже). 2.5 2.6 Ресурсы • Модуль «Знакомство со школьной лабораторией. Посуда для проведения опытов*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Лабораторная работа „Лабораторная посуда и оборудование"*, http: //f cior. edu. ru Дополнительные материалы • Именные химические приборы, http://him.Iseptember.ru/aurticlef.php?ID=200103601 Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Приборы для нагревания"*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Лабораторная работа „Приёмы обращения с лабораторным штативом"*, http://fcior.edu.ru Тесты • Модуль «Тесты по теме „Оборудование химической лаборатории"*, http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Химическая посуда экспериментальная*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Нагревание веществ и нагревательные устройства в химической лаборатории*, http://fcior.edu.ru ГЛАВА II ВЕЩЕСТВО И РЕАКЦИЯ §3 Вещество как объект изучения химии Рекомендуется повторить. Из курса природоведения вспомните, что такое вещество; какие бывают свойства вещества; какие агрюгатные состояния вещества вы знаете; как вы понимаете слово «элемент»? Химия — наука о веществах и их превращениях. Химия — наука о веществах и их превращениях. Одна из задач химии — предсказать поведение (свойства) вещества в тех или иных условиях (что будет, если. . . ). Для этого нужно знать состав вещества, т. е. сделать его химический анализ. Другая задача — получить вещество с заданными свойствами (как сделать так, чтобы. . . ). Для этого используют методы химического синтеза. Что же такое вещество? Обозначим некоторые границы этого понятия Вещество — всё то, из чего состоят окружающие нас предметы. Распилив железный прут, получим множество предметов (физических тел): два куска прута и опилки. Но вещество (железо), из которого сделан прут, в результате наших действий не изменилось. Сделаем вывод: вещество есть то, что остаётся неизменным при делении тел. ^ Вещество остаётся неизменным при делении тел. Иногда одним и тем же словом обозначают и тело, и вещество. Например, стекло в оконной раме — тело, но стекло как материал предмета в оконной раме — вещество. Когда мы говорим: «Вставить стекло» или «Стекло разбито», — имеем в виду тело, когда говорим: «Стекло прозрачно», — вещество. Можно ли описывать вещество с помощью длины и массы? О будем давать строгого определения, которое всё ещё остаётся предметом горячих споров учёных. Вещество и реакция Вещество обладает совокупностью свойств, изменение которых означает качественное изменение вещества (и наоборот): цвет, запах, плотность, растворимость в воде, теплопроводность, электропроводность и др. Описание вещества включает набор существенных свойств этого вещества, которые зависят от внешних условий. I ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА 1 • Температура плавления • Растворимость • Цвет I • Температура кипения • Теплопроводность • Запах * • Плотность • Электропроводность Свойства веществ зависят от условий. Например, цвет вещества часто зависит от того, насколько оно измельчено. Так, на дневном свету крупные кристаллы дихромата калия оранжевые, растёртые в ступке — жёлтые (см. цветной блок: рис. Ц-1). Металлическая платина в слитке — серебристая, а мелкораздробленная — чёрная. Другой пример — температура кипения, которая зависит от давления. Так, на уровне моря вода кипит при 100 °С, а в горах на высоте 4000 м — при 80 °С. Третий пример — запах, который у многих веществ зависит от их содержания в воздухе (что создаёт проблемы парфюмерам). Так, при большой концентрации вещество скатол имеет цветочный запах, а при разбавлении пахнет фекалиями. Из этих примеров следует, что в описании свойства вещества надо указывать условия, при которых эти свойства были определены. Многие свойства веществ зависят от условий. Каково агрегатное состояние воды в природе? Каждое вещество имеет название. В давние времена, когда веществ было известно немного, люди давали им тривиальные названия. Вода, мел, поваренная соль — всё это тривиальные названия. Однако со временем знания расширялись и людям приходилось работать со всё большим числом разных веществ, придумывать для них названия стало затруднительно (ещё более затруднительно стало держать все тривиальные названия в памяти!). Поэтому были разработаны правила химической номенклатуры (системы названий), по которым вещества получили номенклатурные названия. Например, номенклатурное название воды — оксид водорода, мела — карбонат кальция, поваренной соли— хлорид натрия. Правила химической номенклатуры установлены Международным союзом теоретической и прикладной химии. На склянке с веществом обязательно должно быть указано его номенклатурное название. Вещество как объект изучения химии Тривиальное — название, сложившееся исторически. Номенклатурное — название, которое даётся по определённым пра- вилам. Наряду с названием каждое вещество имеет химическую формулу, которая понятна любому химику. Формулы записывают с помощью химических символов и арабских цифр. Числа в нижнем индексе так и называются индексами. Например, формула воды Н2О, мела СаСОз. Здесь Н, О, Са и С — химические символы, а числа 2 и 3 — индексы. ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА СаСО 3 t Z' z' I в символах встречаются прописные и строчные символы I буквы. Следите за этим при чтении химических индекс формул Каждый символ обозначает определённый химический элемент. Каждый символ обозначает определённый химический элемент. На момент съезда ИЮПАК 16 августа 2003 г. было известно 110 химических элементов. Все символы и названия химических элементов можно найти в Периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (очень часто для краткости её называют таблицей Менделеева), которая помещена на форзацах учебника. Химический символ может быть записан либо одной большой (прописной) буквой, либо двумя — большой и одной маленькой (строчной) в соответствии с латинским названием элемента. Например, символ водорода Н — от латинского названия водорода hydrogenium, а символ гелия Не — от латинского helium. В химических формулах смысловое значение имеют как размер букв, так и индексы. ЭТО ИНТЕРЕСНО! ИЮПАК (от англ. ШРАС — International Union of Pure and Applied Chemistry) — Международный союз теоретической и прикладной химии. Организация создана в 1919 г. для «развития международного сотрудничества в области химии и использования химии на пользу человечества». В частности, ИЮПАК разрабатывает и распространяет международные стандарты в области химии. WWW.lupac.org Вещество и реакция Менделеев Дмитрий Иванович (1834-1907) — великий российский химик. Открыл Периодический закон (1869) и составил Периодическую систему элементов, что позволило предсказывать свойства веществ. В химических формулах смысловое значение имеют как размер букв, так и индексы. Например, формула Со обозначает элемент кобальт (вещество — металл кобальт) и состоит из одного символа, записанного с помощью двух букв (от латинского cobaltum), а формула угарного газа СО состоит из двух символов С и О (от латинского сагЬопеит и oxygenium). Н2О — формула воды, а Н2О2 — пероксида водорода; формулы отличаются числами в индексах (табл. II.2). Химические формулы читают по определённым правилам, называя химические символы в формуле чаще всего по латинскому названию элемента. Если символ состоит из одной буквы, обычно читается просто буква. Правила чтения некоторых химических символов приведены в табл. II. 1. Таблица II. 1 Правила чтения некоторых химических символов и названия соответствующих элементов Символ Чтение символа Название элемента Символ Чтение символа Название элемента Н аш Водород Са кальций Кальций С цэ Углерод Сг хром Хром N эн Азот Мп марганец Марганец О о Кислород Fe феррум Железо Na натрий Натрий Со кобальт Кобальт Mg магний Магний Си купрум Медь А1 алюминий Алюминий Zn цинк Цинк Si силициум Кремний Ва барий Барий Р пэ Фосфор Ag аргентум Серебро S эс Сера I йод Иод Cl хлор Хлор РЬ плюмбум Свинец к калий Калий Li литий Литий Вещество как объект изучения химии Примеры чтения некоторых химических формул (вертикальная черта означает короткую паузу) Таблица II.2 Формула Чтение Название и использование вещества 02 0 два Кислород. Газ, которым мы дышим AgCl аргентум хлор Хлорид серебра — светочувствительное вещество. Используется в плёночной фотографии MgCl2 магний хлор два Хлорид магния. Используется как противогололёдное средство КМПО4 калий марганец 0 четыре Перманганат калия. Раствор (марганцовка) — дезинфицирующее средство NaHCOa натрий аш цэ о три Гидрокарбонат натрия (питьевая сода). Разрыхлитель для теста CUSO45H2O купрум 1 эс о четыре 1 на пять аш два о Сульфат меди пятиводный (медный купорос). Используется в сельском хозяйстве для борьбы с грибковыми заболеваниями растений Ва(Шз)2 барий 1 эн о три 1 дважды Нитрат бария. Используется в составах зелёного огня в фейерверках РЬ(Юз)2 плюмбум 1 йод о три 1 дважды Иодат свинца. Раньше использовался для предотвращения образования града в облаках Са(Н2Р04)2 кальций 1 аш два пэ о четыре | дв£1жды Дигидрофосфат кальция (двойной суперфосфат). Удобрение (МН4)2Сг207 эн аш четыре | дважды хром два 0 семь Дихромат аммония. С этим веществом можно проделать красивый опыт («вулканчик») Ca(N03)2-4H20 кальций 1 эн 0 три дважды 1 на четыре аш два о Нитрат кальция четырёхводный (шведская селитра). Удобрение [Al2Si205](0H)4 алюминий два си-лициум два 0 пять| о аш четырежды Каолинит — белая глина. Сырье при изготовлении фарфора K3[Fe(CN)6] калий три феррум | цэ эн вшестеро Гексациан оферрат (III) калия (красная кровяная соль). Раньше использовали в фотографии Вещество и реакция Контрольные вопросы 3.1. Перечислите существенные свойства вещества. 3.2. Что означает запись формулы мела СаСОз? 3.3. Какие элементы входят в состав углекислого газа СО2? 3.4. Чем тривиальные названия веществ отличаются от номенклатурных? О Задание на дом 3.1. Выучите правила чтения химических символов (см. табл. II.1). 3.2. Прочитайте следующие химические формулы: I2, СН4, KNO3, NH4SCN, AICI3, ГеС1з -6Н20, Na2S04, C0SO4, Ге2(804)з, Zn(N03)2- 3.3. Опишите пять известных вам веществ. 3.4?" Найдите в табл. II. 1 элементы, русские названия которых не совпадают с латинскими. 3.5^ Выпишите из табл. II.2 в два столбика тривиальные и номенклатурные названия. 3.6. Выпишите из табл. II.2 в два столбика тривиальные и номенклатурные названия любых 5 веществ. Прочитайте формулы. 3.7. Найдите в Периодической системе Д. И. Менделеева символы рутения Ru, названного в честь России и других элементов, названия которых связаны с российскими городами и учёными. Домашний эксперимент А Изучение некоторых физических свойств веществ, применяемых в быту. 1. Изучите содержимое домашней аптечки. Если в ней есть иод, марганцовка, зелёнка — запомните, как они выглядят. По каким признакам можно различить эти вещества? 2. Найдите на кухне сахар, поваренную соль, питьевую соду и лимонную кислоту. Запомните, как они выглядят. Несколько кристалликов этих веществ можно попрюбовать на вкус. При этом вещества не глотайте, а после каждой пробы прополощите рот водой. Какой вкус у каждого из этих четырёх веществ? Изучение некоторых свойств уксусной кислоты. 3. Эксперимент проводить только в присутствии родителей. Категорически запрещается пробовать на вкус неразбавленное содержимое ёмкостей, на этикетках которых написано «уксусная кислота» или «уксусная эссенция». Возьмите на кухне уксус и уксусную эссенцию (уксусную кислоту). Можно ли различить эти вещества по внешнему виду? Понюхайте их (как это делать, посмотрите на с. 10). Если на этикетке написано «столовый уксус» (9%), можете аккуратно попробовать его на вкус, для чего налить немного уксуса в чашку, обмакнуть ложку в жидкость и прикоснуться к ложке языком. Вещество как объект изучения химии Ресурсы Дополнительные материалы • Модуль «История химии (Углублённый уровень сложности)», http://f cior.edu.ru Тренажёры, электронные • Модуль «Знаки химических элементов», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «История развития химии», http://fcior.edu.ru • Модуль «Вещество как объект изучения химии», http://fcior.edu.ru Практическая работа № 1 ОПИСАНИЕ ВЕЩЕСТВ Задача. Описать вещества, находящиеся в лотке: агрегатное состояние, цвет, растворимость в воде, цвет раствора. Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок, ёмкость с дистиллированной водой, ёршик, стакан для слива. Реактивы. Дистиллированная вода; остальные реактивы выдаются учителем. Ход работы. В лабораторном журнале заполняют таблицу. Агрегатное Цвет Раство- Цвет состояние вещества римость раствора Название Формула Название и формулу вещества перепишите с этикетки на банке с веществом. Далее надо записать агрегатное состояние: тв (твёрдое вещество), ж (жидкость), г (газ). Смотрят на вещество и отмечают его цвет. Для проверки растворимости несколько кристалликов вещества насыпают в пробирку (кристаллы должны едва покрывать донышко, рис. 8) и примерно на четверть пробирки заполняют дистиллированной водой. Круговыми движениями (рис. 9) перемешивают содержимое пробирки. Если раствор приобретает окраску либо количество исход- Рис.8. Кристаллы вещества должны едва покрывать донышко Рис. 9. Растворение вещества в пробирке Рис. 10. Растворение вещества в стакане Вещество и реакция ного вещества заметно уменьшается, считается, что вещество растворимо (ставят р). Если вещество образует взвесь, содержимое пробирки непрозрачно и оседает со временем, то вещество считается нерастворимым (н). Если вещество растворяется, отмечают цвет раствора в таблице. Если вещество не растворяется, в столбце «цвет раствора» поставьте прочерк (-). Не бывает «прозрачного» или «мутного» цвета. Если вещество растворилось (хотя бы частично), но полученный раствор не окрашен, то говорят, что раствор бесцветный (рис. 10). Не бывает «прозрачного» или «мутного» цвета. Если раствор не окрашен, то говорят, что он бесцветный. Если жидкость мутная, то I это не раствор. Использованные пробирки следует ополаскивать сначала водопроводной, а потом дистиллированной водой. Содержимое пробирок и промывную воду сливать либо в раковины на столе, либо (если раковины нет) — в стаканчик для слива. Если на стенках пробирок остался твёрдый налёт, его смывают ёршиком, после чего ополаскивают пробирку дистиллированной водой. Отчёт. Тетрадь с заполненной таблицей сдают учителю. Ресурсы • Модуль «Тренажёр „Описание некоторых свойств чистых веществ*'», http://fcior.edu.ru Q §4 Агрегатные состояния и переходы между ними Рекомендуется повторить правила техники безопасности (§1), названия химической посуды и приёмы нагревания пробирок (§ 2). — Что такое твёрдое, жидкое и газообразное состояния (вспомните из курса физики)? — Какие вы знаете жидкости, газы и твёрдые вещества? Как кипит и замерзает вода и тает лёд (из жизненного опыта)? — Какие эксперименты нельзя проводить в лаборатории? — Как следует нагревать вещества в пробирке? — Что нужно сделать по окончании лабораторной работы? Оборудование. Химический стакан, пробирка, держатель для пробирок, спиртовка или сухое горючее с подставкой и крышкой, чашка для выпаривания с подставкой, промывалка с дистиллированной водой, защитные очки. Реактивы. Дистиллированная вода, олово. Агрегатные состояния и переходы между ними Воду наливают в стакан. Вода в стакане находится в жидком состоянии. Стекло, из которого сделан стакан, — в твёрдом. Воздух, который находится вокруг, — в газообразном. Твёрдое, жидкое и газообразное состояния вещества называются I агрегатными состояниями. Чем же различаются вещества в твёрдом, жидком и газообразном состояниях? Различий довольно много. Отметим только несколько. Сравним стакан, воду и воздух. Вещества, из которых состоят эти предметы (физические тела), отличаются по способности сохранять форму. • В твёрдом состоянии вещество сохраняет постоянную форму (для изменения формы надо совершить физическую работу или затратить энергию: разбить, нагреть). • В жидком состоянии вещество приобретает форму сосуда, в который его налили и легко изменяет форму, однако объём его остаётся постоянным. • В газообразном состоянии вещество легко меняет объём, поэтому не имеет формы. Вещества в разных агрегатных состояниях имеют разные механические свойства. Мы легко проходим сквозь воздух, с некоторым трудом передвигаемся в воде, но останавливаемся перед стеной. Агрегатные состояния различаются и другими физическими свойствами. Например, вещества в твёрдом состоянии проводят тепло очень хорошо, в жидком — несколько хуже, а в газообразном— совсем плохо. Скорость звука в твёрдых веществах примерно в 10 раз превышает скорость звука в газе. wwiwt«6ass»% = 25%; m(p-pa) = ? Решение. Из определения массовой доли следует, что m(p-pa) — ; /п(р-ра) = = goO кг. 0,25 Ответ. 800 кг. ЗАДАНИЕ 9.5. Сколько граммов 12%-го раствора CUSO4 нужно взять, если требуется 300 г C11SO4? Масса раствора равна сумме масс растворённого вещества и растворителя. Вещество и реакция Масса раствора, содержащего единственное растворённое вещество, равна сумме масс растворённого вещества т(р. в.) и растворителя т(р-ля). Поэтому формулу расчёта массовой доли можно переписать так: /п(р. в.) ш ^^-------. ш.(р. в.) + т(р-ля) Что больше: масса раствора или масса растворителя? ПРИМЕР 9.5. Б 100 г воды при 20 °С может раствориться 35 г поваренной соли. Какова массовая доля соли в таком растворе? Дано. т(р. в.) = 35 г; т(р-ля) = 100 г; uj = 1 m(p. в.) 35 г (jO = Решение. uj% = 26%. Ответ. 0,26, или 26% т(р. в.) + т(р-ля) ’ UJ = 35 г + 100 г = 0,26; ЗАДАНИЕ 9.6. В 250 г воды растворили 40 г соли. Какова массовая доля соли в полученном растворе? ПРИМЕР 9.6. Какую массу сахара и воды нужно взять, чтобы получить 1 кг 30%-го сахарного сиропа? Дано, тп(р-ра) = 1000 г; = 30%; т(р. в.) = ?; /7г(р-ля) = ? Решение. По определению массовой доли, т(р. ъ.) = UJ • т(р-ра); т(р. в.) = 0,30 • 1000 г = 300 г т(р-ля) = т(р-ра) — т{р. в.) /тг(р-ля) = 1000 г — 300 г = 700 г Ответ. 300 г сахара и 700 г воды. ЗАДАНИЕ 9.7. Какую массу воды и соли нужно взять, чтобы получить 300 г 25%-ГО раствора? Если смесь состоит из нескольких компонентов, то масса смеси равна сумме масс всех компонентов. При этом их обычно обозначают числовыми индексами. ПРИМЕР 9.7. Сплав Вуда {tnn = 69 °С) содержит 50% висмута, 25% свинца, 12,5% олова и столько же кадмия. Сколько грам- Расчёт массовых долей мов каждого металла нужно взять, чтобы приготовить 250 г сплава? Дано. a;i=0,5; а;2 = 0,25; и;з = 0,125; а;4 = 0,125; m(смеси) = 250 г; т\ = 1 тг = ?; тз = ? т4 = ? Решение. Из формулы массовой доли компонента смеси следует, что mi=bji' т(смеси); т2 = и)2‘ m(смеси); ^3 = ^3 • (смеси); т4 = а;4 • m (смеси); mi=0,5-250r=125r т2 = 0,25-250г = 62,5г тз = 0,125-250г = 31,2г т4 = 0Д25-250г = 31,2г Ответ. мия. 125 г висмута, 62,5 г свинца, по 31,2 г олова и кад- ЗАДАНИЕ 9.8. Баббит — легкоплавкий сплав, из которого изготовляют подшипники скольжения. В одной из марок этого сплава содержится 83% олова, 11%—сурьмы и 6%—меди. Завод получил заказ на изготовление 3 т такого сплава. Сколько олова, сурьмы и меди должно быть закуплено для выполнения этого задания? Контрольные вопросы 9.1. Что такое массовая доля? 9.2. В каких пределах может изменяться массовая доля? 9.3. В чём измеряется массовая доля? Задание на дом 9.1. В 57 г раствора содержится 18 г соли. Какова массовая доля соли в этом растворе? 9.2. Сколько граммов уксусной кислоты содержится в 50 г уксусной эссенции (70%-й раствор уксусной кислоты)? 9.3. Сколько соляной кислоты (36%-й раствор НС1) по массе нужно взять, если требуется 50 г НС1? 9.4. Квашеная капуста должна содержать 2% соли. Сколько соли (по массе) нужно добавить к 20 кг капусты? 9.5. Смешали 300 г воды и 150 г ацетона. Какова массовая доля ацетона в полученной смеси? 9.6. Смешали 300 г воды, 150 г ацетона и 100 г спирта. Какова массовая доля ацетона в полученной смеси? 9.7. Сплав содержит 28% золота, 34%—серебра, а всё остальное — медь. Сколько граммов золота содержится в 20 г сплава? 9.8. Растворитель для красителя Р-12 содержит 60% толуола, 30% — бутилацетата, 10% — ксилола. Сколько граммов каждого компонента нужно взять для приготовления 300 г такого растворителя? Вещество и реакция О 9.9?" Какова массовая доля растворённого вещества в растворе, который изготовлен путём смешивания 10% и 20%-го растворов этого вещества, равных по массе. 9.10* При засолке огурцов их заливают 7%-м рассолом. Какова массовая доля соли в полученном продукте, если считать, что масса рассола равна массе огурцов, а соль в процессе засолки распределяется между огурцами и раствором равномерно? 9.11. В сети Интернет найдите, какова массовая доля сахара в яблочном и апельсиновом соках; какова массовая доля углерода в чугуне; какова массовая доля цинка в латуни. 9.12. Бокситы — алюминиевая руда, содержащая AI2O3 и различные примеси. В сети Интернет найдите информацию о том, в бокситах какого происхождения содержание AI2O3 максимально. Ресурсы Имитация эксперимента • Модуль ♦Лабораторная работа „Приготовление раствора с заданной массовой долей растворённого вещества"», http://fcior.edu.ru • Модуль «Способы разделения смесей», http://fcior.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Растворимость веществ в воде"», http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Способы выражения концентрации растворов"», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Основные параметры, выражающие состав смесей», http://fcior.edu.ru А Практическая работа № 2 ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРОВ С ЗАДАННОЙ МАССОВОЙ ДОЛЕЙ Рекомендуется повторить, что такое массовая доля; принципы решения задач с массовыми долями (§ 9). Из курса математики вспомните, что такое цена деления. Задача. Приготовить раствор поваренной соли с заданной массовой долей. Измерить объём полученного раствора. Вычислить плотность этого раствора. Масса раствора и его массовая доля задаются учителем. Оборудование. Весы, мерный цилиндр на 100 мл, колба коническая на 100 мл, ложка для отбора соли, стаканчик для сброса излишней соли, стеклянная палочка. Реактивы. Поваренная соль, дистиллированная вода, бумага. Категорически запрещается насыпать соль непосредственно на чашки весов. Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ Ход работы. Рассчитывают необходимую массу соли и объём воды. Отбирают навеску соли. Отбирают рассчитанный объём воды. Растворяют соль в воде. Расчёт массы соли и объёма воды. Рассчитывают необходимую массу соли и воды (см. § 9). Массу воды пересчитывают в объём, если плотность воды равна 1 г/мл. Взятие навески соли. На левую чашу весов кладут лист бумаги (примерно в половину тетрадного листка), на который будут насыпать соль. Кладут такой же листок бумаги на правую чашу и уравновешивают весы: на неё же выставляют нужные разновесы. На лист на левой чаше медленно насыпают соль, пока весы не уравновесятся. Если соли слишком много — отбирают лишнюю соль ложкой и переносят её в стаканчик для сброса излишней соли. Когда весы уравновесятся, снимают с весов лист бумаги с солью, слегка сгибают его и пересыпают вещество в колбу. Взятие нужного объёма воды. Рассчитанный объём воды отбирают мерным цилиндром. Для этого в него наливают воду до тех пор, пока нижняя точка поверхности воды в цилиндре (он же нижний мениск, рис. 26, слева) не окажется против соответствующей засечки на шкале цилиндра. Воду переливают в коническую колбу, в которой уже лежит соль. Растворяют соль, перемешивая раствор стеклянной палочкой или покачивая колбу. Отчёт. В лабораторном журнале приводят расчёты массы соли и воды, записывают объём полученного раствора. Рис. 26. В стеклянный цилиндр (слева) налито примерно 20,5 мл (цена деления 0,5 мл), в полипропиленовый (справа) — ~57 мл (цена деления 1 мл) § 10 Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ «вещество» и существенные и «компоненты смеси» (§8), Рекомендуется повторить понятие свойства вещества (§ 3), понятие «смесь» признаки химических реакций (§ 5). — Почему чистое лучше грязного (рис. 27)? — Как узнать, что при смешивании двух веществ между ними не происходит химической реакции? О Вещество и реакция — Приведите примеры загрязнённых веществ, с которыми вы встречаетесь в быту. Оборудование. Три листа бумаги 10 х 10 см, магнит, стеклянная палочка, пробирки, сухое горючее с подставкой и крышкой или спиртовка, держатель для пробирок. Реактивы. Поваренная соль NaCl, железные опилки Fe, сульфат меди CUSO4 • 5Н2О, дихромат калия К2СГ2О7. ОПЫТ 10.1. Разделение компонентов смеси. На лист бумаги насыпают некоторое количество хлорида натрия NaCl и немного железных опилок Fe. Перемешивают вещества стеклянной палочкой. Кладут сверху другой лист бумаги, а на него магнит. Поднимают магнит (он поднимается вместе с листом бумаги. Почему?). д На прошлом занятии мы уже выполняли этот опыт и считали, что разделили железо и соль. Однако давайте приглядимся внимательно к выделенным из смеси железным опилкам: среди них присутствуют кристаллики соли. Посмотрим внимательно на оставшуюся на первом листе бумаги соль (можете ещё раз перемешать её стеклянной палочкой) и сравним её с чистой со.лью (её насыпают из банки на ещё один лист бумаги). Разве нам уд£1лось удалить все железные опилки? Попробуйте очистить соль с помощью магнита (через чистый лист бумаги) ещё раз. Внимательно рассмотрите оставшуюся соль. Всё ли железо было удалено на этот раз? Как бы ни старались, с помощью магнита вы не удалите всё железо ни из смеси с солью, ни из смеси с другими веществами (см. цветной блок: рис. Ц-11). Соль всё равно останется загрязнена железом. Другими словами, вместо чистой соли у вас останется смесь соли и очень небольшого количества железа. Вещество, которое в очень небольшом количестве содержится в смеси с другим веществом, называется примесью. Почему примесь железа к поваренной соли мешает при употреблении соли в пищу? Примеси влияют на свойства вещества. Примеров этому — огромное множество (рис. 28, 29; см. цветной блок: рис. Ц-12). Так, абсолютно чистая вода не проводит электрический ток. Однако достаточно растворить в воде поваренную соль, например. Рис. 27. Главное здание Московского университета в процессе очистки стен. Хорошо видно, где поверхность уже очистили, а где — нет Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ Класс: кислоты HCI Номенклатурное название: хлороводород. Тривиальное название: водный раствор хлороводорода — соляная кислота БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Бесцветный газ с раздражающим запахом. Разъедает слизистые оболочки и кожу. На воздухе образует туман, конденсируя капельки воды. Очень хорошо растворим в воде (не менее 350 объёмов газа в 1 объёме воды при комнатной температуре). Водный раствор — соляная кислота. Чистая соляная кислота — бесцветная жидкость, техническая — окрашена (чаще всего желтоватая из-за примесей соединений железа). Реагирует с железом, алюминием и многими другими металлами. 10 г NaCl на 1 л воды, как такой раствор становится электропроводным. А если к 1 кг соли добавить 100 мг красителя, поваренная соль окажется окрашенной. Особо чистый цинк очень плохо реагирует с кислотами, однако доли процента примеси меди делают этот металл вполне активным (см. рис. 28). Вся современная микроэлектроника основана на тщательно очищенном кремнии, в который специально добавлены микропримеси. В 1 кг кремния для электронных приборов содержится не больше 10 мг примесей (см. рис. 29). Примесь — вещество, которое в небольшом количестве содержится в смеси с другим веществом. Примеси влияют на свойства вещества, поэтому их содержание нужно контролировать. Рис. 28. Цинк квалификации «особо чистый» (слева) реагирует с серной кислотой гораздо медленнее, чем квалификации «чистый» (справа). Пузырьков газа в первом случае гораздо меньше, чем во втором Рис. 29. Микросхемы (показано стрелкой) делаются на основе кристаллов особо чистого кремния с контролируемым содержанием примесей Вещество и реакция Иногда примеси бывают полезны. Например, без примесей кислорода в природной воде (а его содержится там всего несколько миллиграммов в 1 л) большинство водных организмов погибло бы. Как уже было сказано, в кремнии примеси обеспечивают работу всей современной микроэлектроники. Однако в других случаях примеси бывают вредны. Например, даже очень небольшие количества свинца и других тяжёлых металлов в пище приводят к хроническому отравлению. Примеси соединений серы в бензине приводят к быстрой коррозии цилиндров двигателя автомобиля. Примеси фосфора к стали делают её хрупкой. Значительные примеси солей к воде превращают её в непригодн^чо для питья. От вредных примесей следует избавляться, для чего существуют разнообразные способы очистки. Однако надо помнить, что слишком глубокая очистка часто тоже придаёт веществу нежелательные свойства. Например, воду, лишённую абсолютно всех солей, пить нежелательно, так как она может вымывать полезные вещества из организма. Для питьевых нужд оптимально, когда в 1 л воды содержится от 300 мг до 1 г солей. Особо чистое железо — слишком мягкое и не годится для изготовления прочных конструкций. В жизни мы встречаем различные изделия из чугуна или стали, которые содержат от 0,5 до 3% примеси углерода. Независимо от того, какой способ очистки был использован, полностью избавиться от примесей невозможно. В этом вы уже частично убедились, попытавшись очистить соль от примесей железных опилок. Чем глубже очистка, тем дороже она обходится. На производствах, работающих с особо чистыми веществами, должны выполняться определённые требования к их оснащению. Всё оборудование там изготовлено из специальных пластмасс, не выделяющих в воздух никаких веществ, или из нержавеющей стали. Воздух в помещении фильтруется, проходя через специальные системы очистки. Персонал носит спецодежду и маски, чтобы даже мельчайшие капельки слюны при разговоре не попали в воздух. Очистка вещества заключается в удалении примесей. Чем глубже очистка вещества, тем дороже она обходится. Таким образом, разумная степень очистки вещества зависит от задач, для которых это вещество предназначено. Чтобы охарактеризовать чистоту вещества, существуют специальные маркировки и квалификации веществ. Квалификацию вещества обычно указывают на этикетке или в сопроводительных документах. Для химических реактивов используют специальную квалификацию чистоты вещества. Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ КВАЛИФИКАЦИЯ РЕАКТИВОВ ПО ЧИСТОТЕ • техн — технический • хч — химически чистый • ч — чистый • осч — особо чистый I • чда — чистый для анализа Технический (на этикетке—«техн»)— наименее чистое вещество. Обычно такие вещества производятся в крупнотоннажных или среднетоннажных производствах и дополнительной очистке не подвергаются. Кроме того, существуют особые квалификации чистоты веществ, например «пищевой» (для пищевых продуктов), «фармакопейный» (для лекарственных препаратов), «для радиоэлектроники» и другие. Каких примесей в фармакопейных препаратах может быть много, а каких должно быть очень мало? Грязное вещество представляет собой смесь основного вещества и примесей, поэтому большинство методов очистки веществ — это те же методы разделения смесей (§ 8). Перегонку используют для очистки жидкостей, фильтрование — для отделения растворимых соединений от нерастворимых, экстракцию — для отделения растворённых примесей из жидкостей и т. д. Однако есть также методы, которые используют только для удаления примесей из вещества. Например, для удаления растворимых примесей из растворимого вещества используют метод перекристаллизации. Вещество растворяют в воде при нагревании (обычно 80-100 °С). Далее раствор охлаждают — растворимость вещества падает, и оно частично выпадает в осадок. Примеси остаются в растворе. МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ВЕЩЕСТВ: • перегонка • фильтрование • экстракция • перекристаллизация ЭТО ИНТЕРЕСНО! ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫЕ КОНЦЕНТРАЦИИ Природная вода может превратиться в непригодную для питья или для обитания водных организмов из-за содержащихся в ней загрязнений. Загрязнения в питьевой воде могут сделать её невкусной и даже ядовитой. Допустимое содержание примесей в питьевой воде ограничено предельно допустимыми концентрациями (ПДК). Для питьевой воды ПДК регламентируются Государственным стандартом ГОСТ 2874-82 «Вода питьевая. Гигиенические требования и контроль за качеством». ПДК в водах водоёмов регулируются Гигиеническими нормативами ГН 2.1.5.1315-03, принятыми в 2003 г. Вещество и реакция А ОПЫТ 10.2. Перекристаллизация. В пробирку насыпают дихромат калия К2СГ2О7 (0,5 см) и добавляют несколько кристаллов сульфата меди CUSO4. Наливают туда же воду (2 см). Нагревают, пока соли не растворятся. Если вода закипит, а соль не растворится, добавляют ещё немного воды и снова нагревают. Когда соль растворится, пробирку с раствором охлаждают. Какого цвета выпавшие кристаллы? Какого цвета раствор? Д Контрольные вопросы 10.1. Что такое «очистка вещества»? 10.2. Почему не бывает абсолютно чистых веществ? 10.3. Какое вещество и от каких примесей можно очистить фильтрованием? 10.4. В каком реактиве меньше примесей: квалификации «хч» или «ч»? 10.5. Какая соляная кислота дешевле: квалификации «ч» или «осч»? ЭТО ИНТЕРЕСНО! МЕТОДЫ ПОДГОТОВКИ ПИТЬЕВОЙ ВОДЫ Типичный пример многоступенчатой очистки — подготовка питьевой воды. Вода из водоёма сначала проходит оголовок — груду камней, от самых крупных снаружи до очень мелких у водозаборной трубы. В оголовке отфильтровывается крупный мусор. Далее вода проходит через колонку с крупным песком, которая отфильтровывает частицы помельче. После этого в поток воды вводят хлопьеобразователи (флоккулян-ты) — соединения алюминия или железа. Они реагируют с веществами, растворёнными в природной воде, в результате чего образуется очень рыхлый осадок (см. цветной блок: рис. Ц-13). На его поверхности задерживаются самые мелкие частицы, микроорганизмы и органические вещества, которые придают неочищенной воде коричневый цвет. Осадок также захватывает многие растворённые вещества. Вместе с хло-пьеобразователями к воде добавляют вещества, которые укрупняют («склеивают») хлопья осадка — коагулянты (например, полиакриламид). Осадок отстаивают в специальной камере и отфильтровывают через песок. Затем воду обеззараживают, пропуская через неё газообразный хлор (хлорирование воды). Хлор обладает бактерицидным (убивающим бактерии) действием. Иногда вместо хлорирования воду озонируют (вводят озон Оз). Озонированная вода менее вредна, чем хлорированная, но озонирование гораздо дороже. Хлор удаляют, отстаивая воду не менее суток. При соблюдении технологии хлор полностью улетучивается. В паводок, когда бурные потоки талых вод смывают большие количества грязи, дозу хлора приходится увеличивать и он улетучиться не успевает, поэтому по весне водопроводная вода часто пахнет хлором. Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ Задание на дом 10.1. Предложите способ очистки: а) воды от взвеси глины; б) бензина от воды; в) железных опилок от парафина. 10.2. Найдите в сети Интернет предельно допустимые концентрации (ПДК) для питьевой воды по синильной кислоте, нефти, нитратам. 10.3. В сети Интернет найдите информацию о каком-нибудь способе очистки веществ, не упомянутом в данном параграфе, и опишите его. Укажите, как его проводят, на чём он основан и что можно очищать этим способом. О Домашний эксперимент Очистка веществ разными способами 1. Перемешайте в стакане воду с мелом или глиной (или землёй); отфильтруйте полученный раствор. В качестве фильтра можно использовать вату; воронку и стакан можно сделать, разрезав пластиковую бутылку (рис. 30). 2. Окрашенные вещества можно удалять из воды с помощью активированного угля. Возьмите стакан воды, добавьте в него несколько капель ярко окрашенной жидкости (чернила, лимонад или окрашенный фруктовый сок без мякоти) до получения заметного, но не яркого изменения цвета раствора. Разделите полученный раствор на два стакана. Один из растворов оставьте для сравнения (контроля), а в другой стакан добавьте 1-2 таблетки активированного угля и хорошо перемешайте ложечкой. Подождите несколько минут и отфильтруйте. Сравните окраску полученного фильтрата с контрольным образцом. Рис. 30. Фильтровальная ♦ установка» из пластиковой бутылки Ресурсы Видеоматериалы • Разделение смеси воды и растительного масла отстаиванием, http: //school- collect ion. edu. ru • Разделение смеси крахмала и воды фильтрованием, http://school-collection.edu.ru • Разделение смеси серы и железа с помощью магнита и воды, http://school-collection.edu.ru Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Очистка йода от невозгоняющихся приме-сей“», http://fcior.edu.ru • Модуль «Лабораторная работа „Перегонка"», http://fcior.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Чистые вещества и смеси"», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Чистые вещества и смеси», http://fcior.edu.ru Вещество и реакция О А А А Практическая работа № 3 ВОДОПРОВОДНАЯ И ДИСТИЛЛИРОВАННАЯ ВОДА Рекомендуется повторить, что такое «примесь» и как примеси могут влиять на свойства вещества (§ 8), признаки химических реакций (§ 5) и как протекают реакции в растворах (с. 40). — Как примеси влияют на свойства воды? — Приведите пример, когда два вещества в растворе реагируют друг с другом с образованием осадка. Задачи 1. Выдано несколько реактивов и цифровой измеритель электропроводности (если есть в наличии). Нужно найти среди них такой, который позволит определить, в какой ёмкости находится водопроводная, а в какой — дистиллированная вода. 2. Определить, какая вода (водопроводная или дистиллированная) находится в выданных пронумерованных пробирках. План работы 1. Берут реактив. Добавляют его к водопроводной воде. Тот же реактив добавляют к дистиллированной воде. Записывают наблюдения в лабораторном журнале. Сравнивают поведение реактива в дистиллированной и водопроводной воде. Если поведение сильно различается — этот реактив можно использовать для решения второй задачи, что отмечают в выводе. Если есть измеритель электропроводности, то дистиллированную воду наливают в стакан и погружают в него измеритель. Записывают значение электропроводности. Повторяют опыт с водопроводной водой. В пробирки с пробами ничего не лить! 2. Отбирают пробу и добавляют к ней выбранный реагент. Если он ведёт себя так, как в дистиллированной воде, значит, в пробе дистиллят. Если как в водопроводной — проба водопроводной воды. Если как-то иначе, значит, совершена ошибка. В выводе указывают, какая вода содержится в пробе. Оборудование. Прюбирки, штатив для пробирок. Измеритель электропроводности (если есть) и к нему химический стакан на 50 мл. Все используемые пробирки должны быть тщательно вымыты дистиллированной водой, иначе оставшиеся на них примеси могут исказить результат опыта. NaOH — едкое вещество. Реактивы. Раствор бромкрезолового пурпурного, раствор нитрата серебра AgNOa, раствор гидроксида натрия NaOH. Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ Отчёт. По результатам работы в лабораторном журнале заполняют две таблицы. Реактив Дистиллированная вода Водопроводная вода Вывод № пробирки Наблюдения Вывод Практическая работа № 4 РАЗДЕЛЕНИЕ ПЕСКА И СОЛИ Рекомендуется повторить способы разделения веществ (§8), что такое примесь и как примеси могут влиять на свойства вещества (§ 10), что такое раствор (§ 6), приёмы нагревания пробирок (§ 2), каким образом происходят переходы между агрегатными состояниями вещества (§ 4). — Что такое фильтрование? Задача. Выделить песок и соль из их смеси. План работы. Собирают прибор для фильтрования. Заливают смесь водой, растворяют соль. Отфильтровывают и промывают песок. Раствор соли упаривают. Песок сушат. Оборудование. Спиртовка (или сухое горючее с подставкой и крышкой), чашка для выпаривания (2 шт.) со штативом, коническая воронка, коническая колба, стакан химический на 50 мл (2 шт.), щипцы тигельные, стеклянная палочка, ёмкость с дистиллированной водой, защитные очки. Реактивы и расходные материалы. Смесь песка и соли (выдаёт учитель), фильтровальная бумага. Ход работы 1. Растворение соли. В стаканчик со смесью добавляют 10-15 мл дистиллированной воды и перемешивают до полного растворения соли. Если в течение двух минут соль не растворилась, добавляют ещё немного воды и снова перемешивают. 2. Фильтрование. Когда соль растворится, песок отфильтровывают. Для этого конец воронки вставляют в коническую колбу (рис. 31). Изготовляют фильтр, сложив кружок фильтровальной бумаги вчетверо (рис. 32). Фильтр помещают в воронку и смачивают его несколькими каплями дистиллированной воды (чтобы фильтр прилип к стенкам воронки; рис. 33). Берут стеклянную палочку и, удерживая её наклонно над воронкой, приливают по ней раствор из стаканчика в воронку (рис. 34). Раствор, прошедший сквозь фильтр (фильтрат), должен быть прозрачным! Переливают его в чашку для выпаривания. Q Вещество и реакция Рис. 31. Воронка в колбе Рис. 32. Складывание фильтра Рис. 33. Сложенный фильтр в воронке Рис. 34. Фильтр должен прилипать к воронке 3. Упаривание раствора соли. На штатив ставят чашку с фильтратом, нагревают на слабом пламени (раствор доводят до кипения, но следят, чтобы он не разбрызгивался). На дне чашки после выпаривания воды должно остаться белое вещество — поваренная соль. 4. Перенос песка на фильтр и его промывание. Пока раствор соли выпаривается, в стаканчик с оставшимся песком наливают 10-15 мл воды, взбалтывают содержимое и снова переливают по палочке в воронку. При этом стараются, чтобы песок, по возможности весь, оказался на фильтре. Ждут, пока вода пройдёт через фильтр. При необходимости (если в стаканчике остался ещё песок) проводят эту процедуру ещё 2-3 раза. 5. Сушка песка. В чистую чашку для выпаривания песок с фильтра переносят с помощью стеклянной палочки. Высушивают его на очень слабом огне. Отчёт. Разделённые вещества заворачивают в бумажные пакетики, их подписывают и сдают преподавателю. Ресурсы Видеоматериалы • Очистка поваренной соли (практическая работа), http: //school- collection. edu. ru Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Очистка поваренной соли от примесей"», http://f cior.edu.ru ГЛАВА III ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ В атомный век людей волнуют больше не вещи, но строение вещей. И. Бродский. Посвящается Ялте § 11 Атомы, элементы, нуклиды Рекомендуется повторить, что такое вещество и как выглядит Периодическая система Менделеева (§ 3). Из курса физики вспомните понятие «атом»; что такое электрический заряд; какие бывают электрические заряды, какие заряды притягиваются, а какие отталкиваются. Вы уже поняли, что каждое вещество имеет характерные свойства. Выяснили, что вещества могут превращаться друг в друга и такие превращения называются химическими реакциями. А вот что определяет свойства того или иного вещества? Что изменяется, а что остаётся неизменным при превращении одних веществ в другие? Почему именно таковы соотношения атомов в формулах химических веществ? Чтобы дать ответ на эти вопросы, изучим строение вещества, поскольку именно им определяются свойства. Свойства вещества определяются его строением. В настоящее время общепринята теория, согласно которой все вещества состоят из атомов — мельчайших частиц, не изменяющихся в процессе химических превращений. Именно они определяют химические свойства веществ, в состав которых входят, т. е. атомы являются носителями химических свойств веществ. Атомы — частицы, остающиеся неизменными при химических реакциях. Атомы — очень маленькие частицы. Один атом имеет размер порядка 0,0000000001 м, что чаще записывают как 110“^°м^^ Масса самого лёгкого атома — атома водорода — составляет 0,000000000000000000000001 г, или 1 • 10“^“* г. Представить себе столь мелкие объекты вряд ли возможно. Но если атом можно было бы увеличить до размера кулака, то тогда настоящий кулак ^ЧО означает, что 1 стоит на десятом месте после запятой, а перед ней девять нулей. О Основные понятия и законы химии должен был бы быть размером с нашу планету Земля. В чайной ложке воды содержится примерно столько же атомов, сколько чайных ложек во всём Мировом океане. Слово «атом» происходит от греческой приставки «а-», означающей отрицание, и корня «том», обозначающего деление, т. е. «атом» значит «неделимый» И действительно, вплоть до конца XIX в. атомы считались мельчайшими неделимыми частицами вещества. При этом полагали, что одни атомы не могут быть превращены в другие. Однако в 1895 г. А. Беккерель открыл радиоактивность, которая, как в 1902 г. выяснили Э. Резерфорд и Ф. Сод-ди, сопровождает превращения одних атомов в другие. В 1897 г. Дж. Дж. Томсон, изучая протекание электрического тока через вакуум, доказал, что носитель заряда — отрицательно заряженная частица с массой, гораздо меньшей, чем у атома, — электрон. После этого стало ясно, что атом построен из ещё более мелких «деталей», чем он сам, и встал вопрос о том, как он устроен. На этот вопрос ответил в 1911 г. Э. Резерфорд. Он пропускал через тонкую золотую фольгу поток положительно заряженных частиц и наблюдал, что большая их часть проходит фольгу насквозь, но некоторые отклоняются и даже отлетают назад. По итогам этого опыта Резерфорд предложил планетарную модель атома. Позже на основе этой модели были созданы более сложные, но эта модель используется до сих пор, в том числе и в этом учебнике. Согласно модели Резерфорда, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов (обозначаются е~), вращающихся вокруг ядра, как планеты вращаются вокруг Солнца. Радиус ядра примерно в 10 000 раз меньше радиуса атома. Если увеличить атом до размера школьного класса, ядро будет размером с песчинку. Однако в этом ничтожном объёме сосредоточена практически вся масса атома. Одна из наиболее упрощённых моделей атома I е — электрон р — протон п — нейтрон В 1932 г. Дж. Чедвик открыл нейтроны, тем самым показав, что ядро атома построено из положительно заряженных протонов (р'*') и нейтральных нейтронов (п^). Массы протона и нейтрона приблизительно равны, а масса электрона примерно в 2000 раз меньше. Заряд протона по абсолютной величине точно равен заряду электрона. Более того, заряд протона, как и заряд электрона, нельзя разделить — это элементарный электрический заряд. В целом атом электрически нейтрален, поэтому число протонов в нём равно числу электронов. Атомы, элементы, нуклиды Резерфорд Эрнст (1871-1937) — великий учёный, которого почитают за честь называть соотечественником три страны — Новая Зеландия, Канада и Великобритания. Считавшийся величайшим фи-зиком-экспериментатором, в 1908 г. он получил Нобелевскую премию по химии «за проведённые им исследования в области распада элементов и химии радиоактивных веш;еств». Разделил (1898) радиоактивное излучение на о- и /5-лучи (частицы). Открыл (1900) радон. Вместе с Ф. Содди выдвинул (1902) революционную теорию радиоактивности, в которой указал на делимость атома. Доказал (1903), что Q-частицы несут положительный заряд, и сделал впоследствии подтвердившееся предположение, что а-частица — ядро ^Не. Предложил планетарную модель атома, которая составила основу дальнейших представлений о его строении. Первым провёл (1919) искусственную ядерную реакцию. Протон и электрон имеют электрический заряд, равный по вели-,, чине, но противоположный по знаку. В какой части атома находятся нейтроны? ЗАДАНИЕ 11.1. В атоме кислорода 8 протонов. Сколько в нём электронов? ЗАДАНИЕ 11.2. В атоме азота 7 электронов. Сколько в нём протонов? Электроны атома находятся в контакте с внешней средой. Именно они обеспечивают способность одних атомов связываться с другими и тем самым определяют химические свойства атома. Число электронов, в свою очередь, определяется числом протонов в ядре. Атомы с равным числом протонов при химических взаимодействиях ведут себя одинаково. Совокупность таких атомов называется химическим элементом (или просто элементом). Химический элемент — совокупность атомов с одинаковым числом протонов, т. е. с одинаковым зарядом ядра. Каждый химический элемент имеет свой символ. С некоторыми из них вы уже познакомились (§ 3). В настоящее время известно 110 химических элементов. Все они сведены в Периодическую систему элементов. Её графическое представление называют Периодической таблицей или таблицей Д. И. Менделеева, с которой вы уже знакомились в § 3. Порядковый номер элемента соответствует числу протонов в его ядре. ЗАДАНИЕ 11.3. Сколько протонов находится в атоме Не? Са? U? Основные понятия и законы химии ЗАДАНИЕ 11.4. Сколько электронов находится в атоме Сг? Fe? Mg? Нейтроны не влияют на химические свойства атома, но влияют на его массу. Совокупность атомов с одинаковым числом протонов и нейтронов называется нуклидом. Это число называется массовым числом нуклида. Нуклид — совокупность атомов с одинаковым числом протонов и нейтронов. Массовое число нуклида — суммарное число протонов и нейтронов в ядре. ЗАДАНИЕ 11.5. Сколько протонов и нейтронов в нуклиде гелия с массовым числом 3? ЗАДАНИЕ 11.6. Каково массовое число нуклида, у которого: а) и 16д®; б) и 23я®? Таким образом, нуклид характеризуют числом протонов и массовым числом, причём число протонов определяет, какому элементу принадлежит нуклид. Когда записывают формулу нуклида, слева сверху от символа элемента записывают его массовое число, а слева снизу — число протонов (порядковый номер). Порядковый номер часто не пишут, так как он однозначно связан с символом элемента. Пример формулы нуклида 222 массовое число Rn порядковый номер 86 ЗАДАНИЕ 11.7. Сколько протонов и нейтронов в ядре нуклида: а) ^^Fe; б) ^®Ni; в) г) “®Sn? ЗАДАНИЕ 11.8. Напишите формулу нуклида, в котором: а) 15р+ и 16д®; б) 21р^ и 23п®. Поскольку нейтроны не влияют на химические свойства атома, все нуклиды с одинаковым числом протонов относятся к одному элементу и помещаются в одной клетке таблицы Менделеева. Нуклиды одного элемента, имеющие одинаковое число протонов, но разные массовые числа, называются изотопами (от греческих слов «изос»—одно и «топос» — место). Изотопы — нуклиды, имеющие одинаковое число протонов, но разное число нейтронов. Атомы, элементы, нуклиды ЗАДАНИЕ 11.9. Укажите пару изотопов в задании 11.7. Атомные ядра могут образовываться и распадаться. Последнее, например, происходит при радиоактивном распаде. Однако подобные превращения (их называют ядерными реакциями) сопровождаются мощнейшими энергетическими эффектами. Так, при взрыве атомной бомбы происходит распад ядер 235и или При взрыве 10 кг урана (что может уместиться в коробку из-под шляпы) выделяется столько же энергии, сколько при взрыве 20 000 т (300 вагонов!) взрывчатого вещества тротила, когда происходит химическая реакция разложения. Однако ядерные реакции изучает не химия, а ядерная физика, поэтому химики могут считать атомы химически неделимыми частицами. В отличие от химических свойств ядерные свойства изотопов различаются, поэтому при проведении ядерных реакций встаёт проблема изотопной чистоты нуклида. Например, нуклид урана 235и способен к цепной реакции ядерного распада (эта реакция, начавшись единожды, производит продукты, которые вызывают такую же реакцию), которая происходит в атомной бомбе и ядерных реакторах. Однако примеси 233и прерывают эту реакцию, поэтому необходимо очищать 235и примесей 238и. В природной смеси нуклидов урана 235и в 140 раз меньше, чем 238U. Химические свойства этих изотопов одинаковы. Разделяют их, используя небольшое различие в массе, это требует многоступенчатой технологии разделения и очень энергозатратно. Число нейтронов в ядрах атомов не может быть любым. Их основная роль—«разбавить» положительно заряженные протоны и удерживать атомное ядро в связанном состоянии (мало нейтронов — протоны взаимно отталкиваются и ядро распадётся; много — ядро тоже распадётся). Поэтому в устойчивых ядрах число нейтронов подчиняется сложным правилам ядерной физики. Можно заметить, что некоторые элементы (как правило, с нечётными порядковыми номерами) имеют по одному устойчивому нуклиду, а другие — несколько. Рекорд по числу устойчивых нуклидов (18) принадлежит олову. В ядрах с нечётным порядковым номером, как правило, чётное число нейтронов. Контрольные вопросы 11.1. Что такое химический элемент с точки зрения состава атомного ядра? Чем различаются элементы? 11.2. Что отражает порядковый номер элемента? 11.3. Что такое «нуклид»? 11.4. Что такое «массовое число» нуклида? 11.5. Чем различаются изотопы? 11.6. Можно ли говорить о массовом числе химического элемента? Основные понятия и законы химии Задание на дом 11.1. Заполните таблицу. Символ элемента Порядковый номер Число протонов Число электронов Относительная атомная масса элемента Na 18 25 34 10,81 О 11.2. Заполните таблицу. Формула нуклида Символ элемента Порядковый номер элемента Относительная атомная масса нуклида Число протонов Число нейт- ронов Число элект- ронов 235тт 92'-’ Ро 210 18 22 127 53 82 124 18 16 Ресурсы Видеоматериалы • Опыт Малликена по определению заряда электрона, http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/mill-tmp.htm Дополнительные материалы m Химические элементы в организме человека, http://window.edu.ru Справочные материалы • Таблица Менделеева с дополнительной информацией по элементам, http://www.college.ru/chemistry/ Таблица Менделеева; http://chemistry.naorod.ru/tablici/Tablica.htm • Биография A. Авогадро, Й. Я. Берцелиуса и Д. И. Менделеева, http://www.informika.ru/text/database/chemy/Rus/Data/bio/bio_.html Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Основные сведения о строении атома“», http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тесты по теме „Состав атомных ядер“», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «История открытия строения атома», http://fcior.edu.ru • Модуль «Состав атомных ядер (протоны, нейтроны)», http://fcior.edu.ru • Модуль «Изотопы как разновидности атомов одного химического элемента», http://fcior.edu.ru, • Модуль «Опыты Томпсона с катодными лучами», http://fcior.edu.ru • Модуль «Опыт Резерфорда», http://fcior.edu.ru, версия: от 05.03.2009 • Опыт Резерфорда, http://physics.nad.rU/Physics/Cyrillic/par_txt.htm#Beam Химические формулы Практическая работа N° 5 ВЫДЕЛЕНИЕ МЕДИ ИЗ ЕЁ СОЕДИНЕНИЙ Задача. Определить, в какие из выданных вам соединений входит медь. Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок. Реактивы. Вода, соляная кислота, металлический цинк. Если поверхность цинка тусклая, её нужно зачистить шкуркой. Ход работы. На дно пробирки насыпают вещество (0,5 см). Добавляют воды («1 см) и растворяют соединение (если не растворяется, приливают столько же НС1), затем опускают гранулу цинка Zn. Если в растворе присутствует медь, то она выделится на поверхности цинка в виде красно-коричневой губки (см. цветной блок: рис. Ц-16). В выводе указывают, в каких соединениях содержалась медь. Задание на дом 11.3. Опишите методику, позволяющую доказать наличие меди в сплаве. 11.4. Опишите методику, позволяющую отличить медьсодержащую руду от руды, не содержащей меди. § 12 Химические формулы Рекомендуется повторить, что такое вещество и как записывают химическую формулу вещества (§ 3); из курса математики вспомните: что такое «соотношение» и «целое число». — Напишите химические формулы хлорида натрия, сульфата меди, дихромата калия. В состав вещества входят атомы, связанные друг с другом химическими связями. Именно перераспределение химических связей приводит к химическим реакциям, в которых сами атомы остаются неизменными. Химические связи — связи между атомами. При химической реакции происходит перераспределение связей между атомами. Набор элементов, который входит в состав вещества, называется качественным составом вещества. Соотношение, в котором атомы входят в состав вещества, называется количественным составом. Эти соотношения могут быть только строго определёнными. Например, атомы фосфора могут соединяться с атомами Основные понятия и законы химии е кислорода либо в соотношении 2:3, либо в соотношении 2:5, и ни в каком другом. Это соотношение атомов называется количественным составом вещества. Именно качественным и количественным составом вещества определяются в первую очередь его свойства. Количества входящих в вещество атомов разных элементов обычно относятся как небольшие целые числа. ЗАКОН ПОСТОЯНСТВА СОСТАВА Качественный и количественный состав вещества постоянен и не зависит от способа получения. Качественный и количественный состав вещества отражают уже знакомые вам химические формулы — формулы состава. В формуле состава записываются символы входящих в вещество элементов, а их соотношение отражается в виде нижних индексов у символа соответствующего элемента. Единица в индексах не ставится, а подразумевается. Например, упомянутые соединения фосфора с кислородом имеют формулы состава Р2О3 и Р2О5 соответственно. В формуле состава сульфата меди CUSO4 при меди подразумевается индекс 1, при сере — 1, при кислороде поставлен индекс 4. Это значит, что на один атом меди приходится один атом серы и четыре атома кислорода. Формула состава — химическая формула вещества, отражающая его качественный и количественный состав. Индексы в формулах состава — целые числа. Сколько атомов водорода и кислорода приходится на один атом серы в H2SO4? H2SO3? SO3? NaHS04? H2S2O7? Формула состава серной кислоты H2SO4 отражает состав действительно существующей частицы — молекулы серной кислоты, в которой два атома водорода, один атом серы и четыре атома кислорода связаны химическими связями. Молекула — частица, состоящая из связанных химическими связями атомов. Химические связи между атомами в молекуле гораздо прочнее, чем межмолекулярные связи. Сколько и каких атомов COCI2, H2SO4, М(СНз)з? находится в одной молекуле НС1, Однако далеко не все вещества состоят из молекул. Известный вам мел, формула состава которого СаСОз, устроен принципиально по-другому. В нём нет отдельных частиц, совпадающих с его химической формулой. Формула состава таких веществ отражает только соотношение атомов. Химические формулы Класс: кислоты H2SO4 Номенклатурное название: серная кислота БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Тяжёлая (плотность 1,84 г/л) маслянистая жидкость. Смешивается с водой во всех соотношениях с выделением большого количества теплоты. Концентрированная серная кислота гигроскопична (т. е. легко поглощает влагу из воздуха), отнимает воду от многих органических веществ. Бумага, дерево и сахар в концентрированной серной кислоте обугливаются. Разбавленная серная кислота реагирует с многими металлами и разрушает строительные материалы. При попадании на кожу и слизистые оболочки концентрированная серная кислота вызывает химические ожоги. Она разрушает также растительные и синтетические волокна. Мировое производство в 2002 г. превысило 100 млн т (больше производится только железа). Применяют в производстве фосфорных удобрений, в нефтепереработке, металлургии. Раствор серной кислоты входит в состав «электролита» кислотных аккумуляторов для автомобилей, поэтому серную кислоту под названием «кислотный электролит» продают в автомагазинах. Различают простые и сложные вещества. Простые вещества состоят из атомов одного элемента. Соединения (сложные вещества) состоят из атомов разных элементов. Сложные вещества называют соединениями. Сложные вещества возможно получить из простых в результате последовательных реакций соединения, а простые вещества соединением других простых веществ получить невозможно. Зато сложные вещества можно разложить на простые, а простые вещества — нет. Некоторые простые вещества могут существовать в виде аллотропных модификаций, в которых атомы расположены относительно друг друга по-разному. Например, алмаз и графит — аллотропные модификации углерода. Они состоят из одних и тех же атомов углерода, но связаны эти атомы в разном порядке, поэтому их свойства сильно различаются. Алмаз — прозрачный, очень твёрдый и не проводит электрический ток; графит — чёрного или чёрно-стального цвета, мягкий (настолько, что им можно писать по бумаге — карандашный грифель) и проводит электрический ток. Какие из веществ относятся к простым, а какие — к сложным: Fe, HF, Hf, NaCl, О2, СО, СО2, Со? Как доказать, что элемент входит в состав вещества (иными словами, как определить качественный состав вещества)? Есть несколько классических способов. Во-первых, простое вещество можно выделить. Так, если через воду пропустить электрический ток, вода разлагается на простые вещества: водород и кислород. Это доказывает, что вода состоит из элемента водорода и элемента кислорода. Основные понятия и законы химии Можно, например, доказать наличие в соляной кислоте НС1 элемента хлора, если выделить из неё хлор CI2 — зеленоватый газ с запахом «хлорки». Хлор CI2 также образуется при взаимодействии соляной кислоты с перманганатом калия КМПО4 или пероксидом водорода Н2О2. Хлор выделяется и при пропускании через раствор соляной кислоты электрического тока. Такое разнообразие способов выделения хлора из соляной кислоты доказывает, что хлор содержится именно в соляной кислоте, а не в тех веществах, с которыми она реагирует. Во-вторых, можно синтезировать сложное вещество из простых. Например, если сжечь серу в кислороде, образуется бесцветный удушливый газ с характерным запахом (оксид серы (IV) SO2). Поскольку исходное вещество — сера, конечно же, она входит в состав этого оксида. В-третьих, вещество можно превратить в известное соединение. Так, если при нагревании неизвестного вещества на воздухе чувствуется характерный запах SO2, то это означает, что в состав неизвестного вещества входит сера. ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НАЛИЧИЯ ЭЛЕМЕНТА В ВЕЩЕСТВЕ: • выделить соответствующее простое вещество; • получить вещество из соответствующего простого вещества. Нужно хорошо понимать, что свойства простых веществ и их соединений различаются. Например (см. цветной блок: рис. Ц-15), в состав сложного вещества безводного сульфата меди CUSO4 входят элементы: медь, сера и кислород. Сам безводный сульфат меди представляет собой тусклый белый порошок, который растворим в воде с образованием голубого раствора. Простое вещество медь — тёмно-красный металл, не растворяется в воде, обладает характерным блеском. Простое вещество сера — жёлтый порошок, не растворимый в воде. И наконец, простое вещество кислород — бесцветный газ. Нужно чётко различать атомы (час- ЭТО ИНТЕРЕСНО! ТРУДНОСТИ ПЕРЕВОДА В справочниках можно найти неправильные определения атома и элемента. Там присутствуют логические круги, т. е. понятие определяется через само себя. Атом определяется как наименьшая частица химического элемента — носитель его химических свойств, а химический элемент— как совокупность атомов с определённым зарядом ядра. Скорее всего, эта ошибка возникла из-за неправильного перевода с немецкого или английского языка, где слово element обозначает как элемент, так и простое вещество. Корректное определение: атом — наименьшая частица простого вещества — носитель его химических свойств. Тогда простое вещество — вещество, которое нельзя разложить на составные части. Химические формулы тицы), элементы (совокупности атомов) и простые вещества, разные объекты с разными свойствами. СУЩЕСТВЕННЫЕ СВОЙСТВА АТОМА • масса • размеры СУЩЕСТВЕННЫЕ СВОЙСТВА ЭЛЕМЕНТА • доля в соединении • содержание в земной коре СУЩЕСТВЕННЫЕ СВОЙСТВА ПРОСТОГО ВЕЩЕСТВА • цвет • температура • температура • плотность Это запах плавления кипения «Кислород входит в состав воды», что имеется в виду под словом «кислород»: элемент или простое вещество? Контрольные вопросы 12.1. Когда речь идёт об элементе, а когда — о простом веществе: а) в состав природного газа входят водород и углерод; б) воду можно разложить на водород и углерод; в) если натрий кинуть в воду, он загорится; г) поваренная соль окрашивает пламя, потому что в неё входит натрий; д) сера кипит при 444 °С. 12.2. Какие элементы и в каком соотношении входят в состав поваренной соли NaCl, воды Н2О, стиральной соды КагСОз, метана СН4, калийной селитры KNO3? 12.3* Как можно отличить NaCl от КС1? Задание на дом 12.1. Напишите формулу состава вещества: а) в веществе на два атома калия приходится один атом серы и четыре атома кислорода; б) в молекулу входят три атома водорода, один атом фосфора и четыре атома кислорода; в) в молекулу входят один атом водорода, один атом углерода и один атом азота. О Ресурсы Дополнительные материалы • Модуль «История возникновения понятия „химическая формула"», http://fcior.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Химические формулы"», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «История возникновения понятия „химическая формула"», http://fcior.edu.ru Л' ' ''f‘V-- Ч '■SS^4 й-S.. ' '"*^^Tv'' ;v^ Основные понятия и законы химии § 13 Относительная атомная масса и расчёт массовой доли элемента в соединении Рекомендуется повторить, что такое атом, элемент и нуклид (§11), а также массовая доля (§9); что означает формула состава вещества (§ 12). Из курса математики вспомните правила округления, понятие «минимальное значение». — Какие элементы и в каком соотношении входят в состав сульфата меди CUSO4? — Сколько протонов и нейтронов в составе нуклида — Что такое массовая доля? — Чему равна массовая доля компонента, если в 10 г смеси его содержится 4 г? — Округлите число 24,79 до целого. Вы уже знаете (по § 11 и практической работе №5), что простое вещество (например, медь) можно выделить из его соединений. А как узнать, какую массу простого вещества меди можно выделить из навески вещества, которая находится у вас в руках? На первый взгляд, ответ нам даёт формула вещества. Например, в сульфате меди CUSO4 из шести атомов один — атом меди. Проблема, однако, в том, что разные атомы имеют разные массы. Так, атом меди весит как четыре атома кислорода, а атом серы — как два атома кислорода (см. Периодическую систему элементов). Следовательно, масса атомов меди составляет -----—------= 0,4 1-4 + 1-2 + 4-1 (или 40%) от массы всех атомов, входящих в сульфат меди. Таким образом, мы определили массовую долю меди в её сульфате. При этом нам совершенно не нужно было знать массы атомов в граммах (абсолютные массы) — достаточно было знать, во сколько раз одни атомы тяжелее других, т. е. знать относительные атомные массы. Определить их экспериментально достаточно просто. Для этого необходимо знать, в каком массовом соотношении соединяются простые вещества или в каком массовом соотношении образуются простые вещества при разложении сложных. Первые таблицы относительных атомных масс были составлены в начале XIX в. шведским химиком Й. Я. Берцелиусом. И только 100 лет спустя были определены массы электрона и протона, что позволило впервые рассчитать абсолютные массы атомов. Как и для всякой относительной величины, встаёт вопрос о том, что брать за единицу сравнения. В приведённом примере с медным купоросом мы в качестве такой единицы взяли массу атома кислорода. Берцелиус брал одну сотую массы атома кислорода. Однако по ряду причин это неудобно. Сейчас в качестве Относительная атомная масса единицы относительной атомной массы принята масса нуклида углерода с массовым числом 12 (обозначается как i^C). Относительная атомная масса {Аг) — отношение массы атома к ^ массы нуклида Это безразмерная величина 1 а. е. м. = — л7(^2С). 12 Размерность относительной атомной массы — атомная единица массы «а. е. м.» (или Да — дальтон). В обозначении относительной атомной массы Аг индекс происходит от английского слова relative — относительный. Почему именно Потому, что тогда атомная единица массы примерно равна массе протона и нейтрона. Это значит, что относительная атомная масса численно равна его массовому числу. Большинство элементов встречается в природе в виде смеси разных нуклидов с постоянным соотношением. Поэтому относительная атомная масса элемента есть усреднённая относительная атомная масса нуклидов природной смеси с учётом их доли. Например, природный хлор содержит примерно 75% и 25% 37С1. Усреднённая относительная атомная масса хлора составит 35 • 0,75-Ь 37 -0,25 = 35,5. Относительная атомная масса нуклида численно равна его массовому числу. Относительная атомная масса элемента {Аг) — усреднённая (с учётом частоты встречаемости атомная масса изотопов, входящих в природную смесь) масса атома данного элемента к ^ массы нуклида 12С. Относительные атомные массы всех элементов приводятся в таблице Менделеева. При расчётах их обычно округляют до целых, за исключением относительной атомной массы хлора, которую округляют до 35,5. Относительные атомные массы всех элементов, кроме хлора, обычно округляют до целых. Чему равна относительная атомная масса нуклида ^®0? ®^Zn? Чему равна относительная атомная масса кислорода? цинка? Можно обратить внимание, что природный фтор, натрий и алюминий состоят из одного нуклида, а их относительные атомные массы всё равно не целочисленны. Более того, в справочниках указаны относительные атомные массы протона и нейтрона, и они больше единицы (1,007 & Основные понятия и законы химии f; и 1,009 а. е. м. соответственно). Все эти «странности» объясняются тем, что в соответствии с теорией относительности Эйнштейна масса способна переходить в энергию и обратно, причём они связаны соотношением Е = т ■ с^, где с — скорость света (3 • 10® м/с). В химических реакциях изменение массы незаметно, однако при слиянии протонов и нейтронов выделяется такое количество энергии, что убыль массы (или, как егцё говорят, «дефект массы») оказывается вполне ош;утимой. Из-за дефекта массы относительная атомная масса нуклида лишь приблизительно равна его массовому числу. Точно так же, как можно говорить об относительной атомной массе, можно говорить и об относительной молекулярной массе. Относительная молекулярная масса вещества Mr рассчитывается как сумма атомных масс всех элементов, входящих в его формулу состава (с учётом индексов). Например, относительная молекулярная масса сульфата меди CUSO4: Mr(CuS04) = Ar(Cu) + Ar(S) + 4Ar(0); отсюда получаем Mr(CuS04) = 64 + 32 + 4 • 16 = 160. ЗАДАНИЕ 13.1. Рассчитайте относительные молекулярные массы магнитного железняка Рез04, серной кислоты H2SO4, хромистого железняка Ре(Сг02)2- Чтобы рассчитать массовую долю элемента в соединении, достаточно поделить относительную атомную массу, умноженную на индекс (число атомов в формуле состава), на молекулярную массу соединения. Например, массовая доля меди в сульфате меди составит uj{Cu) = - ; ^,(Си) = -^ = 0,4. ^ ’ Mr(CuS04) ’ ^ ^ 160 Столько же составит массовая доля кислорода: а,(0) = 4Аг(0) Mr(CuS04) ..(О) = ^^ = 0,4. ЗАДАНИЕ 13.2. Рассчитайте массовую долю меди в её гидроксо-карбонате Си(ОН)2СОз. Зная массовую долю элемента в соединении, мы можем легко рассчитать, сколько простого вещества может быть выделено из любой навески соединения. Расчёты здесь абсолютно аналогичны расчётам массы компонента смеси при известной массе смеси (§ 9, пример 9.6). Относительная атомная масса ПРИМЕР 13.1. Сколько меди можно выделить из 500 г медного сульфата меди? Решение. m(Cu) = m(CuS04) • с<;(Си); /п(Си) = 500 г • 0,4 = 200 г. Ответ. 200 г. Что больше: масса соединения или масса входящего в него элемента? ЗАДАНИЕ 13.3. Рассчитайте массовую долю железа в магнитном железняке Рез04. Какую массу железа можно выделить из 100 кг этого минерала? Аналогичным образом можно рассчитывать массовую долю группы (двух или нескольких) элементов в веществах — молярную массу соответствующей группы делят на молярную массу вещества с учётом индексов. ПРИМЕР 13.2f Содержание фосфора в фосфорных удобрениях принято пересчитывать на Р2О5. Какова массовая доля Р2О5 в гидрофосфате калия К2НРО4? Решение. а;(Р205) = ^*^(Р205) — 2 Мг(К2НР04) ’ 142 2 • 174 = 0,41. Знание массовой доли элемента в соединении позволяет решить и обратную задачу: сколько соединения нужно взять, чтобы выделить из него определённую массу простого вещества? ПРИМЕР 13.3. Сколько граммов сульфата меди нужно взять, чтобы получить 10 г меди? Решение. /n(CuS04) = /п(Си) u;(CuS04) ’ m(CuS04) = 10 г 0,4 = 25 г. Ответ. 25 г. ЗАДАНИЕ 13.4. Рассчитайте массовую долю хрома в хромистом железняке Ре(Сг02)2- Сколько хромистого железняка нужно взять, чтобы получить 500 кг хрома? Элементный состав вещества, т. е. массовые доли входящих в него элементов, можно определить экспериментально. Из него можно рассчитать соотношение числа атомов (а значит, определить формулу состава соединения). Число атомов (и индексы) соотносятся между собой как отношения массовой доли элемента к его относительной массе по всем элементам, входящим в состав вещества. Основные понятия и законы химии ПРИМЕР 13.4. Вещество содержит 37% железа, 21% серы и 42% кислорода. Установите его формулу. u)(F€) 37 Решение. Индекс при железе: , — = — = 0,66. ^ Ar{Fe) 56 Индекс при сере: = 0,66. ^ ^ Ar(S) 32 Индекс при кислороде: = Щ = 2,63. Минимальное значение индекса может быть 1. Поэтому выбираем наименьшее число из найденных (в нашем случае — 0,66), и делим на него все полученные. Таким образом, индексы при железе и сере равны 1, а при кислороде — Формула вещества FeS04. Ответ. FeS04. 2,63 0,66 = 4. Контрольные вопросы 13.1. Какова относительная атомная масса кислорода? 13.2. Во сколько раз атом кислорода тяжелее атома водорода? 13.3. Как связаны между собой относительная атомная масса и массовое число? 13.4. Что такое относительная молекулярная масса? Задание на дом 13.1. Рассчитайте относительные молекулярные массы Н2О, NaOH, КМПО4, (КН4)2Сг20т, Fe2(S04)3. 13.2. Какова массовая доля кислорода в бертолетовой соли KCIO3? 13.3. Какая масса малахита (СиОН)2СОз требуется для получения 50 кг меди? 13.4. Какую массу фосфора можно получить из 2 т фосфорита Саз(Р04)2? 13.5. На одну сотку картофельного поля ежегодно следует вносить 1,6 кг калия в виде калийных солей. Какую массу нитрата калия KNO3 нужно вносить на одну сотку? 13.6. В каком соединении массовая доля кислорода самая большая (привести ответ, не производя расчётов): KCIO3, KCIO4, NaClOa, LiC104? 13.7f Какую массу оксида хрома (III) СГ2О3 можно получить при разложении 10 г дихромата аммония (NH4)2Cr207? 13.8. * Какова массовая доля воды в кристаллогидрате сульфата меди CUSO4 • 5Н2О? 13.9. * Установите формулу соединения, содержаш;его 73% серебра, 11% серы и 16% кислорода. Относительная атомная масса 13.10* Брюм состоит из двух изотопов: ^^Br и ®^Вг. Каково их соотношение в природной смеси? Ресурсы Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Атомы и химические элементы, молекулы"», http://f cior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Информация, заключённая в химической формуле вещества"», http: //fcior. edu. ru • Модуль «Тренажёр „Вычисление относительной молекулярной массы веществ"», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Относительная атомная масса», http://fcior.edu.ru • Модуль «Относительная молекулярная масса», http://fcior.edu.ru Лабораторные опыты ИМИТАЦИОННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ МАССОВАЯ ДОЛЯ ЭЛЕМЕНТА В СОЕДИНЕНИИ Оборудование. Весы. Реактивы. Пластилин разных цветов; бумага. Задачи. 1. Для различных соединений слепить из пластилина модели входящих в них атомов. Модель атома — это шарик определённого цвета, масса которого в граммах равна относительной атомной массе, делённой на 10. 2. Собрать из моделей атомов модель соединения. В модель соединения должны входить модели атомов, число которых равно индексам в формуле соединения. 3. Взвесить модель соединения. 4. Рассчитать массовую долю пластилина каждого цвета в модели соединения. Например, для соединения CuCl2 Атом Цвет Кол-во шариков Масса шарика, г Масса всех шариков (рассчитанная), г Массовая доля Си Коричневый С1 Зелёный Общая масса модели рассчитанная г, измеренная Основные понятия и законы химии О § 14 Периодический закон и Периодическая система элементов Рекомендуется повторить понятие «атом» и «элемент» (§11). Как уже говорилось в предыдущем параграфе, все элементы собраны в Периодическую систему элементов. Она отражает фундаментальный закон науки химии — Периодический закон. Современная формулировка Периодического закона такова: свойства элементов и образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра. ПЕРИОДИЧЕСКИМ ЗАКОН Свойства элементов и образуемых ими простых веществ и соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра. Открыл Периодический закон и предложил вниманию научного сообщества составленную им Периодическую систему великий русский учёный Дмитрий Иванович Менделеев. Поэтому Периодическая система элементов носит его имя. Обобщив известные экспериментальные данные, Менделеев выявил закономерности в изменении свойств элементов и графически обобщил их, построив таблицу, где каждый элемент занимает собственную клеточку. Научиться пользоваться Периодической системой необходимо уже при первых шагах изучения химии. В ней содержится обширная информация о свойствах элементов. Д. И. Менделеев с помощью Периодической системы предсказал свойства трёх ещё не открытых в то время элементов, получивших позже название галлия, германия и скандия. Это было слишком дерзко, поэтому научное сообщество отнеслось к идее учёного насторожённо. Только спустя 16 лет, когда был открыт первый из предсказанных Менделеевым элементов, галлий, и его свойства совпали с предсказанными, русский учёный получил всемирное признание и известность. Периодическая система Д. И. Менделеева — мощный инструмент познания. Предлагая в 1869 г. Периодическую систему элементов, Менделеев ничего не знал о строении атома и считал атом неделимым. Он расположил элементы в порядке возрастания атомных масс, но, основываясь на химических свойствах, сделал в ряду элементов несколько перестановок. Например, поменял местами железо и никель, иод и теллур. Кроме того, он, также, основываясь на химических свойствах, изменил атомные массы нескольких элементов. Почти весь курс химии восьмого и девятого классов так или иначе связан с Периодической системой элементов и раскрыва- Периодический закон ет разные её грани. Мы будем многократно к ней возвращаться, продвигаясь к новому уровню знаний. Здесь мы познакомимся с основными принципами её строения. За время, прошедшее с открытия Периодического закона, было опубликовано более пятисот вариантов Периодической системы. Однако наибольшее распространение получили два, над которыми работал ещё Менделеев — короткопериодный и длиннопериодный. Длиннопериодный вариант (приведён на последнем форзаце учебника) хорошо демонстрирует закономерности в изменении свойств элементов, а короткопериодный (на первом форзаце) — сходство их свойств. Каждый элемент Периодической системы Менделеева имеет порядковый номер. В Периодической системе, как и во всякой другой таблице, есть строки (ряды) и столбцы, в клетках записаны символы элементов. Каждая строка длиннопериодной таблицы называется периодом. В короткопериодной таблице периоды состоят из одной или двух строк. Периоды обозначаются арабскими цифрами, которые записаны слева. Свойства элементов по периоду закономерно изменяются. К какому периоду относится водород? Фосфор? Углерод? Медь? Железо? Столбцы короткопериодной таблицы объединяют элементы в группы. В группе находятся элементы со сходными свойствами. Номер группы обозначают римской цифрой над соответствующим столбцом. По короткопериодному варианту таблицы Менделеева определите, в какой группе находятся фосфор, углерод, медь, железо? В каждой группе есть две подгруппы: главная и побочная. Элементы второго и третьего периодов относятся только к главным подгруппам. Побочные подгруппы появляются, начиная с четвёртого периода. В короткопериодном варианте Периодической системы символы элементов главных и побочных подгрупп помещают в разные углы клетки (рис. 35). Если символ элемента находится под символами элементов второго и третьего периодов, то этот элемент входит в главную подгруппу, а если сдвинут в другой угол клетки — в побочную. ЗАДАНИЕ 14.1. Возьмите карандаш и закройте им символы элементов одного столбца таблицы. Вам удалось «спрятать» элементы либо главной, либо побочной подгруппы (рис. 36). По короткопериодному варианту таблицы Менделеева определите, в какой подгруппе находятся фосфор, углерод, медь, железо. Основные понятия и законы химии 3 Na 22,990 натрий 11 К 39,098 калий 19 4 29 63,55 медь Си VI О 15,999 кислород! 32,06 сера 24 51,996 хром Se 78,96 селен 42 95,94 молибден! Те 127,60 теллур 74 183,85 вольфрам| Ро 208,98 полоний Рис. 35. Натрий и калий — элементы главной подгруппы I группы; медь — элемент побочной подгруппы I группы. Символы этих элементов находятся в разных углах соответствующих клеток Рис. 36. Закрыты карандашом — символы элементов побочной подгруппы VI группы, не закрыты карандашом — элементы главной подгруппы этой же (VI) группы В длиннопериодном варианте Периодической системы побочные подгруппы находятся в собственных столбцах отдельно от главных. Как и в короткопериодном варианте, группы обозначены здесь римскими цифрами, однако после номера главных подгрупп следует буква А, а после номера побочной — буква В. По длиннопериодному варианту таблицы Менделеева определите, в какой группе и подгруппе находятся сера, цинк, азот, золото. Некоторые группы элементов имеют названия (см. цветной блок: табл. Ц-1). Обратим внимание на главную подгруппу VIII группы (в длиннопериодном варианте подгруппа VIIIA). Эти элементы называются благородными газами. Благородные газы существуют в виде простых веществ, которые в обычных условиях не вступают в химические реакции. Назовите все благородные газы. Металлы и неметаллы Ранее считалось, что благородные газы вообще не вступают в химические реакции, а потому их называли «инертными», что значит ни с чем не взаимодействующие. После 1961 г., когда было получено первое соединение ксенона, а потом были получены соединения и других благородных газов (кроме гелия), называть их инертными не совсем корректно, однако это название до сих пор иногда используют. Благородные газы — элементы подгруппы VIIIA и соответствующие им простые вещества. Простые вещества — благородные газы практически не вступают в химические реакции. Контрольные вопросы 14.1. Сформулируйте периодический закон. Задание на дом 14.1. Даны элементы: калий, сера, хром, мышьяк. Дайте характеристику каждому элементу по положению в Периодической системе. 14.2. Заполните таблицу. Элемент Период Группа Подгруппа Углерод Хром Селен Олово III II главная V VI главная IV VII побочная О Ресурсы Справочная информация • Таблица Менделеева с дополнительной информацией по элементам, http://www.college.ru/chemistry/ —>• Таблица Менделеева, http://chemistry.narod.ru/tablici/Tablica.htm § 15 Металлы и неметаллы Рекомендуется повторить понятия «элемент», «простое вещество»; что означгпот формулы веществ (§ 12), существенные свойства вещества (§ 3). Что такое короткопериодный и длиннопериодный варианты Периодической системы (§ 14). — О чём (элементе или простом веществе) идёт речь: «Медь хорошо проводит электрический ток»? «Цинк в Периодической системе следует за медью»? Q ■ Основные понятия и законы химии А — Какие металлы вы знаете из жизненного опыта? — Вам в руки попало некоторое вещество. Как можно узнать, металл это или нет? Оборудование. Молоток, металлическое основание штатива (наковальня), бумага наждачная тонкая, пробник на электропроводность. Реактивы. Медная проволока, алюминиевая проволока, резиновая или силиконовая трубка, гранулы цинка, сера (куском). Слово «металл» известно, наверное, всем. Многие из вас смогут отличить по внешнему виду металл. ОПЫТ 15.1. Определение металлических предметов по внешнему виду. Из выданных предметов выбирают сделанные из металлов. Д На основании каких признаков вы выбрали металлические изделия? Скорее всего, вы выберете медь, алюминий и цинк и сможете вполне разумно обосновать свой выбор. Однако вряд ли вы сможете назвать все признаки металлов. Попробуем выявить их опытным путём. ОПЫТ 15.2. Металлический блеск. По поверхности предметов проводят наждачной бумагой. Что можно сказать о поверхностях после такой обработки? Д Вы увидите, что поверхности предметов, сделанных из цинка, меди и алюминия, заблестели, а резины и серы нет. Дело в том, что металлы отличаются характерным металлическим блеском. ОПЫТ 15.3. Электропроводность. К каждому из предметов подносят контакты пробника на электропроводность (рис. 37). Какие из них проводят электрический ток? Д Изделия из цинка, меди и алюминия проводят электрический ток. Электропроводность — характерное свойство металлов. Рис. 37. Правильное (слева) и неправильное (справа — контакты пробника соприкасаются) использование пробника Металлы и неметаллы Рис. 38. Резиновый шланг (1) восстанавливает старую форму после снятия нагрузки, металлическая проволока (2) под нагрузкой приобретает новую форму, стеклянная палочка (3) ломается ОПЫТ 15.4. Пластичность. Пытаются согнуть предметы (кроме гранул цинка, которые согнуть невозможно). Что происходит с формой каждого предмета: а) при попытке его согнуть и б) если согнутый предмет оставить в покое? Д Медная и алюминиевая проволока согнулись и сохранили свою форму после снятия нагрузки. Резиновая трубка тоже согнулась, однако её форма после снятия нагрузки восстановилась (рис. 38). Кусок серы либо вообще не удаётся согнуть, либо при этой попытке он ломается. Мы познакомились с одним из общих свойств металлов. Способность тела изменять форму под плавной нагрузкой и сохранять новую форму после снятия нагрузки называется пластичностью. Резина не пластичная^ а упругая (восстанавливает форму после снятия нагрузки), а сера — хрупкая (разрушается под нагрузкой). ОПЫТ 15.5. Ковкость. _____„jmeeeib'.v---• -'»• . • • , Проводить в защитных очках. Предметы выкладывают на основание штатива и ударяют по ним молотком (сначала несильно, чтобы, если расколется, куски не разлетелись далеко) (рис. 39). Как изменилась форма предметов? Д Рис. 39. После удара молотком на резиновом шланге не остаётся следов (1), на куске металла после удара остаётся вмятина (3), кусок серы раскалывается (3) Основные понятия и законы химии На алюминиевой и медной проволоке, а также цинковой грануле, скорее всего, останется след от удара. То есть металл поменял форму, но не разрушился. Такое свойство называется ковкостью. На резиновом шланге следов не останется, а кусок серы рассыплется — она хрупкая. Пластичность — способность изменять форму под плавной нагрузкой и сохранять новую форму после снятия нагрузки. Ковкость — способность изменять форму под ударной нагрузкой и сохранять новую форму после снятия нагрузки. Упругость — способность изменять форму под нагрузкой, но восстанавливать её после снятия нагрузки. Хрупкость — способность разрушаться под нагрузкой. Мы описали четыре характерных свойства металлов: металлический блеск, электропроводность, пластичность и ковкость. Кроме того, все металлы теплопроводны, с этим свойством знаком каждый, кто хоть раз хватался на морозе за куски металла. ОБЩИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ (ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ) • металлический блеск • пластичность • электропроводность • ковкость • теплопроводность Что же представляют собой металлы с химической точки зрения? Все металлы — простые вещества. Наряду с металлами к простым веществам относятся также неметаллы, которые указанные выше свойства не проявляют или проявляют не все эти свойства. Таким образом, все простые вещества делятся на две группы: металлы и неметаллы. Этим простым веществам соответствуют элементы — металлы и неметаллы. Металлы обладают рядом общих свойств, отличающих их от неметаллов. Свойства разных неметаллов настолько сильно различаются, что говорить об общих свойствах всех неметаллов затруднительно. Из всех элементов только 22 неметаллы. Чтобы их найти, нужно посмотреть на Периодическую систему Менделеева (на форзацах учебника). Проще всего в длиннопериодном варианте провести диагональ бор—кремний—мышьяк—сурьма—теллур— астат. Все элементы на этой диагонали и справа от неё, а также водород — неметаллы (см. цветной блок: табл. Ц-1). Все элементы слева от неё — металлы. Если пользоваться короткопериодным вариантом таблицы, то металлам соответствуют все элементы побочных подгрупп. В главных подгруппах надо также провести условную диагональ бор—кремний—мышьяк—сурьма—теллур—астат. Элементы глав- Металлы и неметаллы Класс: металлы Си Номенкла турное название: медь БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Тёмно-красный металл. Химически малоактивна, хотя на воздухе медленно покрывается тёмной плёнкой оксида СиО. Если воздух влажный, на медных изделиях (например, статуях) может появиться зелёный налёт из основного карбоната меди (СиОН)2СОз (патина). Очень хорошо проводит тепло и электрический ток, а также легко вытягивается в проволоку, поэтому из неё делают электрические провода. Очень ковкая — из неё чеканят различные изделия, в том числе монеты (см. цветной блок: рис. Ц-17, Ц-18). Сплавы меди с цинком (латуни и бронзы) обладают хорошими литейными качествами: из них отливают разные бытовые изделия — от водопроводных кранов до скульптур (см. цветной блок: рис. Ц-19). Известна с глубокой древности. В 2002 г. было произведено более 15 млн т меди. ных подгрупп, лежащие на этой диагонали и справа от неё, а также водород, относятся к неметаллам, слева — к металлам. 1 Н He 2 Li Be в C N 0 F Ne 3 Na Mg Al Si P S Cl Ar 4 К Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr 5 Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Те I Xe 6 Cs Ba La Hf Та W Re Os Ir Pt Au Hg TI Pb Bi Po At Rn Какие из элементов относятся к неметаллам, а какие — к металлам: водород, хлор, натрий, железо, медь, хром? Граница между металлами и неметаллами весьма условна, поскольку свойства металлов и неметаллов изменяются не скачком, а плавно. Так, неметаллы, находящиеся вблизи указанной границы (кремний, мышьяк), имеют металлический блеск, а графит (углерод) проводит электрический ток. Однако чем правее и выше находится элемент в Периодической системе, тем меньше металлических свойств проявляет соответствующее ему простое вещество. Типичные неметаллы — фтор, кислород, азот, хлор. Селен и бром — простые вещества. Одно из них обладает тусклым блеском, который можно принять за металлический. О каком веществе идёт речь? Свойства некоторых элементов настолько близки, что их объединяют общим названием (см. цветной блок: табл. Ц-1). Так, е Основные понятия и законы химии Класс: металлы А1 Номенклатурное название: алюминий БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Серебристо-белый металл. Химически весьма активен, однако на воздухе и во многих агрессивных средах покрывается тонкой, но прочной плёнкой оксида AI2O3, которая препятствует дальнейшему протеканию реакции. Очень лёгок (плотность 2,7 г/см^). Чистый алюминий мягок, однако небольшие добавки меди, магния и марганца превращают его в прочный, но лёгкий сплав дюралюминий (широко используется как конструкционный материал). Хорошо проводит электрический ток, что позволяет делать из него лёгкие электрические провода. В 2002 г. было произведено более 32 млн т алюминия. элементы главной подгруппы первой группы (подгруппа IA в длиннопериодном варианте), кроме водорода, называются щелочными металлами. Щелочные металлы (простые вещества) химически очень активны, они реагируют даже с водой. Элементы подгруппы ПА, кроме бериллия и магния, называют щелочноземельными металлами. Соответствующие им простые вещества тоже весьма активны. Назовите все щелочные металлы. Назовите все щелочноземельные металлы. Все элементы побочных подгрупп называют переходными, однако цинк Zn, кадмий Cd и ртуть Hg слабо проявляют характерные свойства этих металлов. Переходные металлы гораздо менее реакционноспособны, чем щелочные и щелочноземельные. Элементы VII группы главной подгруппы (подгруппа VIIA) называют галогенами (в переводе с греческого — рождающие соли). Простые вещества галогенов — наиболее химически активные неметаллы. Они реагируют с большинством металлов, причём реакция со щелочными металлами протекает очень бурно. Элементы подгруппы VIA называют халькогенами (в переводе с греческого — рождающие руды). Назовите все галогены. Назовите все халькогены. Контрольные вопросы 15.1. Перечислите общие свойства металлов. 15.2. Где в таблице Менделеева проходит граница между металлами и неметаллами? 15.3. Можно ли использовать какой-нубудь металл в качестве электроизолятора? 15.4. Что лучше проводит тепло — металлы или неметаллы? Металлы и неметаллы Задание на дом 15.1. Заполните таблицу. Элемент Период Группа Подгруппа Подгруппа длиннопериодного варианта Периодической системы Mg 0 Cr Br Pt Те 15.2. Заполните таблицу. Элемент Подгруппа главная/побочная Простое вещество металл/неметалл S Са Fe Zn Pb Р В следующих заданиях выберите правильное завершение фразы. 15.3. Натрий и золото: а) хорошо проводят электрический ток; б) бурно реагируют с водой; в) способны гореть на воздухе; г) хрупкие. 15.4. Не проводит электрический ток простое вещество: а) натрий; б) медь; в) ртуть; г) иод. 15.5. Марганец относится: а) к галогенам; б) к щелочным металлам; в) к переходным элементам; г) к благородным газам. 15.6. К щелочным металлам относится: а) медь; б) натрий; в) водород; г) хлор. Домашний эксперимент Предметы из металлов и их применение в быту Среди разных вещей у вас дома найдите те, которые сделаны из металлов. Какие свойства металлов используются в этом изделии? Почему эта вещь изготовлена из металла, а не из другого материала? Ресурсы Видеоматериалы • Демонстрация цезия, http://experiment.edu.ru/attach/б/446.mov • Взаимодействие кальция и серы, http://www.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v004.html О Основные понятия и законы химии • Взаимодействие натрия и серы, http://WWW.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v014.html • Реакция алюминия с бромом, http://www.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v008.html • Реакция меди с хлором, http://WWW.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v010.html Дополнительные материалы • Обнаружение золота и серебра, http://www.himhelp.ru/practice/sectionl55/2698.html Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Простые вещества металлы и неметаллы”», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Общая характеристика металлов. Их соединения. Значение металлов в природе и жизни человека*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Общая характеристика металлов. Значение металлов в природе и жизни человека (углублённый уровень сложности)*, http://f cior.edu.ru • Модуль «Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева и строение атомов. Значение периодического закона*, http://fcior.edu.ru Q § 16 Валентность. Графические формулы Рекомендуется повторить, что означают формулы веществ (§ 3, 12), что такое атом и элемент (§ 11), что такое группа в таблице Менделеева (с. 87). Из курса математики вспомните понятие «соотношение*, операцию сокращения, наибольший общий делитель, кратность числа. — Сколько и каких элементов входит в состав молекулы H2SO4? — В какой группе и подгруппе находится S? Р? Си? В § 12 был сформулирован закон постоянства состава. Почему же соединения имеют постоянный состав и можно ли на основе свойств элементов, входящих в состав соединения, предсказать формулу этого соединения? Можно, и это одна из задач химии. Дело в том, что атом определённого элемента (для простоты чаще говорят об элементе, опуская слово «атом») может образовывать только определённое число химических связей. Поэтому элементы соединяются друг с другом в строго определённых соотношениях. Например, натрий может соединиться с хлором только в соотношении 1 : 1 (всем известная поваренная соль NaCl), а не 2:1, 1 : 2 и т. д. tetar - . ' .> Число химических связей, которые образует элемент (атом элемента), называется валентностью. Валентность. Графические формулы Некоторые элементы всегда образуют постоянное число химических связей. Так, водород во всех соединениях имеет только одну связь, кислород — две. Поэтому валентность водорода всегда 1, кислорода — всегда 2. Однако есть элементы, которые в разных соединениях образуют разное число связей. Таким образом, они могут проявлять несколько валентностей. Например, сера может проявлять валентность 2 (две химические связи), 4 (четыре связи) или 6 (шесть связей). Но нужно запомнить: в одном соединении элемент сохраняет свою валентность постоянной. Например, в сероводороде H2S сера двухвалентна, в сернистом газе SO2 четырёхвалентна, в серной кислоте H2SO4 шестивалентна. Валентности обычно обозначают римскими цифрами, которые ставят над символом соот-ветствуюш;его элемента: H2S SO, H2SO4 Какова валентность марганца в соединениях: MnClg и MnOg? ЗАДАНИЕ 16.1. В фосфорной кислоте Н3РО4 фосфор пятивалентен. Укажите валентности всех элементов над соответствующими символами в формуле фосфорной кислоты. ЗАДАНИЕ 16.2. В мочевине (NH2)2CO азот трёхвалентен, а углерод четырёхвалентен. Укажите валентность всех элементов над соответствующими символами в формуле мочевины. Если соединяются два элемента с одинаковой валентностью, то один атом первого элемента свяжется с одним атомом второго, т. е. элементы соединяются в соотношении 1:1. Например, одновалентный хлор и одновалентный водород образуют соединение НС1. |Н — одновалентный водород С1 — одновалентный хлор H-CI Если же валентности элементов, образующих соединение, различаются (как, например, валентности водорода и кислорода), то элементы в соединении находятся в соотношении, обратном отношению их валентностей. Так атому кислорода, чтобы образовать две связи, потребуется соединиться с двумя атомами водорода. Получается Н2О. В химическом соединении, состоящем из двух элементов, сумма валентностей одного элемента всегда равна сумме валентностей другого. В молекуле воды Н2О — два атома одновалентного водорода. Сумма их валентностей равна двум, и в сумме они образу- Основные понятия и законы химии Алгоритм 1. Алгоритм записи формул бинарных соединений Задача. Написать формулу соединения кремния {валентность IV) с кислородом {валентность II). Шаг Формула 1. Записать символы входящих в соединение элементов, а над ними — их валентности IV II Si О 2. Перенести крест-накрест значения валентностей на места нижних индексов, записывая соответствующие арабские цифры Si^4 3. Индексы, представляющие собой кратные числа, в формуле соединения разделить на наибольший общий делитель Сократить индексы на 2: SiOa ют две связи. Один атом двухвалентного кислорода тоже образует две связи. В соединении двух элементов сумма валентностей одного элемента равна сумме валентностей другого -О- + 2Н- ^ Н-О-Н две связи одна связь, вода (две связи у кислорода и но два атома по одной у каждого водорода) Из этого следует, что соотношение между числом атомов этих элементов в формуле обратно соотношению их валентностей. Например, валентность алюминия — III, валентность хлора — I. Зна- ш I чит, А1 : С1 = 1 : 3 и формула соединения — AICI3. Валентность IV U серы — IV, валентность кислорода — II, тогда S:0 = 2:4 = l:2; формула соединения — SO2. ЗАДАНИЕ 16.3. Напишите формулы соединений, которые образуют элементы. При необходимости изучите алгоритм 1. 1. Mg и С1 rv U 4. с и S 2. Na и S I m 5. Н И N П II 3. Са и S 1Л- II 6. РЬ и о О 0- ■н О о- •н Рис. 40. Графическая формула серной кислоты Выше на основании валентностей была построена формула воды, в которой показано, как (в каком порядке и каким количеством связей) атомы водорода связаны с атомами кислорода. Такая формула называется графической формулой. Связи в графической формуле обозначаются чёрточками (рис. 40). Валентность. Графические формулы Графическая формула показывает число связей атомов в веществе, а также в каком порядке они связаны При згшиси графической формулы следят только за тем, в каком порядке связаны между собой атомы. Углы между связями значения не имеют. Поэтому все приведённые ниже графические формулы серной кислоты H2SO4 равноценны. О Н-0—S—0-Н II О V"” \-н H-0-S-0-H о о ЗАДАНИЕ 16.4. Укажите графические формулы, изображающие одно и то же соединение. Н I о=с-с-н I I н-0 н ,с—о—с—н н-0 н н н н \ / I I I с—с-н о—с—с-н о=с—с-н г/ \ II I II ^ н он н н По графической формуле легко составить формулу состава соединения. Для этого достаточно записать символы элементов, входящих в графическую формулу, и сосчитать их число, указав его в виде индекса (1 не пишется, а подразумевается). Посмотрев на графическую формулу серной кислоты (рис. 40), мы увидим, что в неё входит два атома Н, один атом S и четыре атома О. Получаем формулу H2SO4. ЗАДАНИЕ 16.5. Напишите формулу состава соединений по графи- ческим формулам. 0=В. Н I Н—S о о=в / о II 0=С1- II о -0-Н о, С1 V о С1 о=с 0-Н 0-Н По графической формуле легко определить валентность любого элемента в соединении. Для этого достаточно сосчитать число чёрточек, отходящих от символа элемента. На графической формуле серной кислоты указаны валентности входящих в неё элементов. П II I Ov Р—Н W и/” \П I о О—Н It# ■ Основные понятия и законы химии ЗАДАНИЕ 16.6. По графической формуле соединения определите валентности элементов. Н-0-С1 0=С=0 Н-О-Н С1 \ Р-С1 / С1 0-Н I 0=Р—о—н I 0-Н 0=р—о—Р=0 II II о о ЗАДАНИЕ 16.7^ Напишите графическую формулу СН4 (водород одновалентен); SO3 (кислород образует связи только с серой); AICI3 (хлор одновалентен); Na2S (натрий одновалентен). Контрольные вопросы 16.1. Что такое «валентность»? 16.2. Чем графическая формула отличается от формулы состава? 16.3. Чему равна валентность кислорода? Водорода? 16.4. Отражает ли графическая формула величины углов между химическими связями? Задание на дом 16.1. По графической формуле составьте формулу состава. Н Н I I ^ N-H Н—С—С I- I \ н н о 0=8 С1 у о 0-Н \ С1 н I Н-С—0-Н I н H-S—C^N Н-0-С1=0 II о 16.2. Укажите валентности элементов графических формул, приведённых О в задании 16.1. 16.3. Напишите формулы соединений двух элементов (в скобках после символа элемента указана валентность), а) S(VI) и 0(11); б) Н(1) и Р(Ш); в) А1(1П) и 0(11); г) А1(Ш) и S(II); д) Fe(III) и С1(1). 16.4* Напишите графические формулы соединений из задания 16.3. Ресурсы Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Валентность в соединениях, состоящих из атомов двух химических элементов"*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Составление формул оксидов и хлоридов"*, http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Трёхмерные химические формулы, http://school-collection.edu.ru Запись химической реакции § 17 Запись химической реакции Рекомендуется повторить понятия «химическая реакция» (§5), «химическая формула» (§3, 12); признаки химической реакции (§5, лабораторные опыты к § 5). — Приведите примеры химических реакций, которые вы проводили на уроках или дома. Опишите, что вы наблюдали. — Прочитайте формулы: К2СГ2О7, Саз(Р04)2. Назовите индексы в них. Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок. Реактивы, оксид магния MgO, кислота соляная НС1, сульфат меди CUSO4 • 5Н2О, цинк Zn, хлорид натрия NaCl, раствор нитрата серебра AgNOs. Химическая реакция — это превращение одних веществ в другие. Вещества, вступающие в реакцию, называются реагентами, а образующиеся — продуктами реакции. Вещества, вступающие в химическую реакцию, называются реагентами. Вещества, образующиеся в результате реакции, называются продуктами реакции. Назовите реагенты в реакции горения древесины в кислороде. Химические реакции записывают с помощью схем и уравнений. В схеме реакции записывают, какие вещества вступают в реакцию и какие образуются в результате реакции. Прежде всего записывают формулы реагентов. Между формулами ставят знак сложения, т. е. плюс « + ». Далее ставят стрелку. Справа от стрелки записывают формулы продуктов также через знак «Ч-». Если металлический магний Mg поджечь в кислороде О2, то он загорится ослепительно белым пламенем (см. цветной блок: рис. Ц-26). В результате реакции образуется белый порошок — оксид магния MgO. Схема этой реакции записывается так: Mg -Ь О2 реагенты MgO продукт Прочитаем эту схему: магний (Mg) реагирует (Ч-) с кислородом (О2) и получается (^) оксид магния (MgO). ОПЫТ 17.1. Реакция оксида магния с соляной кислотой. В пробирку насыпают немного оксида магния и добавляют воды. Растворяется ли вещество? Затем добавляют соляную кислоту. Что происходит с веществом? Д, Q Основные понятия и законы химии Класс: металлы Мд Номенкла турное название: БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Серебристо-белый, очень лёгкий металл (плотность 1,74 г/см^). Плавится при 650 °С. При нагревании на воздухе загорается ослепительно-белым пламенем (поэтому используется в пиротехнических составах, например, для фейерверков). Сплавы на основе магния очень лёгкие, однако из-за горючести и химической активности применение их ограничено. При нагревании вытесняет многие металлы из их соединений. На этом основан метод магниетермии, используемый для получения, в частности, титана: Mg + Ti02 -> MgO + Ti. Получают магний, пропуская электрический ток через расплав MgCb: MgCl2 ^Mg 4 Clzt Оксид магния очень плохо растворяется в воде (вы этого процесса не згшетите). Однако в водном растворе соляной кислоты он растворится, потому что происходит следующая реакция: MgO + НС1 -4 MgCl2 + Н2О. Оксид магния (MgO) реагирует (4-) с соляной кислотой (НС1) и получается (-4) хлорид магния (MgCl2) и (4-) вода (Н2О). Что в этой реакции — реагенты, а что — продукты? Если в реакции выделяется теплота, то это отражают в схеме реакции: дополнительно записывают справа от стрелки после продуктов 4-Q, если же теплота поглощается, то —Q. Буквой Q обозначают тепловую энергию, знак «4-» или « —»—её выделение или поглощение, соответственно (рис. 41). С учётом выделения теплоты схема реакции горения магния записывается так: Mg -f О2 -4 MgO + Q Рис. 41. Магний I +0 — в ходе реакции выделяется теплота. I -О-в ходе реакции теплота поглощается. Иногда в схемах указывают агрегатное состояние вещества: твёрдое (тв), жидкое (ж), газообразное (г) или раствор (р-р). Запись химической реакции Запишем схему состояния веществ реакции горения магния, указав агрегатные Mg (тв) + О2 (г) MgO (тв) ОПЫТ 17.2. Взаимодействие сульфата меди цинком. В пробирку насыпают кристаллы сульфата меди CUSO4 (0,5 см) и растворяют их. Добавляют одну гранулу металлического цинка Zn. На поверхности цинка выделяется коричневая губка меди Си, а сам цинк при этом превращается в ZnS04, который переходит в раствор (см. цветной блок: рис. Ц-16). Д Запишите схему реакции, которая происходит в опыте 17.2. Укажите агрегатные состояния продуктов и реагентов. Агрегатные состояния веществ в схемах реакций указывают редко. Однако если из твёрдых или жидких реагентов образуются газообразные продукты, то после формулы такого продукта обычно ставят стрелку вверх (t). ОПЫТ 17.3. Взаимодействие цинка с соляной кислотой. В пробирку опускают одну гранулу цинка Zn и добавляют к ней соляную кислоту (водный раствор НС1). Что наблюдается? Что происходит с цинком? Д Происходит следующая химическая реакция: Zn + НС1 ^ ZnCl2 -Ь H2t Прочитаем эту схему: цинк (Zn) реагирует (-Ь) с соляной кислотой (НС1) и получается (—>) хлорид цинка (ZnC^) и водород (Н2), который выделяется в виде газа (t). Что в этой реакции реагенты, а что — продукты? Если при реакции в растворе образуется нерастворимое вещество (из раствора выпадает осадок — твёрдое вещество), то рядом с формулой этого вещества ставят стрелку вниз Ц). ОПЫТ 17.4. Взаимодействие хлорида натрия с нитратом серебра. На дно пробирки насыпают несколько кристаллов хлорида натрия NaCl, растворяют и добавляют несколько капель раствора нитрата серебра AgNOa. Что наблюдается? Д В этой реакции образуется нерастворимый хлорид серебра AgCl, который выпадает в осадок. NaCl + AgNOa AgCU+NaNOa . Основные понятия и законы химии Какой признак химической реакции будет наблюдаться при проведении следующего превращения: МагСОз (тв) + НС1 (р-р) ^ NaCl (р-р) + Н2О + C02t? Условия проведения реакции часто записывают над стрелкой: над стрелкой означает, что реакция проводится при нагревании; hi> — на свету; ^ — под действием электрического тока. Например, (КН4)2Сг20т а СГ2О3 -Ь НзОГ -fN2t t° Дихромат аммония (NH4)2Cr207 при нагревании (—образует оксид хрома СГ2О3, воду Н2О и азот N2, который улетучивается (t) (см. цветной блок: рис. Ц-2). i выпадение осадка t выделение газа —> реакция проводится при нагревании hi/ реакция проводится на свету реакция проводится под действием электрического тока При каких условиях протекает реакция NaCl + Н2О i NaOH + H2t+Cl2t? Какой признак протекания этой реакции можно наблюдать? Контрольные вопросы 17.1. Что такое реагенты? Продукты? 17.2. Как в схеме химической реакции отделяются реагенты от продуктов? 17.3. Как устроена схема химической реакции? 17.4. Что означают слова «справа» и «слева» при обсуждении схемы химической реакции? Задание на дом 17.1. При каких условиях протекают реакции: а) Cu(0H)2-^Cu0 + H20; б) Н2О ^ H2t+02t. в) AgCl^Ag + Cl2t 17.2. Что можно наблюдать в следующих реакциях: а) А1(тв) + HCl(p-p) -> А1С1з(р-р) + H2t б) BaCl2 + H2SO4 НС1 + BaS04| (реагенты взяты в растворах) в) СаСОз(тв) + НС1(р-р) ^CaCl2(p-p) + H20 + C02t Уравнения химических реакций г) *МНз(г)+НС1(г) ^ NH4C1(tb) (исходные газы бесцветны) д) *80С12(ж) + Н20(ж) -> S02t+HC1T 17.3. Из задания 17.1 выпишите формулы веществ, находящихся в газообразном состоянии (в обычных условиях). 17.4. При нагревании хлорида золота АиС1з (твёрдое вещество краснокоричневого цвета) образуется металлическое золото и выделяется хлор CI2 (газ зеленоватого цвета). Напишите схему этой реакции. Каковы признаки протекания этой реакции? О § 18 Уравнения химических реакций Рекомендуется повторить, что такое схема химической реакции (§ 17), что такое элемент и что отражает формула состава вещества (§ 11). Из курса математики вспомните определение уравнения, тождественные преобразования уравнений. — Прочитайте схему реакции NaOH + НС1 NaCl + Н2О — Сколько и каких атомов входит в молекулу H2SO4? Уже неоднократно говорилось, что атомы в ходе химических реакций остаются неизменными (§ 11). Следовательно, сколько атомов какого-то элемента вступило в реакцию, столько же и должно выйти из неё. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ВЕЩЕСТВА Сколько атомов элемента вступило в реакцию, столько же остаётся после реакции. Закон сохранения вещества в химической реакции — частный случай универсального закона сохранения материи и энергии. Однако схемы реакции этого не отражают. Например, из схемы реакции горения магния Mg + О2 -> MgO можно понять, что в реакцию вступают два атома кислорода (молекула О2), а получается один (в оксиде магния). Поэтому в химии чаще используют уравнения реакций. Уравнения реакций показывают, какие вещества и в каком количестве вступают в химическую реакцию и какие вещества и в каком количестве получаются в результате реакции. В уравнении реакции, по аналогии с алгебраическим уравнением, перед формулой каждого вещества ставят коэффициенты. Основные понятия и законы химии обозначающие, сколько частиц этого вещества вступило в реакцию и сколько получилось (как и в алгебре, коэффициент 1 не ставится, а подразумевается). В уравнении реакции между продуктами и реагентами ставят знак равенства (в схеме — стрелку). Напишем уравнение реакции горения магния: коэффициенты 2Mg -I- О2 = 2MgO левая часть правая часть Прочитаем это уравнение реакции: два атома магния (2Mg) реагируют (-f) с одной (1 не ставится) молекулой кислорода (О2) и получается (=) две молекулы оксида магния (2MgO). Зачем нужны уравнения реакций? Для того чтобы знать, в каких соотношениях брать реагенты. Соотношение реагентов в уравнении реакции называется стехиометрическим. Если взять реагенты в стехиометрическом соотношении, то они прореагируют полностью. Если соотношение отличается от стехиометрического, то один из реагентов прореагирует не весь, т. е. он был взят в избытке. Например, если сжигать большое количество (избыток) магния в небольшом количестве кислорода, то часть магния не прореагирует (останется), а кислород прореагирует полностью. Если же небольшое количество магния сжигать в большом количестве (избытке) кислорода, то магний сгорит целиком, а кислород останется. И только если число атомов магния и молекул кислорода в смеси соотносится как 2:1, оба вещества прореагируют полностью. Соотношения веществ, равные отношению коэффициентов в уравнении, называются стехиометрическими. Другими словами, исходные вещества реагируют полностью только тогда, когда находятся в стехиометрическом соотношении, для нахождения которого и нужно уравнение реакции. Стехиометрическое соотношение веществ, вступающих в реакцию, соответствует отношению коэффициентов в уравнении реакции. Все реагенты могут прореагировать без остатка, только если они взяты в стехиометрических соотношениях. Чтобы понять, что уравнение составлено верно, нужно убедиться, что слева и справа от знака равенства число атомов каждого элемента одинаково. Вернёмся к уравнению реакции горения магния: слева — два атома магния и справа — тоже два. Число атомов магния слева и справа от знака равенства одинаково, значит, эта «реакция Соединение MgO имеет немолекулярное строение, поэтому употребление термина «молекула» здесь формально (см. § 11). Уравнения химических реакций уравнена по магнию». Слева — два атома кислорода (одна молекула О2 содержит два атома кислорода); справа — тоже два: число атомов кислорода слева и справа от знака равенства одинаково, значит, «реакция уравнена по кислороду». В уравнение входит только магний и кислород, по обоим этим элементам реакция уравнена. Значит, реакция уравнена в целом. Реакция считается уравненной, если число атомов каждого элемента слева от знака равенства равно числу атомов того же элемента справа от знака равенства. ЗАДАНИЕ 18.1. Заполните таблицу для уравнения реакции горения метана (основной компонент бытового газа) СН4 + 2О2 = 2С02 + 2Н2О Элемент Число атомов слева от знака равенства Число атомов справа от знака равенства С Н 0 Можно ли считать, что эта реакция уравнена? Если нет, попробуйте исправить ошибку. ЗАДАНИЕ 18.2. Сделайте то же, что в задании 18.1, для реакции горения спирта С2Н5ОН + 02 = 2СО2 + ЗН2О В уравнении реакции все коэффициенты должны быть минимально возможными натуральными числами. Например, в уравнении реакции 6Mg + ЗО2 = 6MgO можно разделить обе его части на три. Получим: 2Mg + 02 = 2MgO ЗАДАНИЕ 18.3. Сократите коэффициенты, где это возможно. Н3РО4 + 3NaOH = КазР04 + ЗН2О 4КМп04 а 2К2МПО4 + 2Мп02 + 202t 6Н2О + 2Р2О5 = 4Н3РО4 Си + 02 = СиО ЗАДАНИЕ 18.4. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. Zn + НС1 = ZnCl2 + Н2 Fe + CI2 = РеС1з Основные понятия и законы химии Контрольные вопросы 18.1. Чем уравнение реакции отличается от схемы реакции? 18.2. Что значит «слева» и «справа», когда речь идёт об уравнении реакции? 18.3. Слева общее число атомов элемента равно 6. Сколько атомов этого элемента должно быть справа? О Задание на дом 18.1. Записаны уравнения реакций горения сухого горючего. Какое из них уравнено? а) C6H12N4 -f- О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2N2 б) 2C6H12N4 + I8O2 = I2CO2 + I2H2O + 4N2 в) C6H12N4 + 9О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2N2 г) 2C6H12N4 + ЗО2 = 5С02 -Ь 4НгО + 4N2 18.2. Найдите уравнения, в которых можно сократить коэффициенты. Сократите коэффициенты. а) 4Fe + ЗО2 = 2Ге20з б) 4А1 + 12НС1 = 4А1С1з -f 6H2t в) 2Na -f- 2Н2О = 2NaOH + НзТ г) 6CaS04 А бСаО + бВОзТ+ЗОзТ 18.3. Расставьте коэффициенты в уравнениях реакций. а) (NH4)2Cr207 А СГ2О3 + Н2О + N2 б) А1 + CI2 = AICI3 в) NaOH + СО2 = Ма2СОз -f Н2О г) А1 + CUCI2 = AICI3 + Си Домашний эксперимент Взаимодействие питьевой соды с уксусом Эксперимент проводить только в присутствии родителей Возьмите чайную ложку питьевой соды КаНСОз и насыпьте в стакан. Добавьте 5-6 чайных ложек воды и растворите соду. Возьмите столовый уксус (можно приготовить из уксусной эссенции, вылив две чайных ложки эссенции в пол стакана воды). Столовый уксус добавляйте чайными ложками к раствору питьевой соды и перемешивайте. Наблюдайте выделение газа. Сколько чайных ложек уксуса пришлось добавить, чтобы выделение газа прекратилось? Ресурсы Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Химическая реакция"», http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Составление уравнений химических реакций"», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Уравнения химических реакций», http://fcior.edu.ru Классификация химических реакций § 19 Классификация химических реакций Рекомендуется повторить, что такое химическая реакция (§5), признаки химических реакций (§ 5), что такое схема (§17) и уравнение химической реакции (§ 18). Реакции можно классифицировать по числу веществ, вступивших в реакцию и получившихся в результате реакции. Согласно такой простой классификации, реакции делят на четыре типа: реакции разложения, реакции соединения, реакции замещения и реакции обмена. В реакциях разложения из одного вещества образуются два или более. Например, при нагревании (обжиге) карбоната кальция СаСОз (природный известняк, или белый камень; см. цветной блок: рис. Ц-3) он разлагается на твёрдый оксид кальция СаО (известен как «жжёная известь» или «негашёная известь») и углекислый газ СОг- СаСОз = Ca0 + C02t С древних времён так получали жжёную известь, из которой делали связующий материал для строительства. В реакциях соединения два (или более) вещества превращаются в один продукт. Например, когда жжёную известь заливали водой, вещества вступали в реакцию соединения с образованием гидроксида кальция (гашёной извести) Са(ОН)2: СаО -f Н2О = Са(ОН)2 Именно благодаря этой реакции гашёная известь намертво соединяла камни известняка в древних крепостях (см. цветной блок: рис. Ц-4). Если в схеме реакции соединения поменять местами продукты и реагенты, то это уже реакция разложения. Если продукты одной реакции являются реагентами другой, и наоборот, то такие реакции называются прямой и обратной соответственно. Если возможно (хотя бы при разных условиях) протекание как прямой, так и обратной реакций, то такие реакции называют обратимыми. Например, при нагревании карбонат кальция разлагается на оксид и углекислый газ: СаСОз = Са0 + С02Т Однако если полученный оксид кальция оставить на воздухе при комнатной температуре, то пойдёт обратная реакция: оксид кальция будет реагировать с углекислым газом воздуха: СаО СО2 = СаСОз ■ Основные понятия и законы химии Таким образом, реакция разложения карбоната кальция обратима. Чтобы это показать, вместо знака равенства используют две стрелки, направленные в противоположные стороны: СаО + СОгТ^ СаСОз Многие реакции разложения (и реакции соединения) обратимы, причём реакция разложения протекает при высоких температурах, а обратная реакция соединения — при низких. Чтобы разложить известняк, необходимо нагревание, а обратная реакция протекает при комнатной температуре. В реакциях замещения (иногда их называют реакциями вытеснения) из двух веществ получаются два новых, причём один из реагентов целиком входит в состав продукта. К реакциям замещения относится уже знакомая вам из § 17 (см. с. 103) реакция цинка с соляной кислотой: Zn + 2HCl = ZnCl2-f НгТ В ней цинк вытесняет водород из соляной кислоты, а сам целиком входит в состав одного из продуктов — ZnCl2. Если оставить гашёную известь Са(ОН)2 на воздухе, она, как и жжёная известь СаО, будет реагировать с углекислым газом. Эту реакцию также можно считать реакцией замещения: углекислый газ СО2 вытесняет из гашёной извести воду: Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз -Ь Н2О И наконец, в реакциях обмена из двух веществ получаются два новых, причём реагенты обмениваются своими составными частями. К реакциям обмена относится реакция NaCl с AgNOa, которая была описана в § 17 (см. с. 103 и рис. 42). NaCl + AgNOa AgCU+NaNOa Эту реакцию можно рассматривать как замену составных частей реагентов — атома серебра на атом натрия. При этом в состав продуктов входят только отдельные части реагентов, но не реагенты целиком. ТИПЫ РЕАКЦИИ ©+0->в0 Реакция Реакция соединения разложения «0+#О^вО+«Э Реакция обмена ^•о-^в#+о Реакция замещения Кроме таких простых реакций, которые мы здесь рассматривали, могут происходить сложные реакции. Их можно записать Классификация химических реакций Рис. 42 {слева). Осадок AgCl Рис. 43 (справа). Реакция взаимодействия карбоната натрия с серной кислотой Пузырьки — газообразный углекислый газ СО2 в виде последовательности нескольких простых реакций. Например, сложную реакцию (рис. 43) NazCOa + H2SO4 = Каг804 + HgO + COat можно представить как реакцию обмена Na2C03 -(- H2SO4 - - Na2S04 -t- Н2СО3 вслед за которой идёт реакция разложения H2C03 = H20 + C02t Если в реакции больше одного реагента и больше двух продуктов или больше двух реагентов и больше одного продукта, то такая реакция обязательно сложная. Контрольные вопросы 19.1. Что такое реакции замещения, соединения, разложения, обмена? 19.2. Какие реакции называют сложными? Задание на дом 19.1. К какому типу относится реакция? Расставьте коэффициенты а) Н2 + О2 -> Н2О б) AgNOs + NaCl AgClI-bNaNOa в) А1 + НС1 -> AICI3 + H2t г) NaHCOa А Ма2СОз + Н2О + СОгТ д) СаСОз + Н3ВО3 Са(В02)2 + Н2О + СО2Т 19.2. Нагрели оксид свинца РЬОз (коричневый осадок). В результате реакции образовался бесцветный газ и осталось жёлто-оранжевое твёрдое вещество. К какому типу относится эта реакция? 19.3. Лёгкий и мягкий металл натрий Na нагрели в атмосфере зелёного газа хлора CI2. В результате образовалось белое твёрдое вещество и остался лишний газ хлор. К какому типу относится эта реакция по формальной классификации? 19.4* Реакция жжёной извести с водой обратима. Запишите схему прямой и обратной реакций. При каких условиях можно провести обратную реакцию? О Основные понятия и законы химии Ресурсы Видеоматериалы • Разложение дихромата аммония (вулкан), http://school-collection.edu.ru • Разложение РЬОг, http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook, запись от 27-04-200819:37 • Реакция соединения серы с железом, http://school-collection.edu.ru • «Змея*—разложение глюконата кальция, http://school-collection.edu.ru • Дым без огня — взаимодействие аммиака с хлороводородом, http://school-collection.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Реакции замещения"*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тесты по теме „Реакции соединения"*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тесты по теме „Реакции разложения"*, http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Составление уравнений химических реакций соединения"*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Составление уравнений химических реакций разложения"*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Составление уравнений химических реакций замещения"*, http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Реакции замещения*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Реакции разложения*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Реакции соединения*, http://fcior.edu.ru Домашний эксперимент Реакция разложения питьевой соды Эксперимент проводите только в присутствии родителей. Нагрейте на плите в небольшой кастрюльке воду почти до кипения и снимите её с конфорки. В горячую воду бросьте столовую ложку питьевой соды КаНСОз. Вы увидите бурное выделение газа: 2КаНСОз МагСОз -Ь НгО + СОгТ Если нагревать сухой порошок питьевой соды, эта же реакция пойдёт при температуре выше 100°С. Однако вода способствует разложению этого вещества при меньшей температуре. Лабораторные опыты РЕАКЦИИ РАЗЛОЖЕНИЯ И ИХ ПРОДУКТЫ Задача. Провести реакции разложения и описать их продукты. Оборудование. Пробирки, держатель для пробирок, сухое горючее с подставкой и крышкой или спиртовка, фарфоровый стаканчик (для горячих пробирок), очки. Реактивы. Гидрокарбонат натрия (питьевая сода) НаНСОз, гидроксо-карбонат меди (малахит) (СиОН)2СОз, дихромат аммония (КН4)2Сг20т, борная кислота Н3ВО3. Классификация химических реакций Ход работы-. В сухую пробирку отбирают небольшое количество (на донышко) вещества и нагревают до прекращения реакции. Наблюдают за внешним видом продуктов реакции. Отверстие пробирки закрывают ватой, чтобы продукты реакции не попали в окружающую среду. Исходные вещества обратно не высыпать. Пробирки, которые нагревают, должны быть сухими снаружи. Отчёт. Представляют в виде таблицы в лабораторном журнале. Уравнение реакции Продукт реакции Цвет Агрегатное состояние 2NaHC03 = КагСОз 4- Н2О + СОгТ Ка2СОз Н2О б/ц ж СО2 б/ц г (СиОН) 2СО3 = 2СиО + Н2О + C02t СиО Н2О СО2 б/ц г (NH4)2Cr207 = СГ2О3 + N2t-b4H20 СГ2О3 Н2О N2 б/ц г 2Н3ВО3-ЗН2О + В2О3 В2О3 Н2О б/ц ж ■fOTrawintTiaafiM'Wiw Если при разложении вещества образуется вода, она конденсируется в верхней (холодной) части пробирки. Эти капли воды могут стекать вниз в нагретую часть пробирки, от чего пробирка треснет. Чтобы этого избежать, следует прогревать также верхнюю часть пробирки, чтобы влага испарялась. Нельзя ставить нагретую пробирку в пластмассовый штатив — он может расплавиться. Горячие пробирки надо ставить в сухой фарфоровый стаканчик. По окончании работы пробирки следует остудить и вымыть сначала водопроводной, а потом дистиллированной водой. Если на стенках остался твёрдый налёт, его смывают ёршиком, после чего ополаскивают пробирку дистиллированной водой. А А ГЛАВА IV КЛАССЫ ВЕЩЕСТВ И ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ НИМИ Q § 20 Оксиды. Составление формул оксидов Рекомендуется повторить понятие «элемент* (§ 11) и «формула состава* (§ 11); что такое «валентность* и какую информацию даёт графическая формула (§ 16); правила чтения символов элементов; взаимосвязь символов и названий элементов (§ 3); что такое группа в Периодической системе элементов (с. 87), как составлять формулу соединения, в составе которого два элемента. Из курса математики вспомните, что такое чётные и нечётные числа, как найти общий делитель. — В какие из соединений входит кислород: C0CI2, РегОз, AI2S3, H2SO4? — В какой группе и подгруппе находятся: S, Р, Си? — Какова валентность кислорода? Водорода? — Число 5 — чётное или нечётное? — Какой общий делитель чисел 3 и 7, 5 и 10? Изучение основных классов веществ мы начнём с самого простого — с класса оксидов. Оксидом называется соединение, состоящее из двух элементов, один из которых кислород. Второй элемент, входящий в состав оксида, мы будем называть центральным. ПРИМЕР 20.1. Оксиды. Н2О, Li20, MgO, AI2O3, Si02, Р2О5, SO3, CI2O7, MnO, МпОз, МП2О7. He оксиды: Mo, K2S {нет кислорода), CUSO4, КаМОз, KCr(S04)2 {больше двух элементов). ЗАДАНИЕ 20.1. Укажите оксиды: К2О, NaCl, Со, О2, СО, СО2, СгзОз, КМПО4, MoS, А12(804)з. Атомы кислорода в оксидах связаны только с атомами центрального элемента, а атомы центрального элемента — только с атомами кислорода. Поэтому формулы оксидов составляются Оксиды. Составление формул оксидов точно так же, как и формулы других соединений из двух элементов: отношение индексов есть обратное отношение валентностей (см. с. 98). При этом кислород всегда двухвалентен. Такой способ составления формулы оксида называется алгебраическим. ПРИМЕР 20.2. Составьте формулу оксида кремния {кремний всегда четырёхвалентен). Решение. Соотношение валентностей Si и О составляет 4:2 = 2: 1. Значит, соотношение атомов в оксиде—1 : 2, что соответствует формуле ЗЮг. ЗАДАНИЕ 20.2. Составьте формулу оксида кальция (II), алюминия (III), углерода (IV), фосфора (V). Алгебраический способ позволяет вывести общ,ую формулу оксида в зависимости от валентности центрального элемента, которую мы обозначим буквой п. ЭО", если п — чётное число; ЭгОл, если п — нечётное число. Эти формулы позволяют не только определить формулу оксида, зная валентность центрального элемента, но и решить обратную задачу — определить валентность центрального элемента по формуле оксида. ЗАДАНИЕ 20.3. Определите валентность центрального элемента в NaaO, CuO, AI2O3, SO2, Р2О5, М0О3, CI2O7. Формулу оксида также можно найти графическим способом. Для этого сначала составляют графическую формулу оксида, а уже из неё выводят формулу состава. При этом атомы кислорода в оксидах связаны только с атомами центрального элемента и наоборот. Соответствуюш;ий алгоритм приведён на с. 116. f При образовании соединений свободных валентностей оставаться не I должно. В оксидах атомы одного и того же элемента не связаны друг с другом. ЗАДАНИЕ 20.4. Используя алгоритм 2, составьте графические формулы и формулы состава оксидов марганца (IV), хлора (I), азота (III). В табл. IV.1 на с. 118 приведены формулы оксидов, а также их названия. Название оксида любого элемента включает слово «оксид», за которым следует название центрального элемента в родительном падеже. Если элемент проявляет несколько валентностей (может образовывать несколько оксидов), после его названия римской цифрой в скобках указывают его вгшентность. Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 2. Алгоритм составления формул оксидов графическим способом Шаг Оксид В (III) Оксид Si (IV) 1. Нарисовать символ центрального элемента с соответствующим числом валентных чёрточек вокруг 1 1 —Si— 1 2. Валентности попарно «занять» ато-мом(-ами) кислорода о=в— o=sC^ 3. Если свободных валентностей не остаётся — построение графической формулы закончено. Если остаётся одна свободная валентность — к ней присоединить атом кислорода о=в-о— 0=Si=0 Графическая формула оксида кремния 4. К свободной валентности кислорода присоединить следующий атом центрального элемента с соответствующим числом валентностей (чёрточек) о=в-о-вС^ 5. Свободные валентности центрального атома снова попарно «занять» кислородом. Свободных валентностей не осталось — построение графической формулы закончено. Если остались свободные валентности — надо искать ошибку 0=В—О—в=о Графическая формула оксида бора 6. Перевести графическую формулу в формулу состава. Поставить числа в нижнем индексе при соответствующих элементах (1 не ставится) В2О3 Формула сост£1ва оксида бора Si02 Формула состава оксида кремния ЗАДАНИЕ 20.5. Назовите соединения: МагО, СиО, МпОг, Р2О5, CI2O7. ЗАДАНИЕ 20.6. Напишите формулы состава: оксида никеля (И); оксида углерода (VI); оксида азота (V). Оксиды разных элементов имеют очень разные физические и химические свойства. Одни — твёрдые вещества, другие — жидкости, третьи — газы. Одни очень бурно реагируют с водой, дру- Оксиды. Составление формул оксидов Класс: оксиды СО2 Номенкла турное название: оксид углерода (IV). Тривиальное название: углекислый газ БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Газ, при охлаждении до —78° С превращается в твёрдое вещество (минуя жидкое состояние). Твёрдый СО2 (сухой лёд) используется для поддержания низкой температуры. Под давлением газообразный СО2 сжижается. В таком виде его перевозят в баллонах. Неплохо растворяется в воде (чем больше давление, тем лучше растворимость), что используют при изготовлении газированных напитков (рис. 44). Углекислый газ — продукт процессов дыхания и горения. В выдыхаемом человеком воздухе его доля доходит до 4% (по объёму). Необходим растениям как источник органического вещества, поглощается из воздуха при фотосинтезе. В течение миллионов лет процессы пополнения атмосферного воздуха углекислым газом и его усвоения растениями находились в равновесии друг с другом, поэтому концентрация углекислого газа в воздухе была почти постоянной. Однако последние 200 лет из-за активного сжигания ископаемого топлива и разрушения природных экосистем содержание СО2 в атмосфере неуклонно растёт, т. е. если, например, в январе 1958 г. концентрация СО2 составляла ?^^315млн“\ то к январю 2008 г. она увеличилась до й;385 млн~^ (рис. 45). Считается, что из-за этого происходит глобальное потепление, так как углекислый газ вызывает «парниковый эффект», задерживая тепловое (инфракрасное) излучение. Повышенное содержание СО2 в воздухе приводит к возбуждению, а очень высокое — к угнетению дыхательного центра мозга, регулирующего процессы вдоха и выдоха. Описаны смертельные случаи от остановки дыхания при нахождении человека в атмосфере, содержащей больше 10% углекислого газа. Рис. 44. При открывании бутылки с газированной водой давление газа резко падает, его растворимость уменьшается, и газ начинает выделяться из воды в виде пузырьков Рис. 45. Изменение среднемесячного содержания СО2 в воздухе (млн“*—миллионная доля) по данным наблюдения на о. Мауна-Лоа, Гавайские острова. Источник: http://www.esrl.noaa.gov/ gmd/ccgg/trends/index.html#global Классы веществ и взаимосвязи между ними Примеры оксидов Таблица IV. 1 Эле- мент Валент- ность Формула состава оксида Графическая формула Название оксида Чем интересен Н I НгО /Н О Оксид водорода (вода) Наиболее распространённая жидкость на Земле Са II СаО Са=0 Оксид кальция (жжёная известь) В старину использовался в качестве связующего компонента при строительстве Сг III СггОз 0=Сг—О—Сг=0 Оксид хрома (III) Очень твёрдый. Компонент полировальных паст и зелёных красок Si IV ЗЮг 0=Si=0 Оксид кремния Речной песок V V V2O5 >-»-< Оксид ванадия (V) Используют в химической промышленности для ускорения некоторых реакций Сг VI СгОз II О Оксид хрома (VI) Горючие жидкости могут воспламеняться при контакте с этим веществом Мп VII МП2О7 О О II II 0=Мп-0-Мп=0 II II О О Оксид марганца (VII) Горючие жидкости могут воспламеняться при контакте с этим веществом Os VIII OSO4 О II 0=0s=0 II О Оксид осмия (VIII) Крайне дурно пахнет гие — не реагируют. Как и другие вещества, оксиды различаются по окраске (см. цветной блок: рис. Ц-21). Контрольные вопросы 20.1. Что такое оксид? 20.2. Какова валентность кислорода? Определение валентности Задание на дом 20.1. Запомните валентность кислорода. 20.2. Заполните таблицу. Формула состава оксида Графическая формула оксида Цент- ральный элемент Валентность центрального элемента Название оксида 1 К2О 2 N2O3 3 СО2 4 SO3 5 Mg II 6 Fe III 7 Ag I 8 Оксид свинца (IV) 9 Оксид иода (VII) 10 Оксид фосфора (V) 11 Оксид фосфора (III) 20.3. Составьте формулы оксидов магния, железа (II), лития, хрома (VI). О Ресурсы Дополнительные материалы • Угай Я. А. Валентность, химическая связь и степень окисления — важнейшие понятия химии, http://window.edu.ru §21 Определение валентности по Периодической системе элементов Рекомендуется повторить понятие «оксид»; способы составления формул оксидов (§ 20); понятие «валентность» (§ 16); что такое главные и побочные подгруппы Периодической системы (с. 87). — Какие вещества относятся к оксидам: Со, СиО, HNO3, NaOH? — В КЕ1КОЙ подгруппе находятся: N, С1, Zn, Fe? — Напишите формулу оксида марганца (IV). Итак, мы узнали, как составлять формулу оксида, зная валентность центрального элемента. Осталось научиться определять валентность центрального элемента. В этом поможет Периодическая система элементов. Элемент в оксиде, как правило, проявляет валентность, равную номеру своей группы в Периодической системе. Такая валентность называется высшей валентностью, а соот-ветствуюш;ий оксид — высшим оксидом. Как правило, элемент не может проявлять валентность больше высшей. Классы веществ и взаимосвязи между ними ПРИМЕР 21.1. Какова высшая валентность серы? Решение. Сера находится в VI группе Периодической системы — высшая валентность VI. ЗАДАНИЕ 21.1. Какова высшая валентность углерода? Фосфора? Серы? Не проявляют высшую валентность следующие элементы: • благородные газы гелий Не, неон Ne, аргон Аг (не образует химических соединений) и криптон Кг (для них не получено сведений о соединениях с высшей валентностью); • фтор — только валентность I; • кислород — только валентность II; • элементы VIII группы побочной подгруппы Fe, Со, Ni — валентности II и III; а также Pd, Pt, Rh, Ir. Высшая валентность элементов IB подгруппы больше номера группы; I и II у меди Си, I и III у золота Аи. Оксид, в котором центральный элемент проявляет высшую валентность, называется высшим. «Ю! ____яшашявм_______:^у.тии1 Для составления формулы высшего оксида нужно знать номер группы центрального элемента в Периодической системе. Далее формулу оксида составляют по одному из алгоритмов (§ 20). ПРИМЕР 21.2. Напишите формулы высшего оксида хрома. Назовите этот оксид. Решение. Хром находится в VI группе Периодической системы. Значит, высшая валентность хрома равна VI. Формула высшего оксида — СгОз. Название — оксид хрома (VI). ЗАДАНИЕ 21.2. Составьте формулы высших оксидов кальция, алюминия, азота, углерода. Под каждой формулой напишите название. Большинство элементов побочных подгрупп (кроме серебра Ag, золота Аи и ещё нескольких) проявляют, помимо высшей валентности, валентность II, в том числе в оксидах. Таким образом, элементы побочных подгрупп могут образовывать несколько оксидов, которые имеют различные свойства. ПРИМЕР 21.3. Напишите формулы возможных оксидов марганца. Решение. Марганец Мп находится в побочной подгруппе VII группы Периодической системы, поэтому может проявлять Определение валентности валентность VII; кроме того, как и другие элементы побочных подгрупп, — валентность II. Итак, формула высшего оксида марганца — МП2О7 {зелёная взрывчатая жидкость)', другой его оксид — МпО {вполне устойчивый серый порошок). ЗАДАНИЕ 21.3. Напишите формулы и назовите возможные оксиды ванадия, молибдена и цинка. Элементы главных подгрупп V-VII групп, помимо высшей валентности, проявляют еш;ё так называемую валентность по водороду. Как правило, валентность по водороду — наиболее низкая из возможных валентностей элементов. Поэтому эта валентность называется низшей. Она равна разности между числом 8 и номером группы (8 — это обш;ее число групп в таблице Менделеева). Валентность по водороду всегда проявляется в соединениях с водородом. В соединениях с кислородом она проявляется у элементов V и VII групп, но не проявляется у элементов VI группы. Валентность по водороду — почти всегда самая низкая из возможных валентностей элемента. Проявляют элементы главных подгрупп V-VII групп. Равна разности «8 - номер группы». ПРИМЕР 21.4. Какова валентность фосфора в его соединении с водородом? Какая формула у оксида фосфора, если фосфор в нём имеет эту же валентность? Решение. Фосфор находится в V группе. Найдём валентность фосфора по водороду, используя формулу «8 — номер группы» 8 — 5 = 3. Валентность фосфора по водороду равна 3. Фосфор проявляет эту валентность, например, в оксиде Р2О3. ЗАДАНИЕ 21.4. Какова валентность по водороду у азота, селена, иода? Какие из этих элементов проявляют эту валентность в соединении с кислородом? Запишите формулы соответст-вуюпдих оксидов. Элементы могут проявлять и другие валентности в своих соединениях. Эти валентности называются промежуточными. Например, элементы главной подгруппы VI группы проявляют промежуточную валентность IV: сера образует высший оксид — оксид серы (VI) SO3 (дымяш;ая на воздухе жидкость, бурно реагирующая с водой) и промежуточный оксид — оксид серы (IV) SO2 (удушливый газ). Промежуточная валентность на 2 или 4 больше низшей, но при этом ниже высшей. I Высшая валентность> промежуточная валентность> низшая валентность. Классы веществ и взаимосвязи между ними Номер группы Рис. 46. Валентности элементов главных подгрупп. В VIII группе все указанные валентности проявляет только ксенон Хе Валентности элементов главных подгрупп отражены на рис. 46 (не все элементы проявляют обозначенные на диаграмме валентности, показаны только общие закономерности). Свойство элемента проявлять эти валентности определяется строением атома. ЗАДАНИЕ 21.5. Какие валентности могут проявлять в соединении с кислородом элементы: Na, Mg, Al, С, Р, S, Cl? При символе элемента напишите в скобках соответствующие валентности (римские цифры). ЗАДАНИЕ 21.6. Напишите формулы всех возможных оксидов элементов: Na, Mg, Al, С, Р, S, Cl. Контрольные вопросы 21.1. Что такое низшая валентность? Как определить её по таблице Менделеева? 21.2. Что такое высшая валентность? Как определить её по таблице Менделеева? 21.3. Что такое промежуточная валентность? 21.4. Какие элементы не проявляют высшую валентность? Задание на дом 21.1. Запомните, как по таблице Менделеева определять высшую валентность и валентность по водороду. Запомните, какую валентность проявляют элементы побочных подгрупп и какие элементы не проявляют высшей валентности. 21.2. Сделайте задгшия, приведённые в тексте. 21.3. Напишите формулы возможных оксидов Si, Ва, Сг, Ni, Си, As. Горение Домашний эксперимент Очищение изделий от металлической плёнки 1. Найдите какую-нибудь медную (или бронзовую) монету. Вместо монеты подойдёт любое другое медное изделие — проволока, подсвечник и т. п. Если на изделии чёрный налёт (это оксид меди (II) СиО), то попробуйте аккуратно счистить налёт шкуркой и посмотрите, как изменится цвет поверхности (см. цветной блок: рис. Ц-20). 2. Найдите любой железный предмет, покрытый ржавчиной. Ржавчина— это оксид железа ЕегОз. Попробуйте аккуратно счистить ржавчину шкуркой или напильником и посмотрите, как изменится цвет поверхности. 3. Найдите любой алюминиевый предмет (отличается от изделий из другого металла тем, что алюминиевое изделие очень лёгкое). Внимательно изучите поверхность этого предмета, а потом зачистите её шкуркой. Вы увидите, что зачищенная поверхность начнёт блестеть, однако вскоре блеск исчезнет. Дело в том, что алюминий с поверхности реагирует с кислородом, и поверхность алюминиевых изделий очень быстро покрывается на воздухе тонкой плёнкой оксида AI2O3. Эта плёнка очень прочная, что не позволяет алюминию реагировать дальше. Лабораторные опыты ОКСИДЫ Учитель показывает несколько оксидов. Известны либо название, либо формула состава оксида. Запишите в таблицу в лабораторном журнале эти данные, а потом заполните всю таблицу. Название оксида Формула состава оксида Графическая формула оксида Агрегатное состояние Цвет § 22 Горение Рекомендуется повторить, что такое химическая реакция (§5), что такое оксид (§ 20); какие бывают агрегатные состояния и как их различить (§ 4); правила техники безопасности (§ 1); приёмы нагревания веществ (§ 2). — Где вы встречались с процессами горения? — Как можно отличить твёрдое вещество от газа? — Напишите формулу оксида углерода. — Как нужно тушить разлившуюся на столе горючую жидкость? — Приведите пример процесса горения, известного вам в быту. Оборудование и расходные материалы. Сухое горючее с подложкой и крышкой (или спиртовка), керамическая подложка, спички, химический стакан, пробирки, штатив для пробирок, тигельные щипцы, железная проволока (или булавка), тонкая стеклянная трубка, ложечка Классы веществ и взаимосвязи между ними Рис. 47. Горение дров, свечи, травы для сжигания, медная сетка, колба с водой, трубка с оттянутым концом, резиновая груша. Реактивы. Железные опилки, магниевые опилки (или стружка), свеча, уголь. Реакции горения распространены очень широко и известны, наверное, всем (рис. 47). Любой человек зажигал спички; все мы наблюдали горяш;ий костёр. Когда готовят пищу на газовой плите, её нагревают пламенем горящего природного газа. Горение паров бензина в двигателях внутреннего сгорания приводит к тому, что автомобиль движется. Красочные фейерверки уже давно украшают многие праздники. Что же такое горение? Обычно реакции горения определяют по внешним признакам как реакции, протекающие с выделением большого количества энергии в виде тепла и света. Самые простые реакции горения — горение на воздухе, когда горючее вещество реагирует с кислородом, который является составной частью (компонентом) воздуха и имеет формулу состава О2. Горение — химическая реакция, протекающая с выделением большого количества энергии в виде тепла и света. Для горения нужен кислород. ■ряааасгас—рг1—а—я——ея—mni'i 114ц i яя—ими—р—м------------------^ Чтобы убедиться, что без воздуха горения не происходит, проделаем опыт. (Наблюдения записывают в лабораторный журнал.) д опыт 22.1. Воздух — условие горения вещества. Зажигают спиртовку или свечу. Накрывают пламя стеклянным стаканом. Что наблюдается? Что нужно сделать, чтобы прекратить горение вещества на воздухе? Д Чем лучше перемешаны горючее вещество с воздухом, тем интенсивнее (и полнее) горение. Смеси бытового газа с воздухом сгорают настолько быстро, что происходит взрыв. Измельчённые вещества горят на воздухе гораздо лучше, чем компактные. Например, никому никогда не удавалось поджечь железную сковородку, а железные опилки могут легко загореться при нагревании, что подтверждает опыт. Горение ЦВЕТА СВЕЧЕНИЯ РАСКАЛЁННОГО ЧЁРНОГО ТЕЛА ПРИ РАЗНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ 500-700°С — тёмно-красное 800-900°С — вишнёвое 1000°С — светло-вишнёвое 1100°С — тёмно-оранжевое 1200°С — светло-оранжевое > 1300®С — жёлто-белое 2600°С —свечение, как у ламп накаливания 5500°С—свечение солнца ОПЫТ 22.2. Горение железных опилок. Набирают в пробирку железные опилки (на 0,5 см по высоте). Зажигают таблетку сухого горючего или спиртовку. Железные опилки медленно высыпают из пробирки в пламя. Записывают наблюдения. Какие процессы происходят в пламени? Какие реакции происходят с железными опилками? Пламя не гасят. Д Непрозрачные раскалённые тела светятся, причём тем ярче, чем сильнее они нагреты (см. цветной блок: рис. Ц-23). Кроме того, от температуры нагретого тела зависит цвет его свечения, поэтому по цвету и яркости свечения можно оценить температуру тела. Иногда даже температуру тела так и оценивают: «температура красного каления» (см. цветной блок: рис. Ц-24). ОПЫТ 22.3. Свечение раскалённого тела. Берут тигельными щипцами тонкую железную проволоку или булавку и вносят одним концом в верхнюю часть пламени. До какого цвета она нагрелась? Какова её примерная температура? Остывающее железо кладут на керамическую подложку. Д ОПЫТ 22.4. Свечение раскалённого стекла. Точно так же, как в опыте 22.3, нагревают стеклянную трубку (её можно держать руками за холодный конец). Чем свечение стекла отличается от свечения железа? Почему возникает это отличие? Остывающую стеклянную трубку кладут на керамическую подложку. Пламя не гасят. Д Мы видим пламя из-за свечения нагретых продуктов сгорания, которые могут быть твёрдыми, жидкими или газообразными. Твёрдые продукты горения образуют дым; они непрозрачны и ярко светятся в пламени. Поэтому чем больше твёрдых частиц среди промежуточных или конечных продуктов реакции горения, тем пламя ярче. Кроме того, твёрдые продукты горения плохо рассеивают тепло, поэтому температура такого пламени вы- Классы веществ и взаимосвязи между ними А ❖ Д А ше, что дополнительно увеличивает яркость пламени (см. цветной блок: рис. Ц-26). ОПЫТ 22.5. Горение магния. В ложечке для сжигания в пламя вносят немного магниевых опилок или магниевую ленту. Когда магний загорится, его надо держать над керамической подложкой, чтобы куски горящего металла не упали на спиртовку. Какое агрегатное состояние имеют продукты сгорания? Как это влияет на яркость и цвет пламени? Д ОПЫТ 22.6. Продукты горения. Внимательно смотрят на пламя спиртовки (или сухого горючего). Насколько пламя яркое? Каков его цвет? Видите ли вы продукты горения? Имеют ли продукты горения згшах? Что вы можете сказать об агрегатном состоянии продуктов горения, судя по яркости пламени? Д Реакция горения протекает с выделением тепла. Однако чтобы горение началось, горючее нужно поджечь, т. е. нагреть реагенты. Чтобы зажечь свечу или спиртовку, к ней нужно поднести горящую спичку. Чтобы зажечь спичку, её нужно потереть о коробок. После того как горение началось, выделяющееся тепло нагревает новые порции вещества — пламя распространяется. Нагретые продукты реакции вместе с разогретым воздухом поднимаются вверх, и обычно в верхних зонах пламени температура выше, чем в нижних. ОПЫТ 22.7. Строение пламени спиртовки. Внимательно смотрят на пламя спиртовки (или сухого горючего). В пламени видно несколько зон разного цвета (рис. 48). В каждую зону пламени вносят последовательно конец железной проволоки; по яркости свечения нагретой проволоки оценивают температуру. Зарисовывают зональную схему пламени с указанием температуры разных зон. Какая зона пламени самая горячая? Пламя не гасят. Д ОПЫТ 22.8. Неполное сгорание веществ. Если слишком быстро отводить тепло от пламени, то пламя перестанет нагревать новые порции вещества и погаснет. *seesp*eeee9»»S54ei Зажигают свечу. Дуют на горящее пламя (см. цветной блок: рис. Ц-22). Что происходит? Д Горение — очень сложный процесс. В нём образуется множество промежуточных продуктов, которые потом сгорают до конечных. Однако если процесс горения удалось резко остановить, то часть промежуточных продуктов не догорит, и их можно на- Горение Рис. 48. Пламя свечи и температура зон пламени. Температуру измеряли с помощью термопары Рис. 49. Медная сетка отводит тепло от пламени, отрезая его верхнюю часть блюдать. Такие продукты называются продуктами неполного сгорания. ' Продукты неполного сгорания образуются при нехватке кислорода * или резком отведении тепла от пламени. Один из способов остановить процесс горения — резко охладить какую-либо из зон пламени. Это можно сделать, в частности, с помощью медной сетки, которая очень хорошо отводит тепло. ОПЫТ 22.9. Изменение распределения тепла при внесении в пламя медной сетки. В верхнюю часть пламени вносят горизонтально медную сетку (рис. 49). Как изменяется зональное строение пламени? Что наблюдается над сеткой? Какой запах имеют продукты над сеткой? Чем отличается запах продуктов над сеткой от запаха продуктов сгорания в нормальном режиме? Опускают медную сетку прямо на фитиль. Что произошло? д Холодный предмет, внесённый в пламя, также отводит тепло. При этом продукты неполного сгорания могут осесть на этой холодной поверхности. ОПЫТ 22.10. Неполное сгорание. Зажигают свечу. Вносят в пламя свечи колбу с холодной водой. Что наблюдается на стенках колбы? Почему этот продукт не удаётся наблюдать при обычном горении свечи? Почему пламя свечи ярче, чем пламя спиртовки? Свечу не тушат. Д Чёрный налёт на стенке колбы — сажа, продукт неполного сгорания парафина. Сажа представляет собой очень мелкие (размером около 10 нм) частицы углерода С. Многие вещества, содержа- А А А Классы веществ и взаимосвязи между ними д щие углерод, горят коптящим пламенем — в пламени присутствуют частицы сажи. Обычно коптящее пламя ярко светится жёлтым светом. Продукты неполного сгорания образуются также при недостатке кислорода. ОПЫТ 22.11. Условие полного сгорания вещества. Берут трубку с оттянутым кончиком и вводят кончик трубки в пламя свечи вблизи фитиля. Можно закрепить трубку в штативе (см. цветной блок: рис. Ц-22). Поддувают из груши воздух в пламя. Как изменяется цвет пламени? Изменяется ли зональное строение пламени? Стараются добиться голубого пламени. Д. А i Если в пламя поддувать воздух, то сгорание вещества более пол-" ное и пламя жарче. Если в пламя свечи поддувать воздух, то парафин сгорает полностью и частиц сажи не образуется — пламя почти не светится. ОПЫТ 22.12. Продукты сгорания. Пламя свечи (или спиртовки) накрывают стаканом. Когда пламя погаснет, нюхают содержимое стакана. Чем обусловлен запах? Д При пожарах, особенно в закрытых помещениях, кислорода, как правило, бывает недостаточно. В результате образуются продукты неполного сгорания. Именно они, а не пламя, представляют собой главную опасность для людей. От отравления продуктами неполного сгорания гибнет три четверти пострадавших при пожарах I ПРИЧИНЫ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ГОРЮЧЕГО ' Недостаточная температура. ^ Недостаток кислорода (в том числе плохое перемешивание). Огромное количество продуктов неполного сгорания попадает в атмосферный воздух от автомобильного транспорта; этот загрязнённый воздух мы вдыхаем, что оказывает вредное воздействие на наше здоровье. Если двигатель автомобиля неправильно отрегулирован, кислорода в камерах сгорания не хватает, и горючее сгорает не полностью. Недогоревшее горючее с выхлопами выбрасывается непосредственно в атмосферу. Как избежать образования сажи при горении свечи? ^^http: //www. securpress.ru/issue/SB/2004/Bolodjan.htm [электронный ресурс]. Рис. Ц-1. Дихромат калия К2СГ2О7. Слева — крупные кристаллы; справа порошок из этих кристаллов после их растирания в ступке Рис. Ц-2. Разложение (NH4>2Cr207. Продукт — зелёный порошок СГ2О3 (азот и водяные пары при нагревании улетучиваются) Рис. Ц-3. И горный обрыв, и стены пещеры сложены из известняка СаСОз Рис. Ц-4. Белый камень, из которого строили крепости, скрепляли с помощью гашёной извести Са(ОН)2 Рис. Ц-5. Концентрированный {слева) и разбавленный {справа) раствор CUSO4 Рис. Ц-6. Взаимодействие KI с C11SO4 при добавлении воды {слева) и в её отсутствие {справа). Видно, что при добавлении воды реакция идёт гораздо полнее Рис. Ц-7. Кристаллы дихромата калия {слева), его расплав {в центре) и вновь застывшие кристаллы {справа) Рис. Ц-8. Соляные выработки Рис, Ц-9. Экстракция иода гексаном из воды. Иод лучше растворяется в гексане, чем в воде, поэтому переходит из водного слоя (жёлтый) в слой гексана (малиновый) Рис. Ц-10. Водный раствор сульфата меди (слева) и он же после добавления к нему изопропанола (справа). После добавления изопропанола сульфат меди выпадает из раствора ‘.-5^ * rv ' Рис. Ц-11. Слева — смесь железа (серое) и дихромата калия (оранжевый). Справа — та же смесь после попытки разделить её с помощью магнита. Магнит не позволяет полностью отделить железо от дихромата калия: крупинки дихромата цепляются за железную пыль и поднимаются вместе с ней Рис. Ц-12. 10 мг красителя нейтрального красного (на фильтровальной бумажке около стакана) способны придать заметную окраску 1 кг воды (в стакане) Рис. Ц-13. Природная вода, обработанная флоккулянтом — концентрированным раствором РеС1з (в маленьком стаканчике). Хлопья, плавающие в стакане с водой, — осадок Ре(ОН)з. К поверхности этих хлопьев прилипают микроорганизмы и многие загрязняющие вещества Рис. Ц-14. Раствор КМПО4 (слева), твёрдый КМПО4 (справа) и кристаллы КМПО4, попавшие на мокрую бумагу (в центре). КМ11О4 реагирует с мокрой бумагой с образованием чёрного МпОг Рис. Ц-15. Сульфат меди C11SO4, медь Си и сера S Рис. Ц-16. Медь, выделивщаяся на цинке из раствора соединения меди Рис. Ц-17. Из меди раньше чеканили монеты Рис. Ц-18. Монеты из медных сплавов Рис. Ц-19. На воздухе медные изделия медленно покрываются зелёным основным карбонатом меди (СнОН)2СОз Рис. Ц-20. Медь (1), сталь(основной компонент — железо) (2) и алюминий (3), покрытые плёнками оксидов. В некоторых местах плёнка оксида счиш;ена напильником Группы элементов со сходными свойствами Таблица Ц-1 Металлы I 1 Щелочные металлы (простые вещества очень активны химически, I j в частности бурно реагируют с водой) Щелочноземельные металлы (простые вещества весьма активны хи-] мически, в частности медленно реагируют с водой и хорошо горят на воздухе) Переходные элементы Аи^ Благородные металлы (относятся к переходным элементам; химически малоактивны, мало с чем реагируют) Неметаллы Халькогены (в переводе с греческого «рождающие руды») Галогены (в переводе с греческого «рождающие соли»). Очень активные неметаллы, с большинством металлов образуют растворимые соли Благородные газы. Практически ни с чем не реагируют (Не, Ne, Аг — вообще ни с чем) Таблица Ц-2 Взаимодействие простых веществ с кислородом при нагревании 1А ИА 111Б IVB V5 VIB VIIB VIIIB IB MB IMA IVA VA VA VIIA VIIIA Н К Li Be В C X X X к Mg Al Si p (IV) X X fca Г" Sc Ti V (IV) Fe (Ml) Co tii^iii] Ni (») Cu Zn Ga Ge As (III) Se (IV) X X Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd; Cd In Sn Ш m Те (IV) X X ■Ва La Hf Та w, Re Os Ir Hg TI Pb (II) Bi (III) Po X X По характеру реакции По тому, какой оксид образуется Не реагирует Легко загорается Загорается в измельчённом состоянии или при высокой температуре Реагирует при нагревании спокойно (без горения), обычно с поверхности Спокойно реагирует при нагревании на воздухе или в кислороде; при более высокой температуре оксид разлагается Нет данных по причине малой доступности простых веществ Fe (III) Ро Не реагирует Образуются высшие оксиды Образуются оксиды элемента в указанной валентности Образуются пероксиды (соединения, содержащие связь 0—0) Нет данных по причине малой доступности простых веществ По данным из [Г. Реми. Курс неорганической химии. М.: Мир, 1966], а также из личного опыта автора. AI203 МпгОу HgO Н2О Рис. Ц-21. Оксиды Рис. Ц-22. При аккуратном вдувании воздуха в пламя свечи парафин сгорает полнее, сажа не образуется, и пламя становится неярким Рис. Ц-23. Яркость и цвет свечения углей в печи зависит от их температуры Рис. Ц-24. Расплав чугуна имеет температуру более 1600 °С и соответствующим образом светится Рис. Ц-25. Тление торфяников происходит при низких температурах в условиях нехватки кислорода. При этом в воздух попадает огромное количество продуктов неполного сгорания 4 Рис. Ц-26. Горение магния на воздухе. Белый дым — оксид магния (продукт). Температура горения магния очень высокая, и твёрдый раскалённый оксид ослепительно ярко светится Рис. Ц-28. Горение алюминиевой пудры на воздухе. Благодаря небольшим размерам частицы пудры легко прогреваются, и такой алюминий, имея очень развитую поверхность, быстро реагирует с кислородом воздуха. Раскалённый твёрдый продукт AI2O3 ярко светится Рис. Ц-30. Красный налёт СпгО на поверхности меди после нагревания на воздухе. Медь на воздухе не горит, но в зависимости от условий покрывается либо оксидом СпгО красного цвета, либо оксидом СпО чёрного цвета (рис. Ц-31) Рис. Ц-27. Горение серы на воздухе. Продукт реакции — газ оксид серы (IV), поэтому пламя очень тусклое Рис. Ц-29. Горение железных опилок на воздухе. Поджечь на воздухе компактное железное изделие (например, сковородку) вряд ли удастся Рис. Ц-31. Чёрный налёт СпО на поверхности старой медной монеты. Оксид СпО образовался из-за длительного контакта с воздухом Рис. Ц-32. Горение железа в кислороде. Тонкие железные проволочки берут из «тёрки» для мытья посуды, струю кислорода подают из кислородной подушки через стеклянную трубку. На дно колбы насыпан песок, чтобы стекло не треснуло при контакте с раскалёнными продуктами горения Рис. Ц-33. Горение серы в кислороде. Сравните с горением серы на воздухе (рис. Ц-27) \4 Рис. Ц-34. Горение фосфора. Белый дым -оксид фосфора (V) Р2О5 Рис. Ц-35. Горение бытового газа. СН4 I 2О2 = СО2 -н 2Н2О Рис. Ц-36. Горение спирта. С2Н5ОН - ЗО2 = = 2СОа + ЗН2О Рис. Ц-37. Горение сухого горючего. C6H12N4 -г О2 = = 6СО2 + 6Н2О + 2Na Рис. Ц-38. Разложение гидроксида меди Си(ОН)2 •'Ь“ 1 ^ 1 i : кисл.|нейтр.| осн^Г Метиловый оранжевый I кисл.неитр.| ООН. Бромтимоловый синий Фенолфталеин кисл.нейтр., осн. Универсальная индикаторная бумага кисл.г нейтр.| осн. Лакмус Рис. Ц-39. Индикаторы в разных средах. В пробирках (и на полоске бумаги) слева — кислая среда; в центре — нейтральная среда; справа — щелочная среда Рис. Ц-40. Красители, родственные лакмусу, содержатся во многих цветах и обусловливают их окраску от розовой до синей. В частности, окраска цветов гелиотропа (слева) и цикория (справа) обусловлена присутствием там красителей лакмусовой группы. Если такие цветы подержать над банкой с раствором аммиака NH3, они посинеют, над уксусной кислотой СН3СООН — покраснеют Рис. Ц-41. Окраска цветов обусловлена красителем лакмусовой группы. Цвет разных частей лепестка обусловлен разной кислотностью среды в их клетках. Наименее кислая среда — в отмирающих лепестках. Их оттенок ближе всего к синему А А Рис. Ц-42. В компот из черешни (2), который изначально имеет слабокислую среду (окраска обусловлена присутствием антоциановых красителей), добавлены кислоты и основания: уксус (i) даёт кислую среду, питьевая сода NaHCOs (3) — слабощелочную, а жидкость для чистки унитазов (4), содержащая гидроксид натрия NaOH, — сильнощелочную Рис. Ц-43. Разные соли Рис. Ц-44. Цинк Рис. Ц-45. Стальную кровлю покрывают цинком, чтобы она не ржавела Рис. Ц-46. Олово. Серые полосы оставлены оловом на бумаге Рис. Ц-47. C11SO4 5НгО (в чашке слева), безводный CUSO4 (в чашке справа) и раствор CUSO4 (в стакане) Рис. Ц-48. Радуга ультра- фиолетовый f'( I 'i I I I I г г п I f" 400 500 600 700 длина волны, нм Рис. Ц-49. Примерное соответствие цветов длинам волн Рис. Ц-50. Светофоры на светодиодах Рис. Ц-51. Спектры испускания различных источников Рис. Ц-52. Наложение красного и зелёного света Рис. Ц-53. Наложение синего и зелёного света Рис. Ц-54. Красная поверхность почти не отражает синий свет, а синяя — отражает Рис. Ц-55. Цветовой круг. Серые стрелки соединяют дополнительные цвета. Вершины белого треугольника соединяют основные цвета RGB-модели, чёрного — CMY-модели Рис. Ц-56. Раствор КМПО4 имеет малиновый цвет Н2О КМпО. К2СГ2О7 Си(МОз)2 Рис. Ц-57. Вода (слева) пропускает свет любой длины волны (любого цвета). Она прозрачна и неокрашена. Оранжевый раствор дихромата калия К2СГ2О7 поглощает в синей части спектра (фиолетовый, синий и немного зелёный). Синий раствор нитрата меди Си(МОз)2 поглощает в красной части спектра. Малиновый раствор перманганата калия КМ11О4 поглощает зелёный свет Рис. Ц-58. Оранжевый раствор К2СГ2О7 и синий раствор Cu(N03)2 вместе поглощают почти весь видимый свет. Два этих раствора, поставленные один за другим, кажутся чёрными I0ID6I в Си Ва Са Sr Li Рис. Ц-59. Окраска пламени соединениями разных элементов. Помните, что типографским способом невозможно передать цвет пламени точно Рис. Ц-60. Огням салюта красный цвет придают соли стронция, зелёный — соли бария Горение Одна из разновидностей горения — тление. Тлеть могут только твёрдые горючие вещества, например, уголь. При тлении, как и интенсивном горении, также образуются газообразные продукты, однако тление — очень медленный процесс, поэтому тепло, выделяемое в результате этого процесса, успевает рассеяться, а продукты — остыть до того, как удалятся от тлеющего предмета. Этим обусловлено, что при тлении раскаляется (светится) только само твёрдое горючее. Температура при тлении, как правило, ниже, чем при горении. При тлении сложных веществ возможно образование многочисленных продуктов неполного сгорания. Тлеющие в затухающем костре дрова или тлеющие торфяники производят очень много дыма (см. цветной блок: рис. Ц-25). |При тлении температура газообразных продуктов сгорания недостаточна — нет пламени (светятся только твёрдые реагенты). ОПЫТ 22.13. Тление и возгорание угля. Берут тигельными щипцами кусок угля. Нагревают его в пламени. Наблюдают за тем, что происходит с раскалённым углём вне пламени. Дуют на светящуюся часть угля. Что наблюдается? Почему? Почему не наблюдается образования продуктов неполного сгорания? П Контрольные вопросы 22.1. Что такое горение? 22.2. Что такое продукты неполного сгорания? 22.3. В каких случаях возможно неполное сгорание? 22.4. Какие продукты неполного сгорания образуются при горении органических (углеродсодержащих) веществ? 22.5. Чем обусловлены цвет и яркость свечения чёрного тела? 22.6. Почему вредно неполное сгорание в автомобильном двигателе? 22.7. Что нужно сделать, чтобы прекратить горение? 22.8. Чем тление отличается от горения? Ресурсы Видеоматериалы • Опыты с водородом, http: //school- collection. edu. ru, Коллекции Химия —^ Неорганическая химия. Видеоопыты род и его свойства • Горение различных веществ в кислороде, http://school-collection,edu.ru. Коллекции Химия Неорганическая химия. Вид вода —> Кислород. Оксиды • Горение кальция на воздухе, http://experiment.edu.ru/attach/6/384.mov Предметные коллекции Водород. Кислоты —> Водо- —>• Предметные коллекции —> опыты —> Подгруппа кислоро- Классы веществ и взаимосвязи между ними • Горение алюминия на воздухе, http://experiment.edu.ru/attach/6/386.mov • Горение серы на воздухе, http;//WWW.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v005.html • Платина — катализатор горения водорода, http://experiment.edu.ru/attach/6/382.mov • Горение меди в хлоре, http://ru.youtube.com/watch?v=w66poQXPuKg Q § 23 Реакции простых веществ с кислородом Рекомендуется повторить, что такое оксиды и как составлять их формулы (§ 20), как протекают реакции горения (§ 22), что такое уравнение реакции (§ 18), какие бывают особые группы элементов (см. цветной блок: табл. Ц-1). Из жизненного опыта вспомните, как образуется ржавчина и какого цвета бронзовые монеты. — Приведите три примера простых веществ. — Что можно наблюдать при реакциях горения? — Какие вещества вступают в реакции горения? — Составьте формулу оксида алюминия (III). Оксиды образуются при взаимодействии соответствующих простых веществ с кислородом Ог- С ним способно прореагировать большинство простых веществ (см. цветной блок: табл. Ц-2). Не реагируют с кислородом благородные газы: Не, Ne, Аг, Кг, Хе, Rn (соответствующие элементам главной подгруппы VIII группы), галогены Гг, С1г, Вгг, I2 (соответствующие элементам главной подгруппы VII группы) и некоторые благородные металлы Ag, Pt, Au и др. Азот реагирует с кислородом только при особых условиях. Если вы делали опыты, описанные в § 22 «Горение», то видели, как сгорают магний, железо и углерод. Вы наверняка обратили внимание, что горение этих веществ происходило по-разному: магний нужно было нагреть, после чего он горел ярким пламенем, уголь после нагревания всего лишь тлел, а железо загоралось только в измельчённом виде (опилки) в пламени. I Активность простых веществ в реакциях с кислородом различна. На языке химиков это различное поведение простых веществ можно выразить следующим образом: активность простых веществ в реакциях с кислородом различна. Например, белый фосфор самовоспламеняется на воздухе, серу и магний нужно поджигать, после чего они спокойно горят в воздухе, алюминий горит только в сильноизмельчённом состоянии (алюминиевая пудра), железо горит только в виде взвеси или в чистом кислороде, медь и олово реагируют с кислородом медленно, не выделяя при этом тепла и света (см. цветной блок: рис. Ц-26-Ц-34). Реакции простых веществ с кислородом То, что простое вещество не реагирует с кислородом, совершенно не означает, что не существует его оксидов. Только для трёх элементов — Не, Ne и Аг — не получено оксидов. Оксиды остальных элементов могут быть получены косвенным путём. Если простое вещество не реагирует с кислородом, его оксиды при нагревании разлагаются на простые вещества. ЗАДАНИЕ 23.1. Реагирует ли свинец с кислородом? Горит ли свинец в кислороде? Реагирует ли цинк с кислородом? Реакция простых веществ с кислородом относится к реакциям соединения, когда образуется только один продукт — оксид, как правило (но не всегда), — высший (см. цветной блок: табл. Ц-2). На реакциях простых веществ с кислородом очень удобно тренироваться составлять уравнения реакций. Напомним, что в левой части уравнения записывают формулы реагентов, в правой — формулы продуктов. Перед формулами расставляют коэффициенты, уравнивая число атомов (химических элементов) слева и справа. Поскольку в молекуле О2 содержится чётное число атомов кислорода, суммарное число атомов кислорода справа от знака равенства тоже должно быть чётным. Алгоритм составления уравнений реакций горения на примере взаимодействия бора и кальция с кислородом приведён на с. 132-133. ЗАДАНИЕ 23.2. Напишите уравнения реакций с кислородом веществ Ва, Сг, Н2, Ag, W, Si, V. Контрольные вопросы 23.1. Что такое горение? 23.2. Что образуется при горении простых веществ? 23.3. К какому классу относятся реакции горения простых веществ? 23.4. Назовите простые вещества, которые не реагируют с кислородом. Задание на дом 23.1. Запомните, какие оксиды образуются при горении водорода, магния, углерода, фосфора, серы. Опишите, как происходят эти реакции. 23.2. Что можно наблюдать, если на практике осуществить реакции из задания 23.1? 23.3* Способен ли гореть иттрий? Обоснуйте ответ. О о Ресурсы Видеоматериалы • Горение различных простых веществ в кислороде, http: //experiment. edu. ги/ Подгруппа кислорода Кислород. Оксиды Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 3. Алгоритм составления уравнений реакций простых веществ с О2 Задача. Написать уравнение реакции горения бора и кальция в О2. Шаг Горение бора в кислороде Горение кальция в кислороде Заготовка. Записать сумму реагентов, оставив место для коэффициентов. В конце поставить знак *=* ___В Ч-_____О2 = ____Са -|-_________О2 — 2. По табл. Ц-2 (см. цветной блок) установить, реагирует ли вещество с кислородом. Если не реагирует — перечеркнуть знак равенства — реакция не идёт (знак неравенства « ^ »). Если реагирует — перейти к следующему шагу Реакция идёт Реакция идёт 3. Установить формулу образующегося оксида по табл. Ц-2 (см. цветной блок) и номеру группы в таблице Менделеева; записать её после знака «=», оставив место для коэффициента III — высшая валентность В2О3 .В +__О2 =__В2О3 II — высшая валентность СаО _Са -f_О2 =___СаО 4. Если в оксиде число атомов кислорода нечётное, перед формулой оксида поставить 2; если чётное, то ничего не ставить В2О3 три атома О — нечётное число _В +__О2 = 2В2О3 СаО один атом О — нечётное число _Са -Ь _02 = 2СаО Уравнять реакцию по кислороду: а) посчитать общее число атомов кислорода справа от знака равенства; б) поделить его на 2; в) полученное число поставить перед О2 слева 2-3 = 6 6:2 = 3 _В + ЗО2 = 2В2О3 2-1 = 2 2:2 = 1 _Са -f- О2 — 2СаО Кислород Алгоритм 3. Окончание Шаг Горение бора в кислороде Горение кальция в кислороде 6. Уравнять реакцию по центральному элементу оксида: В -|- ЗО2 = 2В2О3 Са + 02 = 2СаО а) посчитать общее число атомов центрального элемента справа от знака равенства; 2-2 = 4 2-1 = 2 б) поставить перед символом центрального элемента в левой части уравнения это число 4В -Ь ЗО2 = 2В2О3 2Са + 02 = 2СаО 7. Проверить, уравнена ли В: 4 =2-2 Са: 2=2 реакция. Сосчитать число (слева) (справа) (слева) (справа) атомов каждого элемента О: 3-2 = 2-3 (слева) (справа) 0: 1 - 2 = 2 (слева) (справа) слева и справа от знака Уравнено по всем Уравнено по всем равенства элементам элементам Лабораторные опыты РЕАКЦИИ ПРОСТЫХ ВЕЩЕСТВ С КИСЛОРОДОМ ВОЗДУХА Опишите реакции простых веществ с кислородом (нали-чие/отсутствие пламени, его яркость, цвет и т. п.), которые вам покажет учитель. Если возможно, опишите продукты-оксиды (цвет, запах, агрегатное состояние). Напишите уравнения реакций. Ответ представьте в виде таблицы в лабораторном журнале. Вещество Признаки реакции Формула оксида Цвет, запах, агрегатное состояние оксида Уравнение реакции См. цветной блок: рис. Ц-26-Ц-34. § 24 Кислород Рекомендуется повторить тему «Горение* (§22); уравнения химических реакций (§ 18); что такое реакция разложения (§ 17), каковы существенные свойства вещества (§ 3); как описывать вещество (лабораторные опыты к § 3). Из курса математики вспомните, что такое обратная пропорциональность. — Что такое реакция разложения? — Какие вещества вступают в реакции горения? Q Классы веществ и взаимосвязи между ними 0ОО2 ^ GH2O — C0IH12O0 ^ 0О2 Рис. 50. Фотосинтез, протекающий в зелёных растениях, цианобактериях и некоторых микроорганизмах — важнейший источник свободного кислорода О2 в атмосфере нашей планеты Вы уже познакомились с горением веществ в кислороде с образованием оксидов (см. § 22). Что же это за вещество — кислород? КИСЛОРОД Простое вещество О2 Элемент О • неметалл • газ без цвета и запаха • всегда двухвалентен • тяжелее воздуха в 1,1 раза • кипит при — 183°С • поддерживает горение • содержится в воздухе Кислород О2 — бесцветный газ, один из компонентов воздуха, в атмосферном воздухе его содержание составляет 21% по массе. Это делает нашу планету совершенно уникальной — ни на одной другой планете Солнечной системы нет свободного кислорода (т. е. простого вещества О2). Более того, обнаружение этого простого вещества на планетах за предел£1ми Солнечной системы тоже маловероятно. Познакомившись с реакциями горения (§ 22), вы теперь понимаете, насколько этот газ активен. Именно поэтому его образование из природных соединений — воды Н2О, углекислого газа СО2, и силикатных минералов, требует огромных затрат энергии. На Земле кислород образуется в результате одного-единственного процесса (рис. 50). Этот весьма энергозатратный процесс происходит в зелёных растениях, цианобактериях и некоторых микроорганизмах и называется фотосинтезом. Необходимую для фотосинтеза энергию растения получают от солнечного света. Кислород в процессе фотосинтеза оказывается отходом «производства» глюкозы СбН120б из углекислого газа СО2 и воды Н2О: 6СО2 + 6Н2О СбН120б + 602t Кислород Рис. 51. Кислородная подушка (можно приобрести в аптеках) заполнена чистым кислородом, который используют для поддержания жизни тяжелобольных при некоторых заболеваниях Глюкоза обладает важным свойством: как и многие другие вещества, она взаимодействует с кислородом с выделением энергии. Практически все природные организмы (и растения, и животные) приспособились проводить взаимодействие глюкозы с кислородом так, чтобы использовать выделяющуюся при этом энергию. Этот процесс называется дыханием. СбН120б -Ь 6О2 = 6СО2 6Н2О + Q Сравните уравнения реакций фотосинтеза и дыхания. Очевидно, что это обратные процессы, продукты одного являются реагентами другого и наоборот. Всем живым организмам необходима энергия, а значит — кислород. Поэтому жизнь на нашей планете без кислорода невозможна. В частности, человек, оставшись на четыре минуты без кислорода, умирает. В то же время из-за своей высокой химической активности кислород способен реагировать с веществами в тканях организмов, разрушая их. Большинство живых существ за сотни миллионов лет эволюции приспособились к этому весьма агрессивному веществу в атмосфере. Однако на нашей планете до сих пор существуют древние анаэробные организмы, для которых кислород по-прежнему остаётся страшным ядом. Их удел — жить в анаэробных (в буквальном переводе — безвоздушных) «оазисах», где нет воздуха, а значит, нет кислорода (он туда не доходит или активно поглощается). Даже аэробные организмы (которые живут в воздушной атмосфере) приспособились к присутствию кислорода не до конца, так как при вдыхании воздуха, обогащённого кислородом (или просто при глубоком дыхании без физической нагрузки), у них очень быстро наступает кислородное отравление. Человек, вдыхающий воздух, обогащённый кислородом, или просто глубоко дышащий, ощущает головокружение и даже может потерять сознание. Однако при некоторых заболеваниях показан чистый кислород (рис. 51). Кислород О2 в природе образуется при фотосинтезе и расходуется при дыхании и гниении. За последние несколько сотен тысяч лет количество кислорода в атмосфере Земли оставалось практически неизменным. Что можно сказать об общей интенсивности процессов дыхания и фотосинтеза на нашей планете в течение этого времени? Классы веществ и взаимосвязи между ними В процессе дыхания энергия выделяется, а значит, в процессе фотосинтеза она должна поглощаться. В какой форме поглощается энергия в процессе фотосинтеза? При некоторых условиях глюкоза способна гореть на воздухе. Чем этот процесс отличается от процесса дыхания? Прочие 0,036% Помимо кислорода в воздухе присутствует азот N2, которого там больше всего (рис. 52). Азот химически неактивен и при обычных условиях практически не вступает в химические реакции. Азот как бы разбавляет кислород и отводит энергию, которая выделяется при реакциях веществ с кислородом (горении). Поэтому в чистом кислороде реакции идут гораздо активнее, чем на воздухе (см. цветной блок: рис. Ц-33). Многие вещества, например, сахар С12Н22О11, железная проволока Fe, аммиак NH3, горят в чистом кислороде, но не на воздухе (см. цветной блок: рис. Ц-32). Тлеющая лучина в чистом кислороде вспыхивает, и это используется для обнаружения кислорода. I Тлеющая лучина в кислороде вспыхивает — обнаружение чистого кислорода. В лаборатории кислород получают разложением некоторых веществ при нагревании. Чаще всего для этого используют перманганат калия (марганцовку) КМПО4: 2КМп04 а К2МПО4 + МпОг + ОгТ 78,1% Рис. 52. Состав воздуха I В лаборатории кислород получают разложением перманганата калия. Вещество, разлагающееся с выделением кислорода, иногда называют окислителем. В качестве окислителя (кроме КМПО4) можно также использовать бертолетову соль KCIO3, перхлорат калия KCIO4, оксид свинца РЬОз и некоторые другие вещества: 2KCIO3 KCIO4 2РЬ02 2KCl + 302t KCl + 202t 2PbO + О2 Кислород Ещё один лабораторный источник кислорода — пероксид (перекись) водорода Н2О2 — разлагается даже при комнатной температуре в присутствии некоторых веществ, называемых катализаторами (такие вещества ускоряют реакцию, но сами при этом не расходуются; рис. 53): 2Н2О2 ^2H20 + 02t Катализаторами данной реакции могут выступать оксид марганца (IV) Мп02, дихромат калия К2СГ2О7, сульфат меди CUSO4. Пероксид водорода образуется в нашей крови как промежуточный продукт реакций с участием кислорода. В крови содержится специальное вещество перок-сидаза, которая ускоряет разложение пероксида водорода. Поэтому при контакте с кровью пероксид водорода, который используют для обработки раны, быстро разлагается, и выделяющийся при этом кислород ускоряет свёртывание крови. Чтобы остановить кровотечение, раны обрабатывают 3%-м раствором пероксида водорода. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КИСЛОРОДА В ПРОМЫШЛЕННОСТИ: • металлургия • неорганические синтезы • получение высокотемпературного пламени Чистый кислород широко используют в промышленности и технике. Его применяют в крупномасштабных химических синтезах, в которых мешает азот воздуха (например, серной и азотной кислот), а также для получения высокотемпературного пламени, например, в металлургии и газовой сварке (рис. 54). Чистый кислород производится в огромном масштабе — десятки миллионов тонн в год. Получить столько кислорода разложением перманганата калия невозможно хотя бы потому, что мировое производство этого вещества несоизмеримо меньше, и стоит оно очень дорого. Как же получают кислород в промышленности? Необходимое для промышленного получения кислорода сырьё присутствует в окружающей среде. Это сырьё — воздух. Задача состоит в том, чтобы отделить кислород от азота. Кислород кипит при чуть более высокой температуре, чем азот (температура кипения азота N2 — 196°С, температура кипения кислорода О2 — 183°С). Поэтому кислород выделяют методом ректификации (перегонки) сжиженного воздуха. Для этого воздух очень сильно охлаждают и очень сильно сжимают (т. е. увеличивают давление), в результате чего все составные части воздуха переходят в жидкое состояние — воздух сжижается. Если слегка уменьшить давление, азот начнёт выкипать, а кислород останется жидким. Рис. 53. Каталитическое разложение пероксида водорода в присутствии катализатора — Мп02 (взвесь). Выделяется кислород О2 Классы веществ и взаимосвязи между ними Рис. 54, При газовой сварке и резке металлов используют пламя, в котором ацетилен С2Н2 горит в чистом кислороде. Температура такого пламени достигает 3000 °С Рис. 55. Сосуд Дьюара. Стенки сосуда двойные, воздух между ними откачан (т. е. там создают сильное разрежение — вакуум). Зеркальное покрытие отражает внешнее тепло Хранят и перевозят кислород либо в сжатом виде в баллонах, либо в сжиженной форме в изотермиках — сосудах Дьюара (рис. 55). У этих сосудов двойные стенки, а между ними — вакуум, который не пропускает тепло из внешней среды. Бытовые термосы устроены по принципу сосудов Дьюара. Кислород в промышленности получают ректификацией сжиженного воздуха. В последнее время развивается абсорбционный способ выделения кислорода. Существуют особые вещества — цеолиты, в структуре которых имеются поры. У некоторых цеолитов размер пор соответствует разме- ЭТО ИНТЕРЕСНО! СПИЧКИ И ПИСТОНЫ Бертолетова соль KCIO3 достаточно легко разлагается с выделением кислорода. Если её смешать с горючим веществом и нагреть, то такая смесь горит бурно даже без доступа воздуха; иногда можно обойтись без нагревания — достаточно удара или трения. Например, в пистонах используют смесь бертолетовой соли с серой или фосфором: при ударе она быстро сгорает с характерным хлопком. Смесь бертолетовой соли с фосфором загорается даже от трения, что используется в спичках: на стенку спичечного корюбка нанесена тонким слоем смесь, содержащая фосфор, а в состав спичечной головки входит бертолетова соль с разными горючими добавками. В месте трения спичечной головки о стенку коробки с фосфорсодержащей смесью происходит возгорание, которое распространяется на всю головку спички. Кстати, для горения спичечной головки воздух не нужен. По тому же принципу (смесь горючего с окислителем) делаются головки охотничьих спичек, звёздочки салютов, твердотопливные ракетные ускорители и другие смеси, горящие без доступа воздуха. Кислород РУ молекулы О2. Если поместить такой цеолит в воздух под давлением, поры заполнятся молекулами кислорода (происходит абсорбция кислорода). Если давление снять, кислород выделится из пор цеолита. Этот способ не требует таких энергетических затрат, как ректификация. Однако из-за того, что размеры молекул кислорода О2 близки к размерам молекул другого компонента воздуха — азота N2, кислород, полученный этим способом, содержит значительные примеси азота. Почему сосуд Дьюара никогда не закрывают плотно крышкой (герметично)? Контрольные вопросы 24.1. Какова доля кислорода в воздухе? 24.2. Почему в чистом кислороде все вещества горят лучше, чем в воздухе? 24.3. Как получают кислород в лаборатории? В промышленности? С чем связано такое различие в способах получения? 24.4. Можно ли считать фотосинтез способом получения кислорода? ЭТО ИНТЕРЕСНО! ОБ ЭКОНОМИКЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ Стоимость получения любого вещества складывается из стоимости сырья и стоимости оборудования. Затраты на сырьё пропорциональны объёму выпускаемой продукции. Затраты на оборудование от объёма продукции практически не зависят, поэтому чем больше продукции выпускают, тем ниже цена. Таким образом, производство с дешёвым сырьём, но дорогим оборудованием выгодно при больших масштабах (рис. 56). При ректификации воздуха сырьё практически бесплатное, а оборудование достаточно сложное, поэтому этот процесс становится выгодным, только если требуется произвести много кислорода. При разложении перманганата калия сырьё дорогое, а оборудование примитивное. Этот способ выгоден, если требуется произвести немного кислорода (лабораторный способ). Рис. 56. Затраты на единицу продукции в зависимости от объёма производства при разных технологиях. При объёме, большем, чем в точке пересечения кривых, затраты на дорогое оборудования окупаются за счёт дешевизны сырья дорогое оборудование/ дешёвое сырьё Объём Классы веществ и взаимосвязи между ними О Задание на дом 24.1. Посмотрите на диаграмму состава воздуха (рис. 52). Может ли доля кислорода в воздухе значимо увеличиться в результате природной активности или жизнедеятельности человека? 24.2. Почему акваланги и дыхательные баллоны никогда не заправляют чистым кислородом, а только смесью кислорода с азотом (аргоном или гелием)? 24.3. Что произойдёт, если нагреть перманганат калия с каким-либо горючим веществом? 24.4* Напишите уравнение реакции разложения: а) перхлората натрия NaC104; б) бромата калия КВгОз. Происходит ли при этом выделение кислорода? Ресурсы Видеоматериалы • Получение кислорода и горение различных веществ в нём, http://experiment.edu.ru Коллекция —> Предметный каталог —> Химия —> Неорганическая химия. Видеоопыты —> Подгруппа кислорода —> Кислород. Оксиды. Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Получение кислорода и его свойства‘4, http://fcior.edu.ru • Модуль «Лабораторная работа „Приборы для получения и собирания газов“», http://fcior.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Получение и применение кислорода**», http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Лабораторные способы получения кислорода**», http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Свойства кислорода**», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Физические свойства и получение кислорода», http://fcior.edu.ru Лабораторные опыты ПОЛУЧЕНИЕ КИСЛОРОДА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО СВОЙСТВ Рекомендуется повторить, что такое горение (§22), каковы свойства и способы получения кислорода (§ 24). — Как следует нагревать пробирку? — Как получают кислород в лаборатории? — Где — на воздухе или в чистом кислороде — процессы горения протекают интенсивнее? — Как следует нагревать вещество, если надо собрать улетучивающиеся продукты (§4)? Задача. Получить кислород и сравнить горение различных веществ в воздухе и в чистом кислороде. Кислород Рис. 57. Разложение перманганата калия и сбор образующегося кислорода Оборудование. Спиртовка (или сухое горючее с подложкой и крышкой), термостойкая подложка (или фарфоровый стакан), пробирка, держатель для пробирок или мини-штатив, изогнутая трубка с пробкой, колба коническая, ложечка для сжигания металлическая. Реагенты, и расходные материалы. Перманганат калия КМПО4, лучина, уголь С, кусок парафиновой свечи С40Н82 высотой 2-3 см, хлопковая вата. План работы. Кислород получают разложением перманганата калия КМПО4 по реакции 2КМп04 = К2МПО4 -I- МпОг -Ь О2 и собирают в стоящую на столе колбу. Когда колба заполнится, в неё вносят разные горючие вещества. Почему кислород собирают в сосуд, стоящий горлом вверх, а не вниз? Почему трубку, из которой идёт кислород, следует опускать до дна сосуда? Ход работы. Насыпают в пробирку перманганат калия на 1-1,5 см по высоте. Под пробку в пробирку помещают вату (чтобы твёрдые продукты разложения перманганата калия не летели в сосуд с кислородом). Зажимают пробирку в держателе для пробирок и опускают газоотводную трубку в колбу (рис. 57). Зажигают пламя. Начинают нагревать перманганат. Когда перманганат разложится (это можно определить по прекращению потрескивания), зажигают лучину, дают ей некоторое время погореть и задувают. Тлеющую лучину вносят в колбу. Извлекают лучину и задувают её. Лучину кладут сгоревптим кончиком на термостойкую подложку или ставят вниз кончиком в фарфоровый стакан. В пробирку насыпают новую порцию перманганата (заменяют использованный) и снова заполняют колбу кислородом. В ложечку для сжигания кладут кусочек угля и нагревают в пламени Классы веществ и взаимосвязи между ними спиртовки, пока уголь не начнёт тлеть. Тлеющий уголёк вносят в колбу, заполненную кислородом. Наблюдают. Описывают, как изменится характер тления. Уголь извлекают и кладут на термостойкую подложку. Снова заменяют в пробирке перманганат и заполняют колбу новой порцией кислорода. В ложечке для сжигания закрепляют свечу, зажигают её. Вносят горящую свечу в колбу с кислородом. Смотрят и описывают, как изменится характер горения. Отчёт. В отчёте для каждого вещества следует указать, как оно горит (тлеет) на воздухе, как в кислороде и чем различается их поведение на воздухе и в кислороде. Записывают уравнения реакций горения угля и (если получится) парафина. Делают вывод, чем же отличается горение на воздухе от горения в кислороде. Домашний эксперимент Получение кислорода разложение пероксида водорода в разных условиях 1. Реакцию разложения пероксида водорода Н2О2 можно провести в домашних условиях. Пероксид водорода продаётся в аптеках и обычно есть в домашней аптечке, поскольку часто используется в быту как кровоостанавливающее средство. Вместо пероксида водорода можно использовать гидроперит — таблетки, содержащие пероксид водорода и мочевину. В половине стакана воды нужно растворить одну таблетку гидроперита. Перманганат калия (марганцовку) можно приобрести в аптеках; раствор перманганата калия используют как дезинфицирующее средство. Налейте немного (около чайной ложки) пероксида водорода (или раствора гидроперита) в какую-нибудь ёмкость (например, пластиковый стаканчик) и добавьте туда кристаллик марганцовки. Что наблюдается? 2. Пероксид водорода не очень устойчив. Многие вещества могут ускорять его разложение, действуя как катализаторы. Пероксид водорода— промежуточный продукт многих биохимических реакций, в том числе в организме человека. Если раствор пероксида водорода нанести на свежую рану, то под действием особого вещества крови — фермента пероксидазы — пероксид водорода разлагается, а вьщеляющийся кислород ускорит свёртывание крови. Капните пероксидом водорода на кусочек свежего мяса. Что наблюдается? Попробуйте сделать то же самое со старым или размороженным мясом. Опишите различия. Постарайтесь дать объяснение. г идроксиды § 25 Гидроксиды Рекомендуется повторить, что такое формула состава (§11), графическая формула (§ 16), оксид (§ 20, 23). Из курса математики вспомните, что такое чётные и нечётные числа. — Напишите формулу состава и графическую формулу оксида серы (VI). — Как можно получить оксид фосфора (V)? Вы уже знаете, что такое оксиды и как они образуются. Теперь можно приступить к изучению их свойств, важнейшее из которых — способность реагировать с водой. При этом образуются гидроксиды — весьма распространённые реагенты в химии. Мы уже говорили о таких гидроксидах, как серная кислота H2SO4, фосфорная кислота Н3РО4, гидроксид натрия NaOH. Все гидроксиды примечательны тем, что в их состав входят водород, кислород и какой-то третий элемент, причём водород соединён только с кислородом (см. графические формулы). Третий элемент (не водород Н и не кислород О) в гидроксиде называется центральным. (/ ^0-Н H2S04 0-Н 0=Р—0-Н \ 0-Н НЗР04 Na-0-Н NaOH О Гидроксид — химическое соединение, в состав которого входят три элемента, среди них обязательно присутствуют водород и кислород. Почти все соединения, содержащие водород, кислород и ещё какой-либо элемент, являются гидроксидами (рис. 58). Имеются исключения, например, соединения, содержащие углерод, — в них водород часто бывает связан с этим элементом непосредственно. Рис. 58. Гидроксиды H2SO4, Н3РО4, NaOH ■ к ^ 4- Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 4. Алгоритм записи графической формулы гидроксида по формуле состава Задача. Написать графическую формулу серной кислоты H2SO4. Шаг Пример 1. Написать символ центрального элемента S 3. Присоединить к нему столько ОН-групп, сколько атомов Н входит в формулу состава H-0-S-0-H 3. Найти число атомов кислорода, не связанных в ОН-группы 4-2 = 2 4. Присоединить их к центральному элементу двойными связями (две чёрточки) О II Н-0—S—О—н II О ЗАДАНИЕ 25.1. Укажите, какие из перечисленных веществ являются гидроксидами: НС1, HNO3, Н2О, Са(ОН)2, Н3ВО3, MgO? В формулах гидроксидов укажите центральный элемент. Поскольку в гидроксиде водород связан только с кислородом, в этой молекуле обязательно присутствует группа —ОН, называемая гидроксильной. Она одновалентна (кислород двухвалентен, одна из его валентностей занята водородом — остаётся одна свободная). В гидроксидах нет связей между атомами одинаковых элементов. Зная эти особенности строения молекул гидроксидов, можно по формуле состава нарисовать графическую формулу (алгоритм 4). ЗАДАНИЕ 25.2. Напишите графические формулы КОН, Са(ОН)2, Н3ВО3, НСЮз, H3ASO4. Бывают мета- и ортогидроксиды. В метагидроксиде содержится одна или две ОН-группы, в ортогидроксиде — три и больше. Далеко не все центральные элементы способны образовать ортогидроксид по той простой причине, что вокруг центрального атома ОН-группам не хватает места. Ортогидроксиды образуют трёхвалентные элементы (например, гидроксид алюминия А1(ОН)з, рис. 59), а также Si, Р, As, Те, I. Как правило, элементы, образующие ортогидроксиды, способны также образовывать и метагидроксиды. |Гидроксид натрия NaOH и серная кислота H2SO4 — метагидроксиды, фосфорная кислота Н3РО4 — ортогидроксид. Если формула гидроксида не дана, её (как и графическую формулу) можно составить — достаточно знать валентность цент- г идроксиды рального элемента и тип гидроксида (орто- или мета-). Если тип гидроксида неизвестен, можно смело писать формулу метагидроксида. Чтобы записать графическую формулу метагидроксида, рисуют центральный элемент с соответствующим числом связей. Одну связь сразу заполняют группой —ОН. Остальные связи попарно заполняют атомами кислорода. Если остаётся свободная одинокая связь, тоже заполняют её группой —ОН (алгоритм 5). Когда записывают формулы состава метагидроксидов одно-, двух- и трёхвалентных металлов, группы ОН записывают после формулы металла (например, Са(ОН)2). Во всех остальных случаях водород записывают в начало, а кислород — в конец (например, H2SO4). ЗАДАНИЕ 25.3. Напишите графические и формулы состава метагидроксидов хлора (III), магния, серы (IV). Формулу состава гидроксида можно определить аналитически, по валентности п центрального элемента Э: НЭОп+1, 2 Н2ЭОД 2 + 1’ если п — нечетное число если п — чётное число Контрольные вопросы 25.1. Приведите определение гидроксида. 25.2. Сколько элементов входят в состав гидроксида? 25.3. Какие элементы обязательно входят в состав гидроксида? 25.4. Чем отличается ортогидроксид от метагидроксида? 25.5. С каким элементом связан водород в гидроксиде? 25.6. Какова валентность группы —ОН? Рис. 59 {слева). Взвесь гидроксида алюминия А1(ОН)з Рис. 60 {справа). Раствор азотной кислоты HNO3 Г ■ .. "А Классы веществ и взаимосвязи между ними О о Алгоритм 5. Алгоритм составления графической формулы метагидроксида, если известна валентность центрального элемента Задача. Написать графическую формулу метагидроксидов серы (VI) и хлора (VII). Шаг Гидроксид серы (VI) Гидроксид хлора (VII) 1. Написать символ центрального элемента S С1 2. Определить валентность центрального атома: чётное/нечётное число 7 — нечётное число 3. Если валентность центрального атома— нечётное число, присоединить одной связью (чёрточкой) одну группу —О—Н; если чётное число — присоединить у двух чёрточек по одной группе —О—Н (всего две группы) H-0-S-0-H Н-0-С1 4. Посчитать, сколько валентностей центрального атома осталось свободными (незанятыми). Если всё сделано правильно, остаётся чётное число валентностей 6-2 = 4 7-1=6 5. Оставшиеся валентности занять попарно (двойные связи) атомами кислорода О II Н-0—S—0-Н II О О II Н-0-С1=0 II О Задание на дом 25.1. Напишите графические формулы Ва(ОН)2, H4Si04, HIO4, H5IO6. 25.2. Напишите графические формулы и формулы состава метагидроксидов бора (III), марганца (VII), кальция, селена (VI), калия. Реакции дегидратации § 26 Реакции дегидратации. Соответствие между гидроксидами и оксидами Рекомендуется повторить, что такое оксид (§20, 23), гидроксид (§ 25), уравнение реакции (§ 18), что такое реакция разложения (§17 и лабораторные опыты к §19), а также приёмы нагревания пробирок (§ 2 и лабораторные опыты к §19). Из курса математики вспомните, что такое чётные и нечётные числа. — Напишите формулу состава и графическую формулу оксида серебра. — При нагревании оксид серебра разлагается. Напишите уравнение реакции. — Напишите формулу состава и графическую формулу гидроксида кальция. — Как нужно нагревать пробирку? — Назовите первые четыре чётных числа. Оборудование. Сухое горючее с подложкой и крышкой (или спиртовка), спички, пробирки, фарфоровый стакан, держатель для прюбирок, ёмкость с дистиллированной водой, защитные очки. Реактивы. Борная кислота Н3ВО3, сульфат меди CUSO4, раствор гидроксида натрия NaOH. В предыдущем параграфе мы познакомились с новым классом соединений — гидроксидами, в составе которых обязательно есть водород, кислород и центральный элемент, причём водород входит в состав гидроксильных групп -ОН. При этом было упомянуто, что между гидроксидами и оксидами существуют некие «родственные» взаимосвязи. Остановимся на этом вопросе подробнее. Почти все гидроксиды при нагревании разлагаются на воду и оксид. Такая реакция называется реакцией дегидратации (латинская частица de указывает на удаление чего-либо, «гидрос» по-гречески — вода). Дегидратация — реакция разложения гидроксида на воду и оксид. опыт 26.1. Дегидратация борной кислоты. В пробирку (на 0,5-1 см по высоте) насыпают борную кислоту Н3ВО3 — гидроксид бора. Нагревают. Как ведёт себя кислота при нагревании? Обратите внимание на конденсат, который оседает на стенках пробирки (рис. 61). Прогрейте его, чтобы он не стекал на раскалённую часть пробирки. По окончании реакции горячую пробирку ставят в фарфоровый стакан. Когда она остынет, в пробирку наливают воду. Д А Классы веществ и взаимосвязи между ними Рис. 61. Разложение борной кислоты Н3ВО3 при нагревании. Продукт разложения — оксид бора В2О3. Он частично возгоняется и оседает в верхней, более холодной части пробирки, выделяющаяся при разложении вода конденсируется ещё выще А А $ А в этой реакции вы наблюдали выделение паров воды, которые конденсировались в верхней части пробирки. Остаток после нагревания представляет собой белую массу, похожую на стекло; это оксид бора В2О3. ОПЫТ 26.2. Получение и дегидратация гидроксида меди (II). Гидроксид натрия NaOH — едкое вещество. Обращаться аккуратно, при попадании на кожу или одежду смыть струёй холодной воды и нейтрализовать раствором уксуса или борной кислоты. В пробирку насыпают несколько голубых кристалликов пятиводного сульфата меди CUSO4 • бНгО (медный купорос) и добавляют воду (1-2 см). Кристаллы растворяют. Добавляют несколько капель раствора гидроксида натрия NaOH. Выпадет голубой осадок гидроксида меди (II) Cu(OH)2i CUSO4 + 2NaOH = Na2S04 -f Cu(OH)2-i Полученный осадок нагревают. Что наблюдается? Д, При нагревании голубой гидроксид меди дегидратируется с образованием чёрного оксида СиО (см. цветной блок: рис. Ц-38). Мы провели две реакции дегидратации. А любую реакцию химик должен уметь записать в виде уравнения, поэтому перейдём к составлению уравнений реакций дегидратации. Важная особенность реакции дегидратации состоит в том, что в результате этой реакции валентности элементов не изменяются. Зная валентность центрального элемента в гидроксиде, легко установить формулу оксида, образующегося при дегидратации. Чтобы установить валентность центрального элемента в гидроксиде, можно воспользоваться одним из двух способов: графическим или аналитическим. По графическому способу следует написать графическую формулу гидроксида и сосчитать в ней число связей вокруг центрального элемента. В аналитическом способе «работают» с формулой состава и валентность центрального элемента рассчитывают как разность удвоенного (умножить на 2) Реакции дегидратации числа атомов кислорода и числа атомов водорода. Если все атомы кислорода содержатся в виде групп —ОН, то валентность центрального элемента равна числу этих групп. ПРИМЕР 26.1. В H2SO4 четыре атома кислорода и два атома водорода. Валентность серы равна VI: 4 • 2 — 2 = 6, В А1(ОН)з три группы —ОН. Валентность алюминия равна III, ЗАДАНИЕ 26.1. Определите валентность центрального элемента в соединениях Са(ОН)2, HNO3, H4Si04. Оксид, валентность центрального элемента в котором совпадает с его валентностью в гидроксиде, называется соответствующим оксидом. Поэтому для установления формулы соответствующего оксида следует определить валентность центрального элемента в гидроксиде и по алгоритму (с. 116) составить формулу оксида. ПРИМЕР 26.2. Серной кислоте H2SO4 {валентность серы равна VI) соответствует оксид SO3. ЗАДАНИЕ 26.2. Определите формулы оксидов, соответствующих гидроксидам Са(ОН)2, HNO3, H4Si04. В результате дегидратации гидроксидов образуются соответствующие оксиды и вода. Этой информации в принципе достаточно, чтобы составить уравнение реакции дегидратации, однако важно помнить, что число атомов водорода в молекуле воды чётное, поэтому слева от знака равенства число атомов водорода тоже должно быть чётным. ЗАДАНИЕ 26.3. Напишите уравнения реакции дегидратации соединений: Ее(ОН)з, Н2СО3, H4Si04. БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Белый порошок, растворимый в воде. При нагревании дегидратируется сначала до метаборной кислоты НВО2, затем—до оксида бора В2О3. Как и все соединения бора окрашивает пламя в зелёный цвет. Оксид бора термически устойчив, поэтому борную кислоту и её соли иногда используют как огнестойкую пропитку. Антисептик, продаётся в аптеках. Используют для травли тараканов и других насекомых; поскольку это вещество вызывает обезвоживание организма, в обработанном против насекомых помещении не должно быть источников воды. В небольших количествах бор необходим растениям — его вносят в землю как микроудобрение. Класс: кислоты Н3ВО3 Номенклатурное название: ортоборная кислота. Тривиальное название: борная кислота Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 6. Алгоритм составления уравнений реакций дегидратации Задача. Написать уравнения реакций дегидратации борной кислоты Н3ВО3 и гидроксида меди Си(0Н)2. Шаг Н3ВО3 Cu(OH)2 1. Написать формулу исходного гидроксида, оставляя место для коэффициента. После формулы поставить знак равенства Н3ВО3 = Cu(OH)2 = 2. После знака « = » записать формулу воды Н2О (продукта, который обязательно образуется при реакции дегидратации). Поставить знак «-f» и оставить место для формулы оксида Н3ВО3 = = Н2О + Cu(OH)2 = = H2O + 3. Определить формулу образующегося оксида: а) определить валентность центрального элемента в гидроксиде (с. 149). Валентность бора в Н3ВО3 равна 2-3-3 = 3 Валентность меди в Cu(OH)2 равна 2-2-2 = 2 б) зная валентность центрального атома, написать формулу оксида (с. 116) В2О3 CuO 4. Записать формулу оксида после знака «+» в правой части уравнений _НзВОз = = H2O-I- В2О3 _Cu(OH)2 = = Н2О+ CuO 5. Если в формуле гидроксида число атомов водорода нечётное, то перед ней поставить коэффициент 2, если чётное — 1 (т. е. ничего не ставить) 2Н3ВО3 = = H20-f В2О3 Cu(OH)2 = = H2O ~b CuO 6. Определить коэффициент перед формулой воды. Для этого суммарное число атомов водорода слева разделить на 2 2НЗВОЗ = = H20-I- В203 2-3 = 6 6:2 = 3 2Н3ВО3 = = ЗН2О + В2О3 Cu(OH)2 = = H2O+ CuO 1-2 = 2 2 • 2 = 1 Cu(OH)2 = H2O + CuO 7. Коэффициент перед формулой оксида всегда равен 1 2Н3ВО3 = = ЗН2О -f В2О3 Cu(OH)2 = = H2O -f- CuO Реакции дегидратации Алгоритм 6. Окончание Шаг Н3ВО3 Си(ОН)2 8. Проверить, уравнена ли реакция (число атомов каждого элемента слева и справа должно быть одинаковым). Если нет — искать ошибку В: 2 = 2 слева справа Н: 2 • 3 = 3-2 слева справа 0: 2-3 = 3-1 -ьЗ слева справа Реакция уравнена по всем элементам Си: 1 = 1 слева справа Н: 2 1= 1-2 слева справа 0: 2 1 = 1-1-1 слева справа Реакция уравнена по всем элементам Контрольные вопросы 26.1. Что такое реакция дегидратации? Какие вещества вступают в эту реакцию и какие вещества образуются в результате реакции? 26.2. Что такое соответствующий оксид? В чем заключается соответствие между оксидом и гидроксидом? Задание на дом 26.1. Напишите формулы соответствующих оксидов для гидроксидов: Дд Н3РО4, Са(ОН)2, А1(ОН)з, HCIO4. 26.2. Напишите реакции дегидратации соединений: Mg(OH)2, НМПО4, H5IO6. Ресурсы Видеоматериалы • Химические свойства нерастворимых оснований, http://school-collection.edu.ru • Разложение гидроксида меди, http://school-collection.edu.ru, в строке поиска ввести «свойства нерастворимых оснований» http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook, запись от 18-05-2008 17:46 • Дегидратация борной кислоты, http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook, запись от 27-04-2008 19:33 Классы веществ и взаимосвязи между ними Q § 27 Реакции гидратации. Гидроксиды, соответствующие оксидам Рекомендуется повторить, что такое оксид (§§20, 23), гидроксид (§ 25), уравнение реакции (§ 18), реакция дегидратации (§ 26), что такое продукты и реагенты реакции (§17) и что такое реакция соединения (§ l^). — Какой оксид соответствует серной кислоте H2SO4? — Напишите уравнение реакции дегидратации НМПО4. Назовите продукты этой реакции. — Приведите пример реакции соединения. Оксиды можно получить при разложении гидроксидов. Однако при некоторых условиях возможна и обратная реакция — соединение оксида с водой с образованием гидроксида. Реакция гидратации — реакция соединения оксида с водой, в результате чего получается гидроксид. В реакцию гидратации легко вступают, например, оксид фосфора Р2О5 и оксид кальция СаО: Р2О5 -f Н2О = 2НРО3 СаО -Ь Н2О = Са(ОН)2 Эти оксиды поглощают даже ту воду, которая в виде паров находится в воздухе вокруг нас. О таких веществах говорят, что они гигроскопичные. Их следует хранить в условиях тщательной изоляции от атмосферного воздуха. Гигроскопичные вещества — вещества, поглощающие влагу из воздуха. Гигроскопичность этих оксидов как полезное свойство часто используют для удаления воды (осушения) из воздуха и из разных веществ (путём непосредственного контакта или чаще путём поглощения водяного пара из закрытого пространства). Реакция гидратации — обратная для реакции дегидратации, т. е. продукты реакции гидратации являются реагентами реакции дегидратации (и наоборот). Нагревание способствует дегидратации, а охлаждение, наоборот, гидратации. Происходит ли изменение валентностей элементов при реакции гидратации? Как и в реакции дегидратации, в реакции гидратации валентности элементов не изменяются. Поэтому при гидратации из Реакции гидратации оксида образуется соответствующий гидроксид, где валентность центрального элемента совпадает с его валентностью в оксиде (причём прежде всего происходит образование метагидроксида, содержащего наименьшее при данной валентности число гидроксильных групп —ОН). ЗАДАНИЕ 27.1. Напишите формулы состава гидроксидов, соответствующих оксидам СаО, AI2O3, СгОз, МП2О7. ЗАДАНИЕ 27.2. Напишите уравнения реакции гидратации оксидов СаО, CI2O7. Итак, реакции гидратации и дегидратации — обратные процессы. Какие вещества и при каких условиях вступают в реакцию гидратации, а какие — дегидратации? Некоторые оксиды (например, Р2О5) реагируют с водой бурно, а разложить соответствующий гидроксид невозможно. Другие оксиды (щелочноземельных металлов и бора) гидратируются с выделением тепла при комнатной температуры, но образуются из гидроксидов при нагревании: СаО + Н2О = Са(ОН)2 -f Q; Са(ОН)2 СаО + Н2О. Оксиды переходных металлов вовсе не реагируют с водой. Их гидроксиды получают косвенным путём, и при нагревании они легко дегидратируются. И наконец, гидроксиды, соответствующие Ag20, HgO, СО2 и SO2, дегидратируются в момент образования даже при комнатной температуре. ЗАДАНИЕ 27.3. Идут ли реакции? Если да, закончите и уравняйте их. Если нет — после реагентов поставьте перечёркнутый знак равенства (7^). а) СиО + Н2О б) СЮз + Н2О в) N2O5 + Н2О г) Ag20 + Н2О д) ВаО + Н2О е) Mg(OH)2 А ж) Ее(ОН)з А з) NaOH А и) Н3РО4 А к) НЮз А Контрольные вопросы 27.1. Что такое реакция гидратации? Какие вещества вступают в эту реакцию и какие вещества получаются в результате? 27.2. Что означает соответствие оксида и гидроксида? 27.3. Что такое гигроскопичный оксид? 27.4. Какой оксид наиболее гигроскопичный? Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 7. Алгоритм составления уравнений реакций гидратации Задача. Написать уравнения реакций гидратации оксидов и Р2О5. SO3 Шаг SO3 Р2О5 1. Написать формулы реагентов — оксида и воды, поставить между ними знак оставить место для коэффициентов. Поставить знак «=* SO3 Н2О = Р2О5 + Н2О = 2. Определить формулу образующегося гидроксида: а) определить валентность центрального элемента в оксиде (с. 115); б) составить формулу гидроксида (с. 145) SO3: валентность серы VI H2SO4 Р2О5: валентность фосфора V НРОз 3. Записать схемы реакции. Для этого после знака *=* (шаг 1) написать формулу оксида, найденную на шаге 2 _80з -f-_H20 -^_H2S04 _Р205-Ь_Н20->НР0з 4. Уравнять реакцию по центральному элементу, учитывая коэффициент перед формулой гидроксида S: SO3 -Ь _Н20 = H2SO4 Р: Р205 + _Н20 = 2НР0з 5. Уравнять реакцию по водороду Н: SO3 + Н2О = H2SO4 Н: Р2О5 + Н2О = 2НРОз 6. Проверить, уравнена ли реакция (посчитать число атомов каждого элемента слева и справа). Если нет — искать ошибку S: 1 = 1 слева справа Н: 1 • 2 = 1-2 слева справа О: 3 -Ь 1 = 4 слева справа Уравнено по всем элементам Р: 2 = 2 слева справа Н: 1-2 = 21 слева справа О; 5 + 1 = 2-3 слева справа Уравнено по всем элементам Кислоты и основания. Индикаторы Задание на дом 27.1. Напишите формулы гидроксидов, соответствующих оксидам ГегОз, Na20, SO2. 27.2. Напишите реакции гидратации оксидов: ЫгО, CI2O7, ВаО, В2О3. Насколько бурно протекают эти реакции? 27.3. Гашёной известью называют гидроксид кальция Са(ОН)2. Его получают при взаимодействии жжёной извести с водой. Что представляет собой жжёная известь? Напишите уравнение реакции гашения извести. 27.4* Какие из оксидов не вступают в реакцию гидратации: ЕегОз, КазО, SO3, Ag20? 27.5* Напишите уравнение реакции, по которой можно получить оксид хлора (VII) CI2O7 из хлорной кислоты HCIO4. Использовать нагревание нельзя, так как при этом CI2O7 взрывается. Ресурсы Видеоматериалы • Взаимодействие оксидов с водой, http://school-collection.edu.ru • Взаимодействие оксида кальция с водой, http://WWW.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v002.html • Взаимодействие оксида серы с водой, http://www.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v006.html Тренажеры электронные • Модуль «Тренажёр „Классификация оксидов‘4, http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Состав и классификация оксидов», http://fcior.edu.ru § 28 Кислоты и основания. Индикаторы Рекомендуется повторить, что такое элемент и формула состава (§ 11), валентность (§ 16), гидроксид (§ 25), какие элементы относятся к металлам, какие — к неметаллам (§15). — Напишите графическую формулу серной кислоты H2SO4 и укажите валентность серы. — Какие из перечисленных элементов относятся к металлам: Na, Cl, Fe, S? — Что такое щелочные металлы (§ 15)? Гидроксиды можно разделить на две большие группы: кислоты и основания. Типичные кислоты и основания — едкие и очень реакционноспособные веш;ества. Они разъедают кожу, ткани и реагируют в обычных условиях со многими металлами. Химические О Классы веществ и взаимосвязи между ними свойства кислот и основании в чем-то противоположны, и они способны реагировать друг с другом. Гидроксиды одно- и двухвалентных металлов — основания. Гидроксиды неметаллов, а также V, VI и Vll-валентных металлов — кислоты. К основаниям относятся почти все гидроксиды одно- и двухвалентных и некоторые гидроксиды трёхвалентных металлов. Типичные основания — гидроксид натрия NaOH и гидроксид кальция Са(ОН)2- Гидроксиды щелочных металлов называют щелочами. К кислотам относятся гидроксиды неметаллов, а также пяти-и более валентных металлов. Типичная кис.тота — серная (H2SO4), представляющая собой метагидроксид серы. Кроме того, существуют кислоты, в молекуле которых нет атомов кислорода (они называются бескислородными кислотами): HF, НС1, НВг, HI и H2S. Существуют и другие кислоты, не соответствующие нашему определению гидроксида (§ 25), например, уже знакомая вам уксусная кислота СН3СООН. ЗАДАНИЕ 28.1. Какие из гидроксидов кислоты, а какие — основания: гидроксид натрия, гидроксид хлора (VII), гидроксид хрома (VI)? В формуле состава основания сначала записывают символ металла, а затем — группы ОН (например, Са(ОН)2). В формулах состава кислот сначала записывают водород, затем — центральный элемент, а под конец — кислород (например, H2SO4). Такая форма записи позволяет сразу отличать кислоту от основания. Если от формулы кислоты «оторвать» водород, то получится кислотный остаток. Если формула состава гидроксида начинается с водорода, то это кислота. Типичные кислоты: HCI, H2SO4. Если формула состава гидроксида заканчивается группами —ОН, то это основание. Типичные основания: NaOH (щёлочь), КОН (щёлочь), Са(ОН)2. Кислотный остаток имеет формулу состава кислоты без символов водорода. ПРИМЕР 28.1. В серной кислоте H2SO4 кислотный остаток — SO4. ЗАДАНИЕ 28.2. Назовите кислотный остаток в азотной кислоте HNO3, в угольной кислоте Н2СО3, в фосфорной кислоте Н3РО4. Кислоты и основания. Индикаторы Число атомов водорода в формуле кислоты называется основностью кислоты, а число групп —ОН в молекуле основания — кислотностью основания. ПРИМЕР 28.2. В формуле H2SO4 два атома водорода — двухосновная кислота. В формуле Са(ОН)2 две ОИ-группы — двухкислотное осно- вание. ЗАДАНИЕ 28.3. Какова основность азотной кислоты HNO3? Угольной кислоты Н2СО3? Фосфорной кислоты Н3РО4? Какова кислотность КОН? Mg(OH)2? А1(ОН)з? Класс: основания NaOH Номенкла турное название: гидроксид натрия. Тривиальное название: каустическая сода, едкий натр, каустик БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Белое гигроскопичное вещество; ^пл = 320 °С. Очень хорошо растворимо в воде (растворение протекает с сильным разогреванием). Чтобы замедлить его реакцию с влагой и углекислым газом воздуха, NaOH выпускают в виде гранул, которые получаются при застывании капель расплава. Сильное основание. Реагирует со всеми кислотами и с некоторыми оксидами (они называются кислотными). При хранении в неплотно закрытой ёмкости гранулы частично расплываются, а частично покрываются белёсым налётом карбоната натрия (происходит реакция с углекислым газом воздуха): 2NaOH + СО2 = КазСОз + Н2О Разъедает стекло, реагируя с его главным компонентом — оксидом кремния Si02: 2NaOH + Si02 = Na2Si03 + H2O Поэтому его хранят в пластиковых емкостях. Используется в промышленности для очистки технических масел от кислот, для синтеза различных солей натрия и органических соединений, в качестве электролита в щелочных аккумуляторах. Входит в состав чистящих средств для сантехники и кафеля. Иногда под названием «каустик» продаётся для этой цели в хозяйственных магазинах. Разрывает химические связи в молекулах белка, из которых построены живые организмы, поэтому при попадании на кожу вызывает болезненные и долго не заживающие щелочные ожоги (сначала проникает глубоко под кожу, а потом проявляет своё действие). Растворы NaOH на ощупь напоминают мыло, поэтому, если при работе с ним на руках возникло мылкое ощущение, руки следует немедленно промыть водой или уксусом. Классы веществ и взаимосвязи между ними Кислотный остаток никогда не существует в свободном виде. Он обязательно с чем-нибудь связан, но в обычных химических реакциях (реакциях обмена) не изменяется. Можно говорить о валентности кислотного остатка: поскольку водород всегда одновалентен, то валентность равна числу атомов водорода в кислоте, т. е. основности кислоты. Валентность кислотного остатка равна числу атомов водорода в кислоте. ПРИМЕР 28.3. В формуле серной кислоты H2SO4 два атома водорода — кислотный остаток двухвалентен. ЗАДАНИЕ 28.4. Чему равна валентность кислотного остатка в HNO3? Н2СО3? Н3РО4? Обычно формулу состава кислотного остатка записывают в ионной форме (подробно про это вы узнаете при изучении темы «Ионная связь»). При этом в правом верхнем углу формулы кислотного остатка (в верхнем индексе) ставится знак минус « —», перед которым арабской цифрой (цифра 1 не пишется) указывают валентность кислотного остатка. ПРИМЕР 28.4. — это ионная форма кислотного остатка для серной кислоты — H2SO4. ЗАДАНИЕ 28.5. Чему равна валентность кислотных остатков: перхлората CIO4 ; сульфита SOg“; ацетата СНзСОО"? ЗАДАНИЕ 28.6. Напишите в ионной форме формулы остатков кислот: HNO3, Н2СО3, Н3РО4. Кислоты и основания можно различать с помощью индикаторов — веществ, имеющих разную окраску в зависимости от того, где они находятся: в кислоте, основании или воде. (Химики говорят: «В зависимости от кислотности среды».) Наиболее распространённые индикаторы — метиловый оранжевый, лакмус и фенолфталеин (см. табл. IV.2). Часто также используют универсальный индикатор, окраска которого плавно переходит от красной в кислой среде через жёлтую в нейтральной к синей в щелочной. Существуют и другие индикаторы. Формулы индикаторов весьма сложны, и обычно их распознают по названиям. Кислоты и основания. Индикаторы Таблица IV.2 Окраска некоторых индикаторов в разных средах (см. цветной блок: рис. Ц-39-Ц-41) Индикатор Кислая среда Нейтральная среда Основная среда Метиловый оранжевый Красный Жёлтый или оранжевый ^ Жёлтый или оранжевый ^ Лакмус Розовый Лиловый Синий Фенолфталеин Бесцветный Бесцветный Малиновый Универсальный Красный Жёлтый Синий ^Цвет зависит от концентрации индикатора. Индикатор — вещество, изменяющее окраску при изменении кислотности среды. Контрольные вопросы 28.1. Какие гидроксиды относятся к основаниям? 28.2. Какие гидроксиды относятся к кислотам? 28.3. Что такое кислотный остаток? Как определить его валентность? 28.4. Что такое индикатор? Задание на дом основания: HNO3, СГ2О3, НС1, Са(ОН)2, 28.1. Ук£1жите кислоты Са(С104)2, Н3РО4. 28.2. Напишите формулы кислотных остатков и укажите их валентность: НВг, H2SO3, HCIO4, Н3РО4, Н4Р2О7. Ресурсы Видеоматериалы • Действие кислот на индикаторы, http://school-collection.edu.ru • Действие щелочей на индикаторы, http://school-collection.edu.ru • Распознавание растворов щёлочи, кислоты и воды с помощью индикаторов (практическая работа), http://school-collection.edu.ru • Химические свойства оснований, http://school-collection.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Оксиды“», http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Классификация кислот“*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Классификация оснований‘4, http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Химические формулы кислот», http://fcior.edu.ru • Модуль «Состав и классификация кислот», http://fcior.edu.ru • Модуль «Состав и классификация оснований», http://fcior.edu.ru • Модуль «Химические формулы кислот», http://fcior.edu.ru • Модуль «Химические формулы оснований», http://fcior.edu.ru О Классы веществ и взаимосвязи между ними Q практическая работа № 6 ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ИНДИКАТОРОВ Рекомендуется повторить, что такое кислота и основание (§28). — Укажите кислоты и основания: НС1, NaCl, NaOH, H2SO4, CaS04, Са(ОН)2. — Какие индикаторы вы знаете? — Что вы ожидаете увидеть, капнув раствор лакмуса в соляную кислоту? В раствор гидроксида натрия? Задачи 1. У вас есть индикаторы (вещества, окраска которых зависит от кислотности среды) метиловый оранжевый, лакмус, фенолфталеин и полоски универсальной индикаторной бумаги, растворы кислот, оснований и вода. Требуется определить цвет каждого индикатора в различных средах. 2. Вам выданы три пронумерованных пробирки (№1,2,3). В них могут быть разные растворы: раствор кислоты, раствор основания или вода; какие-то реактивы могут повторяться, каких-то может не быть вовсе. Требуется определить, какой раствор находится в каждой пробирке, используя индикаторы. Оборудование. Пробирки, стеклянная палочка, фильтровальная бумага, промывалка с дистиллированной водой, ёмкость для слива. Реактивы. Растворы НС1, NaOH, метилового оранжевого, лакмуса, фенолфталеина (можно использовать и другие индикаторы), а также полоски универсальной индикаторной бумаги. Ход работы. В две пробирки наливают растворы кислот, в третью — воду, а в четвёртую и пятую — основания. В каждую пробирку капают раствор одного и того же индикатора. Записывают изменившийся цвет индикатора. Повторяют опыт с другими индикаторами. Для исследования свойств индикаторной бумаги отрывают полоску универсальной индикаторной бумаги. Кладут полоску бумаги и наносят на неё каплю раствора с помощью стеклянной палочки, которую вытирают бумажной салфеткой. Выбирают, какой индикатор (или группу индикаторов) лучше всего использовать, чтобы различить кислоту, воду и основание. Из пронумерованных пробирок отливают пробы и добавляют в них выбранный индикатор. По окраске индикатора определяют, что находится в растворе. Отчёт. Оформляют в лабораторном журнале в виде двух таблиц. В первой записывают результаты исследования свойств индикаторов — окраску индикаторов в различных средах — после чего делЕпот вывод о том, какой индикатор лучше выбрать. Соли Во второй таблице указывают номер пробы и цвет индикатора. В выводе записывают, содержится ли в данной пробе кислота, основание или вода. Домашний эксперимент Изменение окраски природных индикаторов в различных средах Очень многие природные красители могут быть использованы в качестве индикаторов: красители группы лакмуса (определяюгцие розовую и голубую окраску различных цветов) и антоцианиды, придающие розовую, бордовую или синюю окраску различным фруктам, сокам, листьям краснокочанной капусты, чаю «Каркадэ» и некоторым другим напиткам. Вы можете наблюдать, как изменится окраска этих веществ в разных средах (соки, чаи, ягодные варенья или компоты; см. цветной блок: рис. Ц-42). Исследуемые жидкости надо наливать небольшими порциями и капать в них растворы индикаторов. Для создания кислой среды можно добавлять столовый уксус СН3СООН или лимонный сок. Нейтральную (вернее, слабощелочную) среду создают с помощью питьевой соды КаНСОз. Для создания щелочной среды добавляют нашатырный спирт (водный раствор аммиака NH3; его можно найти в домашней аптечке или купить в аптеке) или стиральную соду МазСОз. Раствор МазСОз можно получить, прокипятив раствор питьевой соды: 2NaHC03 МагСОз -Ь Н2О + СОгТ Сильнощелочную среду можно создать, добавив жидкость для чистки сантехники, если в её состав (указан на этикетке) входит гидроксид натрия (каустическая сода). § 29 Соли Рекомендуется повторить, что такое кислота и кислотный остаток (§ 28), валентность (§ 16), кэжие элементы относятся к металлам (§ 15), алгоритм составления формул состава оксидов по общей формуле (алгоритм 2 на с. 116), как определять валентности элементов по таблице Менделеева (§21) и как определить валентность кислотного остатка по формуле кислоты (§ 28). — Напишите формулы и укажите валентность остатков следующих кислот: HNO3, H2SO4, Н3РО4. — Укажите металлы: Na, Са, S, А1, С1, Fe. — Какова валентность водорода? Группы -ОН? Na, Са, А1? — Составьте формулу оксида алюминия. Какие ещё вещества могут содержать кислотные остатки? В первую очередь это соли (их формулы, например CUSO4, мы встречали, когда проводили практические работы или лаборатор- Q Классы веществ и взаимосвязи между ними ные опыты). Формулу соли легко получить, если в формуле кислоты заменить водород на металл. Соль — это вещество, состоящее из металла и кислотного остатка. ПРИМЕР 29.1. Соли: NaNOs, Ca(N03)2, А12(804)з, NaCl. Не соли: H2SO4, NaOH, CuO, PCI3. ЗАДАНИЕ 29.1. Какие соединения относятся к солям: КС1, НС1, CUSO4, Ва(МОз)2, SO2CI2, SO3, СаСОз, Са(0Н)2? ЗАДАНИЕ 29.2. От каких кислот образованы соли: Ва(МОз)2; Ка2СОз; Саз(Р04)2? Как узнать, какие соли может образовать кислота с данным металлом? Достаточно определить валентность металла и кислотного остатка, после чего составить формулу соли (алгоритмы 8 и 9). Валентность металла определяют по таблице Менделеева (§21), причём не надо забывать, что металлы в солях обычно не проявляют валентность выше III. Валентность кислотного остатка определяют по формуле кислоты (§ 28). Если валентность кислотного остатка известна (например, записана формула кислотного остатка в ионной форме), задача упрощается. ЗАДАНИЕ 29.3. Напишите формулы солей, в которые входят Na и РО^"; Са и СНзСОО"; Fe(III) и SO^“. БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Белый порошок. Растворяется в воде, раствор сильнощелочной. Под действием кислот с шипением выделяет углекислый газ: 2НС1 -Ь Ма2СОз = Н2О + C02t+2NaCl Реагирует с водным раствором солей кальция или магния с образованием осадка: CaCl2 -t- Na2C03 = СаСОз ;-b2NaCl MgCl2 + КазСОз = MgC03;-h2NaCl Присутствие солей кальция и магния в воде мешает образованию мыльной пены. Для их удаления в стиральные порошки добавляют соду. Соду используют в стекловарении и в ряде химических синтезов. Её мировое производство в 2002 г. составило 38 млн т. Длительное воздействие растворов соды на нашу кожу приводит к появлению трещин и раздражению. Попадание растворов соды на слизистые оболочки (в рот, нос и т. п.) может привести к щелочному ожогу. Класс: соли МазСОз Номенкла турное название: карбонат натрия. Тривиальное название: стиральная сода, кальцинированная сода Соли Названия кислот и кислотных остатков и соответствующие кислотам оксиды Таблица IV.3 Кислота Кислотный остаток Соответс- твующий оксид Формула Название Формула Ватент- ность Название HF Фтороводород, или плавиковая кислота F" I Фторид — НС1 Хлороводород, или соляная кислота СГ I Хлорид — НВг Бромоводород Вг“ I Бромид — HI Иодоводород 1“ I Иодид — HNO3 Азотная кислота NO3- I Нитрат N205 СН3СООН Уксусная кислота СНзСОО“ I Ацетат — H2S Сероводород 8^" II Сульфид — H2SO3 Сернистая кислота ^ 80^ II Сульфит 802 H2SO4 Серная кислота SQ2- II Сульфат 80з Н2СО3 Угольная кислота^ СО^ II Карбонат СО2 Н3РО4 Ортофосфорная кислота РО^- III Фосфат Р2О5 свободном виде сернистая и угольная кислоты не существуют, так как распадаются на воду и соответствующий оксид. ЗАДАНИЕ 29.4. Напишите формулы солей, содержащих а) кальций и остаток серной кислоты H2SO4; б) свинец (II) и остаток соляной кислоты НС1; в) хром (III) и остаток фосфорной кислоты Н3РО4; г) барий и остаток фосфорной кислоты Н3РО4. Название солей состоит из двух слов: первое слово — название кислотного остатка (табл. IV.3); второе — русское название металла в родительном падеже. Корень названия кислотного остатка всегда состоит из латинского названия элемента. Если остаток содержит один элемент, то название заканчивается суффиксом -ид (сульфид S^“). Для центрального элемента в высшей валентности название заканчивается суффиксом -am (сульфат 804“). Если металл может иметь несколько валентностей, после его названия в скобках римской цифрой указывается валентность (см. цветной блок: рис. Ц-43). Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 8. Алгоритм составления формулы соли, если известна формула кислоты Задача. Написать формулы солей алюминия и серной кислоты (а) и кальция и серной кислоты (б). Шаг а б 1. Определить кислотный остаток и его валентность (по числу атомов водорода в кислоте) H2SO4—остаток SO4, его валентность II H2SO4—остаток SO4, его валентность II 2. Определить валентность металла А1 — элемент III группы таблицы Менделеева: валентность III Са — элемент II группы таблицы Менделеева: валентность II 3. Написать символ металла и формулу кислотного остатка А1 SO4 Са SO4 4. Проставить над символами металла и кислотного остатка их валентности III II А1 SO4 II II Са SO4 5. Перенести валентности по диагонали в виде индексов Са2^!^^^04^2 6. Разделить индексы при металле и кислотном остатке на наибольший общий делитель А12(804)з CaS04 Алгоритм 9. Алгоритм составления формулы соли по ионной форме кислотного остатка Задача. Написать формулу соли, образованной магнием и N07. 1. Определить валентность кислотного остатка NO3 —валентность I 2—6. Повторить шаги 2—6 предыдущего алгоритма Mg — валентность II. Mg(N03)2 Соли ПРИМЕР 29.2. Сульфат натрия Na2S04; фосфат железа (III) FeP04; нитрат алюминия А1(КОз)з. Чтобы составить формулу по названию соли, нужно в первую очередь написать формулу кислотного остатка и далее действовать по алгоритмам, описанным выше. ЗАДАНИЕ 29.5. Заполните таблицу. О Название Формула Хлорид натрия Сульфат железа (III) Ортосиликат магния Ацетат никеля (II) Карбонат лития Сульфид марганца (II) К3РО4 РЬЗОз СГ2 (804)3 Со(МОз)2 РеЕз ЗАДАНИЕ 29.6. Составьте графические формулы солей: СаВгг, NaC104, ЫзР04, Ва(МОз)2, А12(804)з* Имейте в виду, что кислотный остаток в солях такой же, как и в соответствующих кислотах. Назовите соли. Тренировочное задание. Названия соединений и их формулы Это задание лучше всего выполнять вдвоём: один читает название соединения, а напарник записывает формулу. Первый проверяет. Затем они меняются местами: второй диктует свои формулы, а первый называет соединение. Для тренировки в одиночку нужно закрыть листом бумаги одну колонку и оставить вторую. Читаете название соли — называете её формулу; сдвигаете лист и проверяете. Потом наоборот: читаете формулу — говорите название; проверяете. Классы веществ и взаимосвязи между ними Формула Название Формула Название NaCl Хлорид натрия ГеСОз Карбонат железа (II) KNO3 Нитрат калия Си(СНзСОО)2 Ацетат меди (II) Са1г Иодид кальция Н3РО4 Фосфорная кислота Ag3P04 Фосфат серебра СГ2(804)з Сульфат хрома (III) K2CO3 Карбонат калия Zn8 Сульфид цинка MgCla Хлорид магния Fe(OH)3 Гидроксид железа (III) №Вг2 Бромид никеля (II) Pb02 Оксид свинца (IV) NaOH Гидроксид натрия Cul Иодид меди (I) FeF3 Фторид железа (III) C0F2 Фторид кобальта (II) CaS04 Сульфат кальция Ag2C03 Карбонат серебра СЮ3 Оксид хрома (VI) HCl Хлороводород Сг28з Сульфид хрома (III) Pbl2 Иодид свинца (II) MgS03 Сульфит магния А1(КОз)з Нитрат алюминия AgCH3COO Ацетат серебра Ca(OH)2 Гидроксид кальция CaO Оксид кальция Сиз(Р04)2 Фосфат меди (II) РЬ(КОз)2 Нитрат свинца (II) KF Фторид калия Ba(C104)2 Перхлорат бария AgN03 Нитрат серебра Z11CO3 Карбонат цинка Al2(S04)3 Сульфат алюминия М1(СНзСОО)2 Ацетат никеля (II) Ag2803 Сульфит серебра HN03 Азотная кислота Cu8 Сульфид меди ВаСОз Карбонат бария Fe804 Сульфат железа (II) C0SO4 Сульфат кобальта Fe2 (804)3 Сульфат железа (III) Са810з Метасиликат кальция KI Иодид калия ZnCl2 Хлорид цинка AIPO4 Фосфат алюминия H2SO4 Серная кислота AI283 Сульфид алюминия Cu(OH)2 Гидроксид меди (II) C0F3 Фторид кобальта Ваз(Р04)2 Фосфат бария Fe203 Оксид железа (III) CrCl2 Хлорид хрома (II) МП8О4 Сульфат марганца (II) Ресурсы Электронные пособия • Модуль «Химические формулы солей», http://f cior.edu.ru 1 Соли Лабораторные опыты ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КИСЛОТ С МЕТАЛЛАМИ Рекомендуется повторить, что такое кислота (§28), какие элементы относятся к металлам и каковы признаки металлов (§ 15), признаки химических реакций (§ 5). Задачи 1. Описать взаимодействие кислот с металлами. 2. Расположить исследованные кислоты в порядке увеличения интенсивности реакции с металлами (в соответствии с силой кислот). 3. Расположить исследованные металлы в порядке увеличения интенсивности реакций с кислотами (в соответствии с активностью металлов). Оборудование. Пробирки или планшет для капельных реакций, штатив для пробирок, ёмкость для слива, промывалка с дистиллированной водой. Реактивы. Кислоты: соляная НС1, уксусная СН3СООН, ш;авелевая Н2С2О4 или фосфорная Н3РО4. Металлы: железо Fe, магний Mg, медь Си, цинк Zn. План работы. К металлам в пробирках (или лунках планшета) добавляют кислоты и записывают наблюдения. Ход работы. Если используют щавелевую кислоту, готовят в пробирке её раствор (1-2 см кислоты и 5-6 см воды). В четыре пробирки (или лунки) помещают четыре разных металла и приливают к ним одну и ту же кислоту. Записывают наблюдения, сравнивая, насколько бурно идёт реакция. Обратите внимание на температуру продуктов реакции! После записи наблюдений кислоту из пробирок аккуратно сливают с оставшегося металла (если он останется). Оставшиеся металлы несколько раз промывают дистиллированной водой (до прекращения видимых признаков реакции). В пробирки, где металл прореагировал полностью, добавляют новую порцию металла. К металлам приливают другую кислоту и опыт повторяют. После этого делают то же самое с третьей кислотой. Отчёт. В лабораторном журнале заполняют таблицу, в которой описывают свои наблюдения. HCl СН3СООН Н2С2О4 Fe Mg Си Zn Классы веществ и взаимосвязи между ними Заполнив таблицу, записывают символы этих металлов в ряд в порядке увеличения интенсивности реакции. Точно так же располагают кислоты. § 30 Взаимодействие кислот с металлами. Активность металлов и сила кислот Рекомендуется повторить, что такое кислота и кислотный остаток (§ 28), соль (§ 29), валентность (§ 16), уравнение реакции (§ 18), какие элементы относятся к металлам (§ 15); алгоритмы составления формул солей (8 и 9 на с. 164 и 164); что можно наблюдать при взаимодействии кислот с металлами (практическая работа 7). — Напишите формулу соли натрия и серной кислоты; нитрата алюминия. — Укажите металлы: Zn, Са, S, А1, С1, Fe. В предыдущем параграфе мы рассматривали соль как вещество, в котором металл заменил водород в формуле кислоты. А можно ли проделать в реальности то, что так просто сделать на бумаге? Можно, выполнив практическую работу «Взаимодействие кислот с металлами». Многие металлы действительно реагируют с кислотами с выделением водорода Н2 и образованием соли. I Металлы реагируют с кислотами с образованием водорода Н2 и соли. Какую формулу имеет соль, которая образуется при реакции кислоты с металлом? Здесь всё достаточно просто. Кислотный остаток в формуле кислоты сохраняется и в формуле соли. Что же касается металла, то при реакции с кислотой металлы побочных подгрупп приобретают, как правило, валентность II, а металлы главных подгрупп — высшую валентность, равную номеру группы; исключение олово и свинец — вгшентность II. ПРИМЕР 30.1. Какую формулу имеет соль, образующаяся при реакции цинка Zn с серной кислотой H2SO4? Решение. В серной кислоте два атома водорода, поэтому кислотный остаток SO4 двухвалентен. Элемент Zn — металл, находящийся в побочной подгруппе, следовательно, он двухвалентен. Формула соли ZnS04. ЗАДАНИЕ 30.1. Составьте формулы солей, которые образуются при реакции: а) соляной кислоты с алюминием; б) серной кислоты с марганцем. К какому типу реакций (§ 19) относятся реакции кислот с металлами? Взаимодействие кислот с металлами Как записать реакцию кислоты с металлом, если она идёт? Сначала нужно написать формулы исходных веществ (кислота + металл), затем — формулы продуктов: Нг t + формула образующейся соли, и, наконец, уравнять реакцию. ПРИ РЕАКЦИИ С КИСЛОТАМИ МЕТАЛЛЫ ПРИОБРЕТАЮТ • валентность II — металлы побочных подгрупп, а также олово Sn и свинец РЬ; • валентность, равную номеру группы, — металлы главных подгрупп I-III группы. I Алгоритм записи подобных реакций приведён на следующей странице. ПРИМЕР 30.2. Напишите уравнение реакции цинка с серной кислотой. Zn -(- H2SO4 ~ Н2Т 4"ZnS04 ЗАДАНИЕ 30.2. Напишите уравнения реакции цинка с соляной кислотой, натрия с уксусной кислотой, алюминия с серной кислотой. Реакции уравняйте. Чем сильнее кислота, тем интенсивнее она реагирует с металлами. Как же узнать, какие металлы с какими кислотами реагируют? Это зависит от свойств как кислоты, так и металла. Кислоты бывают сильными и слабыми. Чем сильнее кислота, тем интенсивнее она реагирует с металлами: металл растворяется, а из раствора бурно выделяется водород (мы наблюдали это в практической работе). Класс: металлы Zn Номенклатурное название: цинк БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Серебристо-белый металл, на воздухе покрывается голубоватым налётом из-за взаимодействия с кислородом и углекислым газом (см. цветной блок: рис. Ц-44). Весьма легкоплавкий (^пл = 420 °С). Активно реагирует с кислотами. Благодаря низкой стоимости металлического цинка взаимодействие цинка с кислотой (серной или соляной) используют для получения водорода в лаборатории. Более активный, чем железо, цинк при контакте с железом быстрее подвергается коррозии, не позволяя разрушаться железу. При этом покрывается плёнкой основного карбоната, которая защищает его от дальнейшей коррозии. По этой причине основная масса производимого цинка (а в 2002 г. его было произведено 9,6 млн т) идёт на покрытие стальных изделий с целью защиты их от коррозии (оцинкованное железо; см. цветной блок: рис. Ц-45). Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 10. Алгоритм составления уравнения химической реакции кислоты с металлом Задача. Написать уравнение химической реакции натрия с фосфорной кислотой. Шаг Пример 1. Написать формулы реагентов, между ними знак «+», оставить перед каждой формулой место для коэффициентов. Далее «=» Na -f Н3РО4 = Натрий и фосфорная кислота 2. Написать формулу Нг и знак «+» Na-b НзР04= H2t + 3. Установить формулу соли (алгоритм 8), которую образует кислота с металлом и записать её в уравнении Na -f Н3РО4 = НзТ -|-ПазР04 4. Если и металл, и кислотный остаток имеют нечётную валентность, перед формулой соли надо поставить коэффициент 2, иначе 1 Na(I) и РО^“—валентности нечётные, поэтому перед солью нужен коэффициент 2. _Па + _НзР04 = _H2t+2Na3P04 5. Поставить перед формулой металла слева коэффициент, равный общему числу атомов металла справа Справа: 2 • 3 = 6Na. Слева: перед Na поставить 6. 6Na + _НзР04 = _H2t+2Na3P04 6. Поставить перед формулой кислоты слева коэффициент, равный общему числу кислотных остатков справа Справа: 2-1 = 2 кислотных остатка. Слева: перед Н3РО4 поставить 2. 6Na + 2Н3РО4 _H2t+2Na3P04 7. Посчитать общее число атомов водорода слева, разделить это число на 2 и поставить коэффициент перед формулой Нг Слева: 2 • 3 = 6Н. 0 - = 3. Справа: перед Н2 поставить 3. 6Na+ 2Н3РО4 = 3H2t+2Na3P04 8. Проверить, уравнена ли реакция. Если нет — найти ошибку Na: 6 1= 2-3 слева справа Н: 2 - 3 = 2-3 слева справа Р: 2 1= 2 1 слева справа О: 2 • 4 = 2-4 слева справа Реакция уравнена по всем элементам Взаимодействие кислот с металлами К сильным кислотам относятся НС1, НВг, Ш, H2SO4 и некоторые другие. Нужно помнить, что HNO3 тоже сильная кислота, но при реакции с металлами она не образует водород, а получаются другие продукты (о которых вы узнаете в девятом классе). Фосфорная кислота Н3РО4 — кислота средней силы, HF и СН3СООН — слабые кислоты, Н3ВО3 и H2S — очень слабые кислоты. Все металлы можно расположить в ряд активности (самые активные металлы находятся слева, наименее активные — справа), который называют также рядом напряжений металлов (табл. IV.4). В этот же ряд включён водород, поскольку при реакциях с кислотами металлы вытесняют именно его. Рис. 62. Реакция кальция с водой Са “Ь 2Н2О — = Ca(OH)2-HH2t Металлы, находящиеся в ряду активности правее водорода, не вытесняют водород из кислот. Самые активные металлы (щелочные и щелочноземельные) вытесняют водород не только из кислот, но и из воды. Вода здесь выступает как одноосновная кислота НОН. В результате реакции образуется гидроксид металла (рис. 62): Са + 2НОН = Са(ОН)2 + Н2Т Поверхность некоторых активных металлов (в частности, алюминия и хрома) на воздухе покрывается тонкой оксидной плёнкой, и поэтому компактный металл (кусок) не реагирует с кислотами. Это явление называется пассивированием. Именно благодаря пассивированию можно готовить пищу в алюминиевых кастрюлях. Если разрушить оксидную плёнку, например, натерев поверхность алюминия ртутью (не вздумайте делать этот опыт самостоятельно!), металл начнёт вытеснять водород из воды. Благодаря пассивированию концентрированную серную кислоту можно перевозить в железных цистернах. А вот разбавленная серная кислота с железом реагирует! ЗАДАНИЕ 30.3. Какие металлы реагируют с сильными кислотами с выделением водорода, а какие — нет: Си, Fe, Mg, Au? Контрольные вопросы 30.1. Что образуется при взаимодействии кислоты с металлом? 30.2. Перечислите сильные кислоты? 30.3. Какие металлы не взаимодействуют даже с сильными кислотами? Классы веществ и взаимосвязи между ними Ряд активности металлов в водных растворах^ Таблица IV.4 Металл К Ва Са Na Mg А1 Мп Zn Сг Fe Со Ni Sn Pb Нз Си Hg Ag Pt Au Характе- ристика очень активные активные малоактивные негативные Вытесняет Нг из воды да нет нет нет Вытесняет Нз из слабых кислот да да нет нет Вытесняет Нз из сильных кислот да, иногда со взрывом да да нет других растворителях или в расплавах активность металлов может измениться. О Задание на дом 30.1. Напишите уравнения реакций. Если реакция не идёт, поставьте после формулы реагентов знак неравенства (/) а) Na + HCl б) Си + СН3СООН в) А1 + НВг г) Mg-ьСНзСООН д) Са + НзР04 Домашний эксперимент Взаимодействие алюминия с кислотами Возьмите алюминиевую проволоку, разломайте её на несколько кусочков и поместите эти кусочки на 1—2 дня в растворы доступных кислот: уксусной, лимонной и т. п. Что произойдёт за это время с проволокой? Аналогичный опыт можно проделать с кусками оцинкованного железа. Ресурсы Видеоматериалы • Взаимодействие кислот с металлами, http://school-collection.edu.ru • Реакция алюминия с соляной кислотой, http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook, запись от 18-05-2008 18:27. Водород • Взаимодействие щелочных металлов с водой, http://experiment.edu. та/attach/6/390.mov http://experiment.edu.ru/attach/6/391.mov http://experiment.edu. та/attach/6/393.mov http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook записи от 20-04-2008 15:16, 20-04-2008 15:15 • Взаимодействие щелочноземельных металлов с водой, http://blogs.mail.ru/community/chem-textbook, записи от 20-04-2008 16:45 и 20-04-2008 16:39 (первый ролик). • Взаимодействие алюминия с водой, http://experiment.edu. та/attach/6/399.mov http://www.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v012.html Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Химические свойства кислот‘4, http://fcior.edu.ru § 31 Водород Рекомендуется повторить темы «Горение» (§22) и «Классификация химических реакций» (§ 19); что образуется при взаимодействии кислот с металлами (§ 30), что можно наблюдать при этом (практическая работа X® 7); что означает -fQ в уравнении реакции (§17) и что такое валентность по водороду (§21). — Напишите уравнение реакции горения Нг. — Напишите уравнение реакции цинка с соляной кислотой. Что можно наблюдать при этой реакции? — Какова валентность по водороду хлора? Серы? ВОДОРОД Простое вещество Н2 Элемент Н • неметалл • газ без цвета и запаха • всегда • в 14,5 раза легче воздуха одновалентен • кипит при —253°С (20 К) • горит в кислороде (и на воздухе) Оборудование. Аппарат Кирюшкина, влажная тряпка, защитные очки, пробирка, спички, лучина, чашка для выпаривания, химический стакан (или кристаллизатор). Реактивы. Zn, 20%-я H2SO4, в которую добавлено немного CUSO4, мыльный раствор. В предыдущем параграфе вы узнали, что металлы реагируют с кислотами с выделением водорода. Чем же интересен этот бесцветный газ? Классы веществ и взаимосвязи между ними Рис. 63. Аппарат Кирюшкина. В пробирку кладут гргшулы металла, в воронку наливают раствор кислоты. Слева — на газоотводной трубке — зажим (или закрытый кран) и кислота «заперта» в воронке — реакция не идёт. Справа — зажим снят (кран открыт) и кислота вытекает из воронки на металл — реакция идёт. Если теперь надеть зажим (закрыть кран), выделяющийся газ вытолкнет кислоту обратно в воронку — реакция остановится 1 — воронка; 2 — раствор кислоты; 3 — пробка; 4 — пробирка; 5 — трубка; 6 — металл; 7 — подложка; 8 — отводной шланг (с зажимом или краном) Для получения водорода используют аппарат Кирюшкина (рис. 63) или аппарат Киппа (рис. 64). А опыт 31.1. Получение водорода. Снаряжают аппарат Кирюшкина. Для этого приподнимают пробку с воронкой и в образовавшийся зазор вносят 10-12 гранул цинка. Возврапдают пробку с воронкой обратно в пробирку и плотно закрывают пробирку пробкой. Закрывают кран (или зажим) на отводной трубке. Заливают в воронку на две трети высоты 20%-ю серную кислоту H2SO4 (осторожно] Едкое вещество]), к которой добавлено немного сульфата меди CUSO4 (катализатор для ускорения Рис. 64. Аппарат Киппа состоит из двух частей: верхней шарообразной воронки (1) и нижнего резервуара (2), разделённого перетяжкой пополам. Длинный конец шарообразной воронки (I) доходит почти до дна сосуда (2). Через боковое отверстие (4) загружают твёрдое вещество (например, цинк), которое удерживается в сосуде на специальном перфорированном диске (3). Боковое отверстие (4) закрывают резиновой пробкой с газоотводной трубкой с краном (6). При открытом кране через воронку (I) в прибор наливают кислоту (например, соляную) до тех пор, пока она не закроет цинк. Реакцию взаимодействия цинка с кислотой останавливают в любой момент, закрывая кран (в). Нижнее отверстие (5) закрыто пробкой и служит для сливания отработанной жидкости Водород Рис. 65. Взрыв дирижабля «Гин-денбург». Водород — лёгкий газ, поэтому его использовали для заполнения воздушных шаров, аэростатов и дирижаблей. Однако в 1937 г. из-за горючести водорода взорвался огромный дирижабль «Гинденбург», заполненный водородом. Это был самый большой в истории дирижаблестроения летательный аппарат. После этой катастрофы от наполнения дирижаблей водородом отказались реакции). Если пробка заткнута плотно и отводная трубка перекрыта, кислота в пробирку не поступает. Серная кислота — едкое вещество. Обращаться аккуратно, при попадании на кожу или одежду смыть струёй холодной воды и нейтрализовать раствором питьевой соды. Аккуратно открывают зажим (или кран). Кислота вытекает из воронки и попадает на металл — начнётся реакция. Зажим (или кран) на газоотводной трубке закрывают. Если всё сделано правильно, кислота выталкивается обратно в воронку. При этом через воронку может некоторое время выходить избыток газа. Д Водород — самый лёгкий газ, он в 14,5 раза легче воздуха. Поэтому его собирают в сосуд, перевёрнутый вверх дном. ОПЫТ 31.2. Водородные пузыри. Опыт проводят вдвоём, в защитных очках. А А в чашку для выпаривания наливают мыльный раствор и погружают в него отводную трубку. Вводят некоторое количество мыльного раствора в трубку. Теперь очень медленно открывают зажим (или кран). Весьма вероятно, что у вас сразу образуются мыльные пузыри, которые полетят вверх. Чтобы получить новую порцию пузырей, можно аккуратно опустить отводную трубку в мыльный раствор. Когда пузыри пойдут в большом количестве, второй участник команды должен находиться рядом. Он протыкает пузыри Классы веществ и взаимосвязи между ними Рис. 66. В самой мощной из всех запущенных до сих пор ракете-носителе «Энергия» реактивная тяга создаётся в реакции кислорода с водородом. При этом достигается максимальная тяга в расчёте на единицу массы горючего, однако для использования этих веществ в ракетах необходимы сложные технические решения, так как реагенты нужно специально удерживать в жидком состоянии А горящей лучиной. Чтобы остановить реакцию, перекрывают зажим (или кран), Поджигать лучину надо в стороне от лабораторного стола, где получают водород. Если пузыри получить не удаётся, но образуется мыльная пена, — её также можно проткнуть горящей лучиной. Д Поскольку водород легче воздуха, его собирают в перевёрнутые сосуды. Как вы уже убедились, водород горит в кислороде: 2Н2 + О2 — 2Н2О -Ь Q При этом образуется вода и выделяется большое количество энергии (рис. 66). Чистый водород сгорает бесцветным пламенем с лёгким свистом; водород, загрязнённый воздухом, — с хлопком. Смесь водорода с кислородом в соотношении 2 : 1 по объёму называется гремучим газом и взрывается при нагревании. В следующих двух опытах мы сравним горение чистого водорода и смеси водорода с воздухом. Для этого соберём водород в пробирку методом вытеснения воды и подожжём его. ОПЫТ 31.3. Горение водорода; демонстрационный. В химический стакан (или кристаллизатор) наливают воды на две трети высоты. Пробирку заполняют водой, зажимают горлышко пальцем и погружают в перевёрнутом виде в стакан так, чтобы не напустить в неё воздух. Вводят в стакан отводную трубку от аппарата Кирюшкина так, чтобы выход из трубки находился строго под горлышком пробирки. Открывают кран (зажим) аппарата Кирюшкина и направляют поток газа в пробирку. Когда пробирка запо.тнится кран закрывают. Водород Оборачивают пробирку мокрой тряпкой (на случай, если пробирка треснет), вынимают пробирку из воды (донышко строго вверх). Подносят к горлышку пробирки горяш;ую лучину. Какой звук издаёт взорвавшийся (сгоревший) водород в пробирке? Д Если собранный газ сгорел с лёгким свистом, это значит, что в аппарате Кирюшкина был чистый водород. ОПЫТ 31.4. Взрыв смеси водорода с воздухом. Повторяют предыдуш;ий опыт, но заполняют пробирку водой только наполовину (остаётся воздух). После поступления водорода в пробирку её вытаскивают из воды (держа донышком вверх), оборачивают мокрой тряпкой и подносят лучину. Какой звук? Д Свободный водород Нг весьма активно взаимодействует с другими веществами. При нагревании он может реагировать не только со свободным кислородом О2, но и отбирать кислород у оксидов малоактивных металлов, например, у меди: СиО + Нг А Си + Н2О Подобную реакцию используют в промышленности. В частности, так получают вольфрам, из которого делают спирали электрических лампочек: WO3 + ЗН2 W -Ь ЗН2О Водород горит не только в кислороде, но и во фторе F2 и хлоре CI2. При этом протекает реакция соединения и образуется соответствующий галогеноводород (галоген проявляет валентность по водороду, равную I): Н2 + CI2 ^ 2НС1 + Q С некоторыми хлоридами водород Н2 тоже реагирует «отбирая» у них хлор. Такую реакцию используют при промышленной очистке кремния: SiCU -Ь 2Н2 4НС1 Водород всегда одновалентен. При нагревании (иногда под давлением) водород реагирует и с другими неметаллами: бромом, серой, азотом, углеродом. Элементы в соединениях с водородом проявляют валентность, равную 8 минус номер соответствующей группы (так называемая валентность по водороду^ см. § 21). Сам водород при этом всегда одновалентен, поэтому число атомов водорода в соединении с неметаллами равно валентности элемента по водороду. А А Д Классы веществ и взаимосвязи между ними ПРИМЕР 31.1. Азот в соединении с водородом проявляет валентность 8 — 5 = 3. Формула соединения NH3. ЗАДАНИЕ 31.1. Какова валентность серы в соединении с водородом? ЗАДАНИЕ 31.2. Напишите формулу соединения серы с водородом. ЗАДАНИЕ 31.3. Напишите уравнение реакции серы с водородом. Под давлением водород способен реагировать со щелочными, щелочноземельными и некоторыми переходными элементами с образованием гидридов: 2Na -f- Н2 = 2NaH Валентность щелочных и щелочноземельных металлов в гидридах равна номеру группы. Гидрид магния MgH2 при нагревании разлагается на простые вещества. Поэтому гидрид магния предлагают использовать для хранения водорода. С платиной и палладием водород не реагирует, но очень хорошо в них растворяется. Водород благодаря малому размеру своих молекул легко проникает сквозь многие материалы (в частности, резину). В мире производится около 50 млн т водорода. Примерно треть этого количества идёт на производство аммиака NH3, значительная часть — на различные крупномасштабные синтезы органических соединений и превращение растительного масла в маргарин, гораздо меньше — на выделение простых веществ из оксидов или хлоридов. Лабораторные способы получения не годятся для промышленности, так как ни цинк, ни серная кислота в природе не встречаются. В промышленности водород получают из воды и природного газа (метана СН4) по реакции: СН4 + Н2О А СО + ЗН2 или при пропускании паров воды над раскалённым углем: С + Н2О = СО + На Водород можно получать из воды при пропускании через неё (вернее, через водные растворы некоторых солей) электрического тока. При этом вода разлагается — происходит процесс, обратный горению водорода: 2Н2О ^ 2Н2 -Н О2 Этот способ называется электролизом воды. Однако получать водород этим способом могут только страны, где есть дешёвая электроэнергия. Водород Контрольные вопросы 31.1. в чём уникальность физических свойств водорода как простого вещества? 31.2. Как получают водород в лаборатории? В промышленности? 31.3. Что такое «гидриды»? Задание на дом 31.1. Напишите уравнение реакции горения водорода. Что можно наблюдать (услышать) при этой реакции? 31.2. Напишите уравнения реакций водорода с веществами: Гг, МоОз, TiCU, С, Mg. 31.3. в сети Интернет найдите информацию о случаях крупных взрывов водорода. Почему это происходит? 31.4. Какие прюблемы возникают при транспортировании водорода? Найдите информацию из сети Интернет. О Ресурсы Видеоматериалы • Опыты с водородом, http://school-collection.edu.ru: Коллекции Предметные коллекции -)• Химия —> Неорганическая химия. Видеоопыты Водород. Кислоты Водород и его свойства. Дополнительные материалы • О дирижаблях, http://www.info.dolgopa.org/album/06\_ 17.htm • Модуль «Водород в природе», http://fcior.edu.ru Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Получение газов в химической лаборатории**», http://fcior.edu.ru Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Применение водорода***, http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Химические свойства водорода**», http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Способы получения водорода**», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Водород — простое вещество. Физические свойства водорода», http://fcior.edu.ru • Модуль «Получение и применение водорода», http://fcior.edu.ru Классы веществ и взаимосвязи между ними Q § 32 Реакция нейтрализации Рекомендуется повторить, как по формулам отличить кислоты и основания (§ 28), что такое реакция обмена (§ 19), что такое уравнения реакции (§ 18); как составлять формулы солей (§ 29); как определять валентность центрального элемента в гидроксиде (см. общие формулы на с. 145). — Укажите кислоты, основания и соли: СиО, Fe(OH)2, NaNOs, КОН, H2SO4. — Напишите формулу сульфата меди (II), нитрата кальция, хлорида алюминия. — Укажите центральный элемент и его валентность в гидроксидах: H2SO4, Ва(ОН)2. Какой из этих гидроксидов — кислота, а какой — основание? В § 28 вы узнали, что среди сложных веществ бывают кислоты и основания, что формулы состава кислот начинаются с водорода, а формулы состава оснований заканчиваются группами ОН. Было упомянуто, что кислоты и основания обладают противоположными свойствами и что они реагируют друг с другом. Настало время обсудить эту реакцию. ■мчммгг wrwwj у: ... д. . Кислота (почти любая) вступает в реакцию с основанием (почти любым) с образованием воды и соли. Эта реакция называется реакцией нейтрализации. Из двух очень реакционно-способных (едких) веществ (кислоты и основания) получаются два неагрессивных вещества (вода и соль), которые мы часто встречаем в быту. Реакция нейтрализации относится к реакциям обмена. Атом металла из основания занимает место атома водорода в кислоте, и образуется соль. Водород Н кислоты и группа -ОН основания соединяются, и образуется молекула воды Н2О. НА + МОН = НОН + МА В формуле соли, образующейся в результате реакции нейтрализации; ; • кислотный остаток берётся из остатка кислоты; • металл берётся из основания; • валентности металла и кислотного остатка сохраняются. ПРИМЕР 32.1. При взаимодействии NaOH и H2SO4 образуется соль Na2S04. Реакция нейтрализации ЗАДАНИЕ 32.1. Напишите формулу соли, которая образуется в результате реакции: а) HNO3 + NaOH; б) Н3РО4 + NaOH; в) HNO3 + Са(ОН)2; г) Н3РО4 + Са(ОН)2. Как уравнивать реакцию нейтрализации? Для этого нужно помнить, что при реакции нейтрализации одна молекула воды Н2О (другая запись — НОН) образуется из одного водорода Н кислоты и одной группы —ОН основания. Поэтому общее число атомов Н в молекулах кислоты должно быть равно общему числу групп —ОН в молекулах основания. При реакции нейтрализации н-о-н / из из кислоты основания ПРИМЕР 32.2. 2NaOH + H2SO4 = 2Н2О 4- Na2S04. Пояснение. Молекула H2SO4 содержит два атома водорода. Значит, на одну молекулу H2SO4 нужно две группы ОН, и при этом образуются две молекулы воды Н2О. Поскольку в молекуле NaOH одна ОН-группа, таких молекул требуется две. ЗАДАНИЕ 32.2. Составьте уравнения реакций и назовите образующиеся соли. 1. NaOH + HCl 2. H2S04 4-K0H 4. H2SO4 + Ре(ОН)з 5. Ре(ОН)з + ННОз 7. KOH + H2S 3. H2SO4 + HCI 6. Ва(ОН)2 + Н3РО4 ЗАДАНИЕ 32.3. Напишите уравнения реакций: а) гидроксид бария -Ь бромоводород; б) гидроксид хрома (III) -f- серная кислота; в) гидроксид свинца (II) -I- азотная кислота; г) гидроксид калия -Ь фосфорная кислота; д) гидроксид никеля (II) + иодоводород. О Контрольные вопросы 32.1. Какие вещества вступают в реакцию нейтрализации и какие получаются в результате? Задание на дом 32.1. Доделать задания 32.2 и 32.3. Ресурсы Видеоматериалы • Реакция нейтрализации, http://experiment.edu.ru/attach/6/338.mov Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 11. Алгоритм составления уравнений реакций нейтрализации Задача. Написать уравнение реакции между азотной кислотой HNO3 и гидроксидом кальция Са(0Н)2. Шаг Пример 1. Записать формулы реагентов через знак плюс «+», оставляя перед каждой место для коэффициентов, после чего поставить знак равенства « = » НКОз-Ь Са(ОН)2 = 2. После равенства «=» оставить место для коэффициента и написать формулу Н2О. Далее поставить плюс «-Ь» HNO3 -Ь Са(ОН)2 = = Н2О + 3. Определить формулу соли (алгоритм 10). Валентность металла равна числу групп -ОН в основании NO^, валентность I Са — валентность II Са(КОз)2 4. Записать в схему реакции формулу соли. Коэффициент перед ней всегда 1 HNO3 + Са(ОН)2 = = _Н20 + Са(МОз)2 5. Уравнять реакцию. Найти наименьшее общее кратное (НОК) между числом атомов водорода в кислоте и числом ОН-групп в основании 1 Н и 2 ОН: НОК = 2 6. НОК определяет коэффициент перед формулой воды HNO3 + Са(ОН)2 = = 2Н2О + Са(КОз)2 7. Поставить коэффициент перед формулой кислоты: он равен числу кислотных остатков (справа) в формуле соли Ca(N03)2 : 2NO3 2HNO3 -f _Са(ОН)2 = = 2Н2О + Са(МОз)2 8. Поставить коэффициент перед формулой основания. Он равен числу атомов металла в формуле соли Са(НОз)2 : 1Са 2HNO3 + Са(ОН)2 = = 2Н2О + Са(КОз)2 9. Проверить, уравнена ли реакция. Если нет — найти ошибку Н: 1-2 + 1- 2= 2-2 слева справа N: 2 1= 1-2 слева справа О: 2 • 3 + 1 • 2 = 2 • 1-Ь 3 • 2 слева справа Са: 1 (слева) = 1 (справа) Реакция уравнена по всем элементам Кислотные и основные оксиды § 33 Кислотные и основные оксиды. Обобщённая реакция нейтрализации Рекомендуется повторить темы «Реакция гидратации» (§27), «Реакция нейтрализации» (§ 32); что такое соответствующие оксиды и гидроксиды и как устанавливается соответствие (§ 26, 27); какие гидроксиды относятся к кислотам, а какие — к основаниям (§ 28). Вспомните, что такое наименьшее общее кратное (НОК). — Напишите реакцию гидратации (если она идёт) оксидов: СаО, SO3, СиО. — Напишите реакцию дегидратации гидроксидов: Са(ОН)г, Н2СО3. Какой из этих гидроксидов — кислота, какой — основание? — Какой оксид соответствует NaOH, Н3РО4? — Чему равно наименьшее общее кратное (НОК) чисел 2 и 3? 2 и 4? 4 и 6? Ранее (§ 27) была описана реакция гидратации, в которой гидроксид (кислота или основание) образуется из воды и оксида, причём существуют пары соответствующих оксидов или гидроксидов. Позже (§28) мы узнали, что одни гидроксиды — кислоты, а другие — основания. Оксиды, которые можно формально превратить в кислоты, присоединив к ним воду, называются кислотными оксидами, а оксиды, которые таким образом можно превратить в основания, — основными. Кислотный оксид — оксид, соответствующий кислоте. Основный оксид — оксид, соответствующий основанию. Кислотные оксиды — это оксиды неметаллов и металлов с валентностью V и более. Основные оксиды — это оксиды метгшлов с валентностью I, II и иногда с валентностью III. Оксиды одно- и двухвалентных металлов — основные оксиды. I Оксиды неметаллов, а также V, VI и Vll-валентных металлов — кислотные оксиды. ЗАДАНИЕ 33.1. Разделите оксиды на кислотные и основные: СаО, СО2, SO2, CI2O, МП2О7, Na20. Реакция нейтрализации происходит между кислотой и основанием — в результате образуется вода и соль. А могут ли здесь в роли кислоты или основания выступать кислотные или основные оксиды? Кислотные оксиды, как и кислоты, могут реагировать как с основными оксидами, так и с основаниями с образованием соли и воды (если в реакции участвует хотя бы один гидроксид). Валентности элементов при этом не изменяются. Такие реакции Q Классы веществ и взаимосвязи между ними называются обобщёнными реакциями нейтрализации. Нетрудно видеть, что реакция нейтрализации между кислотой и основанием — частный случай обобщённой реакции нейтрализации. Обобщённая реакция нейтрализации — реакция кислоты или кислотного оксида с основанием или основным оксидом, в результате которой образуется соль и, если хотя бы один из реагентов — гидроксид, вода. Для обобщённой реакции нейтрализации желательно, чтобы хотя бы один из реагентов был в растворе или расплаве. При контакте твёрдых веществ реакция между ними происходит только на поверхности, причём медленно и не до конца (если только в результате не образуется вода). Если один из реагентов — газ, а другой — твёрдое вещество, то образующаяся соль формирует рыхлый слой на поверхности, что не мешает реакции идти дальше. Именно поэтому углекислый газ, присутствующий в воздухе, — настоящий бич химика-неорганика. Он реагирует со всеми сильными основаниями (как в твёрдом виде, так и в растворе), находящимися в контакте с воздухом. В результате основание превращается в карбонат — вещество с совсем другими свойствами: 2NaOH + СО2 = МагСОз + HgO Поэтому основные оксиды и основания нужно надёжно изолировать от воздуха. ПРИМЕР 33.1. Обобщённые реакции нейтрализации • основный оксид + кислотный оксид: СаО + SO3 = CaS04 • основание -I- кислотный оксид: Са(ОН)2 + SO3 = CaS04 + Н2О • основный оксид -Ь кислота: СаО -1- H2SO4 = CaS04 + Н2О • основание + кислота: Са(ОН)2 + H2SO4 = CaS04 + 2Н2О ЗАДАНИЕ 33.2. Напишите уравнения реакций: а) SO2 + Na20 б) Н3РО4 -Ь ВаО в) МП2О7 -f КОН г) А1(ОН)з + НС1 д) CI2O + NaOH Кислотные и основные оксиды Алгоритм 12. Алгоритм составления уравнения обобщённой реакции нейтрализации Задача. Написать уравнения реакций Р2О5 и NaOH. Шаг Пример 1. Записать через знак плюс «+» формулы реа- _Рг05 + _NaOH = гентов, оставляя перед каждой место для ко- — эффициента. После них поставить знак ра- венства «=» 2. Если среди реагентов присутствует гидрок- _Рг05 -Ь _NaOH = СИД, после знака равенства оставить место = Н2О для коэффициентов, записать формулу воды и поставить знак плюс «-Ь» 3. Установить формулу соли, которая образуется: а) определить валентность металла по форму- NaOH — валент- ле его оксида или гидроксида; ность Na I б) определить валентность кислотного остат- РгОб соответствует ка по формуле кислоты. Если в реак- НзР04^; остаток от ции участвует кислотный оксид, то ва- РО^” соль ЫазР04 лентность определяют по формуле оксида 4. Формулу соли записать после знака «-*-» _Рг05 -f _NaOH = в уравнении реакции, оставив место для = Н2О -Ь КазР04 коэффициента 5. Уравнять реакцию по центральному элементу кислотного реагента: а) найти наименьшее общее кратное (НОК) В реагенте 2, между числом атомов этого элемента в продукте 1. в молекулах кислотного реагента и соли НОК = 2. (продукта); б) разделить НОК на число атомов централь- 2:2 = 1 ного элемента в молекуле реагента — коэф- Р2О5 -f _NaOH = фициент перед формулой соли (продукт); = Na3P04 -Ь Н2О в) разделить НОК на количество центрально- 1:2 = 2 го элемента в молекуле продукта — коэф- Р2О5 -f _NaOH = фициент перед продуктом = 2КазР04 + _Н20 6. Уравнять реакцию по металлу основного Р2О5 -f _NaOH = реагента: = 2КазР04 а) посчитать общее число атомов металла 2x3 = 6 справа от знака равенства; б) разделить полученное число на число ато- 6:1 = 6 мов металла в молекуле основного реаген- Pa Об -f 6NaOH = та — коэффициент перед формулой основ- = 2МазР04 + H2O ного реагента Классы веществ и взаимосвязи между ними Алгоритм 12. Окончание Шаг Пример 7. Уравнять реакцию по водороду: а) посчитать общее число атомов водорода в гидроксиде (слева); б) разделить полученное число на два — коэффициент перед формулой воды Р2О5 + 6NaOH = = 2МазР04 -Ь Н2О 6-1 = 6 6:2 = 3 Р2О5 -Ь 6NaOH = = 2МазР04 -f ЗН2О 8. Проверить, уравнена ли реакция. Если нет — найти ошибку Р: 2 • 1 = 1-2 слева справа О: 1-5-ьЗ-1= 2-4 слева справа Na: 3 • 2 = 2-3 слева справа Н: 6 • 1 = 3-2 слева справа Реакция уравнена по всем элементам ^Наряду с ортофосфорной кислотой Н3РО4 оксиду Р2О5 соответствует мета-фосфорная кислота НРО3, соли которой могут также образовываться в обобщённой реакции нейтрализации. Контрольные вопросы 33.1. Что такое кислотный оксид? С чем он может реагировать и что при этом получается? 33.2. Что такое основный оксид? С чем он может реагировать и что при этом получается? О Задание на дом 33.1. Напишите уравнения реакций: а) Са(ОН)2 -Ь SO2 = б) СоО + Н3ВО3 А в) СаО + Si02 А г) NaOH + N2O3 = д) HNO3 -f ВаО = е) Ре(ОН)2 + НС1 = 33.2. Найдите в сети Интернет информацию, какие оксиды производят в промышленном масштабе и где их используют. Домашний эксперимент Взаимодействие основных оксидов с кислотами Возьмите медную (или бронзовую) монету с чёрным налётом. Это может быть современная монета достоинством 10 или 50 коп. или монета советских времён в 1, 2, 3 или 5 коп. Положите монету в стакан и налейте туда немного столового уксуса СН3СООН или раствора лимонной кислоты. Вместо растворов кислот можно взять фанту или пепси-колу. Что произойдёт с налётом на монете? Напишите уравнение реакции. Чёрный налёт на монете — это оксид меди СиО. Кислотные и основные оксиды Ресурсы Видеоматериалы • Взаимодействие оксидов с кислотами, http://school-collection.edu.ru • Реакция SO2 с раствором Са(0Н)2, http://www.chem.msu.su/rus/teaching/zagorskii2/lesson0/v003.html Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Химические свойства оксидов" *, http://f cior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Химические свойства оксидов, оснований, кислот и солей"», http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Химические свойства основных оксидов"», http://f с ior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Химические свойства кислотных оксидов"», http://f cior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Химические свойства оснований"», http://fcior.edu.ru Практическая работа № 7 РЕАКЦИЯ КИСЛОТ И ОСНОВАНИЙ С ОКСИДАМИ Задача. Закончите уравнения реакций. Проведите соответствующие опыты на практике и опишите образовавшиеся соли. Напишите их названия. Са(0Н)2(р-р) + С02(г) СиО(тв) + HCl(p-p) ^ NaOH(p-p) + У20б(тв) Д MgO(TB) -1- НКОз(р-р) Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок, изогнутая трубка с пробкой под пробирку, держатель для пробирок или мини-штатив, сухое горючее с подставкой и крышкой (или спиртовка). Реактивы и расходные материалы. Твёрдые СиО, V2O5, MgO, СГ2О3, (СиОН)2СОз (для получения СО2); растворы NaOH (10%-й), НС1 (20%-й), HNO3 (20%-й); вата. NaOH — едкое вещество. При попадании на кожу или одежду смыть холодной водой и нейтрализовать уксусом. HCI и HNO3 — едкие вещества. При попадании на кожу или одежду смыть холодной водой и нейтрализовать раствором соды МаНСОз. ik Ход работы. Реакцию газообразного СО2 с раствором гидроксида кальция Са(0Н)2 проводят в приборе, изображённом на рис. 67. Углекислый газ СО2 получают разложением гидроксокар-боната меди (СиОН)2СОз: (СпОН)2СОз 2СиО Н2О СОгТ щ Классы веществ и взаимосвязи между ними Рис. 67. Прибор для получения углекислого газа СО2, который пропускают через раствор: 1—пробирка с (СиОН)2СОз; 2 — пробка; 3 — изогнутая трубка; 4 — вата; 5 — лапка для крюпления пробирки на штатив; 6 — сухое горючее или спиртовка; 7 — пробирка с раствором В пробирку насыпают примерно 1 см (СиОН)2СОз. Пробирку прикрывают рыхлым тампоном ваты, чтобы твёрдые продукты разложения не летели вместе с углекислым газом. Затыкают пробирку пробкой с изогнутой трубкой. Пробирку берут зажимом или закрепляют в лапке штатива, как показано на рис. 67. Зажигают пламя. В другую пробирку наливают раствор Са(ОН)2 (5-6 см). Начинают нагревать пробирку с (СиОН)2СОз и погружают изогнутую трубку в пробирку с раствором. Пропускают газ через раствор до тех пор, пока признаки реакции не станут очевидными. Реакции твёрдых веществ с растворами проводят в пробирках. Твёрдое вещество насыпают на донышко и добавляют раствор на 2-3 см, если необходимо — аккуратно нагревают 2-3 мин. Если полного растворения твёрдого вещества не происходит, прекращают нагревание и ждут, пока твёрдое вещество осядет. О прошедшей реакции судят по изменению цвета раствора. Отчёт. В лабораторном журнале записывают уравнения реакций, названия образовавшихся солей, их цвет и растворимость. § 34 Взаимосвязи между основными классами соединений Рекомендуется повторить классификацию реакций по числу частиц (§ 19), что такое реакция горения (§ 23), гидратации, дегидратации, кислот с металлами нейтрализации. — К какому типу относится реакция 8-1-02 = SO2? — К какому типу относится реакция NaOH + НС1 = NaCl + Н2О? Существуют различные классификации химических реакций. По типу и составу реагирующих веществ их делят на реак- Взаимосвязи между основными классами соединений ции соединения, разложения, замещения и обмена (§ 19). Ранее (§ 20-33) вы познакомились с реакциями горения, гидратации, дегидратации и нейтрализации. Эти реакции различаются по химической сущности. Например, реакцию NaOH + НС1 = NaCl + Н2О можно отнести к реакции обмена и одновременно к реакции нейтрализации. Тип реакции позволяет предсказать образующиеся продукты, так как у одного типа они схожи. Для этого по реагентам определяют её тип (табл. IV.5), а по типу реакции — продукт. Все алгоритмы составления уравнений реакций имеют сходную последовательность шагов: 1. Определить тип реакции по реагентам. Выбрать алгоритм составления уравнения реакции. 2. Записать через знак плюс «-Ь» формулы реагентов, оставляя перед ними места для коэффициентов; поставить знак равенства « = ». 3. Уточнить, идёт ли эта реакция. Если нет — знак равенства перечеркнуть, т. е. поставить 4. Если в результате реакции этого типа образуется однозначный продукт (например, вода при реакции нейтрализации), записать после знака равенства « = * формулу этого продукта, оставляя место для коэффициента. Определитель типа реакций Таблица IV. 5 Реагент 1 Реагент 2 Тип реакции Продукты Где описано Кислород Простое вещество Окисление кислородом Оксид §23 Гидроксид - Дегидратация Вода Н2О + оксид §26 Вода Оксид Гидратация Гидроксид §27 Кислота Металл Кислоты с металлом Водород Н2 -Ь соль §30 Кислота Основание Нейтрализация Вода Н2О -t- соль §32 Кислота Основный оксид Обобщённая нейтрализация Вода Н2О + соль §33 Основание Кислотный оксид Основный оксид Кислотный оксид Обобщённая нейтрализация Соль §33 5. Установить формулу другого (других) продукта (продуктов), например, формулу соли в реакции нейтрализации. Записать формулы всех продуктов, оставляя перед ними место для коэффициентов. 6. Уравнять реакцию, т. е. расставить коэффициенты. 7. Проверить, уравнена ли реакция. Если нет — найти ошибку. Кислотные реагенты реагируют с основными с образованием солей. Реакции горения, гидратации и дегидратации, нейтрализации связывают между собой разные классы веществ: простые вещества, оксиды, кислоты, основания и соли. Эта взаимосвязь приведена на рис. 68. Основной её принцип: кислотные реагенты реагируют с основными с образованием солей. Следует помнить, что на рис. 68 приведена только базовая схема. На практике химические реакции могут ей не соответствовать Так, некоторые кислотные (и основные) реагенты могут взаимодействовать между собой, но предсказать продукты реакции при этом сложнее. По реакции окисления нельзя получить оксиды галогенов и щелочных металлов (кроме лития), нельзя дегидратировать H2SO4 и HNO3, гидратировать СиО и ЕегОз. Далеко не все металлы при реакции с кислородом дают основные оксиды. Например, вольфрам при горении даёт кислотный оксид WO3, а основного оксида вольфрама вообще не существует. Тем не менее эта схема позволяет предсказать продукты многих реакций. Взаимосвязи между основными классами соединений Задание на дом 34.1. Закончите уравнения (если они идут). реакции и укажите условия их протекания а) Mg + О2 = г) 8 + 02 = ж) Мп + H2SO4 = к) Ag20 + HNO3 б) Н3ВО3 д) ВаО + Н2О = 3) Са(0Н)2 + НС1 л) Н2 + ВГ2 = н) N2O5 + Н2О = о) СаО + 8Ю2 р) ГегОз + Н2О = у) 8п + НС1 = в) Р2О5 + Н2О = е) Са + Нг = и) Ag + H2SO4 м) КОН + Н3РО4 П) HC1 + H2S04 = т) КСЮз А 34.2. с) Li20 + SO2 = ф) НР + А1(0Н)з = Напишите уравнения реакций, позволяющих осуществить цепочки превращений. (Каждая стрелка соответствует одной реакции.) а) Са —> СаО -> Са(0Н)2 Ca(N03)2 б) S -> SO2 Na2S03 в) Mg(0H)2 ->■ MgO MgCl2 О Ресурсы Тесты электронные • Модуль «Тесты по теме „Генетическая связь между классами неорганических соединений‘4, http://fcior.edu.ru Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Генетический ряд металла*'*, http://fcior.edu.ru • Модуль «Тренажёр „Генетический ряд неметалла**», http://fcior.edu.ru • Модуль «Основные классы неорганических соединений», http://fcior.edu.ru Электронное пособие • Модуль «Оксиды и гидроксиды металлов. Строение и свойства», http://f cior.edu.ru • Модуль «Оксиды неметаллов и кислоты. Их классификация и свойства», http://fcior.edu.ru • Модуль «Простые и сложные вещества. Их классификация и свойства», http: //f cior. edu. ru • Модуль «Понятие о генетической связи и генетическом ряде», http://fcior.edu.ru ГЛАВА V КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ СООТНОШЕНИЯ В ХИМИИ Q § 35 Количество вещества и молярная масса Рекомендуется повторить, что такое стехиометрическое соотношение (§ 18); что показывает формула состава вещества (§ 12); что такое относительная атомная масса и относительная молекулярная масса и как их вычислить (§ 13). Из курса физики вспомните: как решать задачи в общем виде и подставлять числа в общее решение; что такое размерность, безразмерная величина и как использовать размерности в решении задач. Из курса математики вспомните: как выразить Ь из формул: , с Ь а = о • с, а = —, а = -. о с — Чему равна относительная молекулярная масса серной кислоты H2SO4? Получение веществ — одна из задач химии. Однако химику важно знать не только, из чего получить вещество (на этот вопрос отвечает уравнение реакции), но и сколько реагентов для этого нужно взять и сколько вещества получится. Решению таких задач и посвящён данный раздел. Соотношения количеств реагентов и продуктов реакции чётко задаются уравнением реакции (§ 18). Например, уравнение 2Mg + 02 = 2MgO говорит, что из двух атомов магния и одной молекулы кислорода получается две молекулы оксида магния. Сколько молекул кислорода нужно, чтобы получить 100 молекул MgO? Отсчитывать молекулы поштучно нереально — уж очень они маленькие. В стакане воды их содержится огромное число 1 • 10^^ штук (т. е. единица с двадцатью пятью нулями). Однако человечество давно уже придумало, как считать мелкие многочисленные объекты. Оно упаковывает определённое их количество в коробки и считает их. Для атомов и молекул человечество тоже придумало «коробку», которая содержит 6,02 • 10^^ частиц. Такая «коробка» по- Количество вещества и молярная масса лучила название «моль» и служит единицей количества вещества (это существительное мужского рода; оно не склоняется и не имеет никакого отношения к насекомому, личинки которого поедают шерсть). Количество вещества обозначают греческой буквой и (ню), или латинской — п. Моль — единица измерения количества вещества Число Авогадро Мд = 6,02 • 10^^ 1 моль вещества содержит 6,02-10^^ структурных частиц (единиц) вещества Число частиц в одном моле (т. е. 6,02 • 10^^) называют постоянной Авогадро (или числом Авогадро) в честь итальянского химика А. Авогадро, много сделавшего для становления понятия «атом». Число Авогадро обозначается и имеет размерность моль~^ (1/моль). Как мы уже говорили, взять определённое количество вещества невозможно. Вещество можно только взвесить, т. е. отобрать определённую массу. Поэтому, чтобы отобрать определённое количество вещества, нужно знать, сколько весит один моль этого вещества. Эта величина называется молярной массой, обозначается буквой М и измеряется в г/моль: М= — и Как же узнать молярную массу вещества? Она численно равна его относительной молекулярной (для простых веществ — атомной) массе, расчётам которой был посвящён § 13. Молярные массы элементов (в г/моль) приведены в таблице Менделеева, а молярная масса сложного вещества есть сумма молярных масс входящих в него элементов. При этом молярные массы элементов (кроме хлора) округляются до целых. Следует помнить, что молярная масса численно равна относительной молекулярной массе, но имеет размерность, в то время как относительная молекулярная масса — безразмерная величина. Молярная масса М — масса 1 моль вещества. Измеряется в г/моль. Численное равенство этих величин следует из строгого определения понятия «моль». Моль — это такое количество вещества, которое содержит столько же структурных единиц (атомов или молекул), что и 12 г нуклида углерода Именно для такого количества вещества было найдено число Авогадро. ■ Количественные соотношения в химии Молярная масса любого вещества численно равна его относительной молекулярной (атомной) массе. ПРИМЕР 35.1. Рассчитайте молярную массу перманганата калия КМПО4. Решение. М(КМп04) = М(К) -Ь М(Мп) + 4 • М(0); М(КМп04) = 39 + 55 Ч- 4 • 16 = 158 г/моль. Ответ. 158 г/моль. ЗАДАНИЕ 35.1. Рассчитайте молярную массу соединений H2SO4, AICI3, МазСОз, Саз(Р04)2. ПРИМЕР 35.2. 0,2 моль некоторого элемента весят 4,6 г. Что это за элемент? Решение. М = — \ М = ^— = 23 г/моль. и 0,2 моль Смотрим по таблице Менделеева. Это Na. Ответ. Na. ЗАДАНИЕ 35.2. 2,5 моль некоего элемента весят 517 г. Что это за элемент? Как же пересчитать количество вещества в массу и обратно? Для этого воспользуемся определением молярной массы и из него запишем: ^ т = у • М, V = —. М Связь между этими формулами отражают так называемые «треугольники новичков». ПРИМЕР 35.3. Какова масса 0,5 моль перманганата калия КМПО4? Решение. т(КМп04) = 1/(КМп04) -М(КМп04); т(КМп04) = 0,5 моль • 158 г/моль = 79 г. Ответ. 79 г. ЗАДАНИЕ 35.3. Какова масса 1,5 моль карбоната натрия Ка2СОз? Связь количества реагентов и продуктов ПРИМЕР 35.4. Сколько моль содержится в 70 г перманганата калия КМПО4? Решение. (тгтиг \ /п(КМп04) ^ ’ М(КМп04) /у(КМп04) = 70 г 158 г/моль = о, 44 моль. Ответ. 0,44 моль. ЗАДАНИЕ 35.4. Сколько молей содержится в 150 г карбоната натрия МагСОз? Контрольные вопросы 35.1. Что такое моль? 35.2. Что такое молярная масса? В чём она измеряется? 35.3. Как посчитать количество вещества, зная его массу? Задание на дом 35.1. 3,2 моль элемента весят 78 г. Что это за элемент? 35.2. Рассчитайте молярную массу соединений NaCl, MgS04, Са(КОз)2. 35.3. Какова масса 2,7 моль нитрата свинца РЬ(КОз)2? 35.4. Сколько молей содержится в 220 г Са(ОН)2? 35.5. В сети Интернет найдите информацию о том, как было определено число Авогадро. Как можно определить массу атома? О Ресурсы Электронные пособия • Модуль «Молярная масса и объём вещества», http://fcior.edu.ru § 36 Связь количества реагентов и продуктов по уравнению реакции Рекомендуется повторить, что такое формула состава (§11), уравнение реакции и что означают коэффициенты в нём, что означает отсутствие коэффициента перед формулой вещества в уравнении реакции (§ 18); что такое стехиометрическое соотношение; что произойдёт, если соотношение реагентов не равно стехиометрическому (§ 18); как решаются задачи в общем виде (из курса физики). О ■ Количественные соотношения в химии Вещества вступают и образуются в химической реакции в строго определённом (стехиометрическом) соотношении: т. е. количества компонентов связаны между собой стехиометрическими соотношениями. Поэтому если известно количество одного продукта или реагента, то можно рассчитать количество остальных участников реакции. Количество отношения компонентов реакции равно отношению коэффициентов в уравнении реакции. ПРИМЕР 36.1. Каковы соотношения реагентов в реакции? 4Р + 502 = 2Р2О5 Решение. ^(Р) '■^(02) Ответ. 4:5, т.е. для полного сгорания 4 моль фосфора необходимо 5 моль кислорода. ПРИМЕР 36.2. Какое количество кислорода необходимо для сжигания 0,5 моль фосфора? Решение. Уравнение реакции записано в условии предыдущего примера. 4^ = l^^(02) = f-WP); 1^(02) ^(02) = т • 0,5 моль = 0,625 моль. 4 Ответ. 0,625 моль. ЗАДАНИЕ 36.1. Какое количество алюминия нужно, чтобы в реакции с соляной кислотой получить 0,2 моль водорода? ЗАДАНИЕ 36.2. Кгпсое количество Н3РО4 образуется при гидратации 0,3 моль Р2О5? Для того чтобы по количеству реагента рассчитать количество продукта, далеко не всегда нужно писать уравнение реакции целиком. Если один из элементов реагента переходит в единственный продукт, соотношение между продуктом и реагентом можно записать, располагая только формулами этого реагента и этого продукта. Связь количества реагентов и продуктов Алгоритм 13. Алгоритм количественных расчётов по уравнению реакции, если известно количество одного из компонентов Задача. В реакцию с гидроксидом натрия вступило 0,25 моль серной кислоты. Рассчитать, какое количество гидроксида натрия вступило в реакцию и какое количество сульфата натрия образовалось. Шаг Пример 1. Записать уравнение реакции 2. Количество одного компонента, указано в условии 3. Составить отношение: в числителе количество компонента, которое нужно найти, в знаменателе — количество известного компонента 4. Из уравнения реакции записать, чему равно это отношение -2NaOH + H2SO4 = Na2S04 -Ь 2Н2О uiU^SOl) 1 z.(H2904) 1 5. Выразить из этих формул неизвестное количество компонента i/(NaOH) = 2 • i/(H2S04) j/(Na2S04) = uiKzSO^) 6. Подставить в формулы известные из условия числа i/(NaOH) = 2 • 0,25 = 0,50 i/(Na2S04) = 0,25 ПРИМЕР 36.3. Какое количество хлорида алюминия AICI3 может образоваться из 0,5 моль хлора CI2? Решение. В формуле AICI3 три атома хлора, а в CI2 — толъ- 3 ко два. Для образования одной молекулы AICI3 нужно — молекулы CI2, т. е. количество AICI3 меньше количества CI2. ^(AlClg) _ 2 i.(Cl2) г/(А1С1з) = I • и{С\2)\ 1/(А1С1з) = f • 0,5 = 0,33 моль. <5 О _ 2 Ответ. 0,33 моль. I Количественные соотношения в химии ЗАДАНИЕ 36.3. Какое количество оксида железа (III) можно получить из 0,3 моль металлического железа? ЗАДАНИЕ 36.4. Какое количество Саз(Р04)2 можно получить из 0,7 моль Н3РО4, если весь фосфор из реагента переходит в продукт? Контрольные вопросы 36.1, Как связаны количества компонентов реакции друг с другом? О Задание на дом 36.1. Какое количество кислорода выделится при разложении 0,2 моль бертолетовой соли? 2КС10з Д 2КС1 + ЗО2 36.2. Какое количество соляной кислоты нужно, чтобы при реакции с КагСОз выделилось 0,3 моль углекислого газа? 36.3. Какое количество серной кислоты нужно, чтобы получить 0,3 моль сульфата хрома (III)? 36.4. Какое количество сульфата железа (III) можно получить из 0,4 моль металлического железа? 36.5. Какое количество H2SO4 можно получить из 200 моль FeS2, если считать, что вся сера из FeS2 переходит в H2SO4? Лабораторные опыты РЕАКЦИИ, ЗАВИСЯЩИЕ ОТ СООТНОШЕНИЯ РЕАГЕНТОВ Задачи 1. Провести реакции, в которых состав продуктов зависит от соотношения взятых реагентов. 2. Описать продукты этих реакций. 3. Найти, сколько моль продукта образуется из указанного в задании количества реагента (см. таблицу на следующей странице). Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок. Реактивы. См. таблицу. Ход работы. Смешивают разные количества веществ А и Б, взятых в разных соотношениях: в одном случае наливают в пробирку раствор А (2 см) и добавляют несколько капель раствора Б, а в другом наливают в пробирку раствор Б и добавляют к нему несколько капель раствора А. В первом случае в избытке окажется вещество А, во втором — вещество Б. Связь количества реагентов и продуктов № Уравнение реакции А + Б и количества реагентов и продуктов Продукт Цвет Раство- римость 1 CUSO4 +2КНз-Н20 = моль 0,2 моль = Си(ОН)2 +(NN4)2804 моль моль Си(ОН)2 (NN4)2804 б/ц Р- CUSO4 +4КНз-Н20 = моль 0,2 моль = [Cu(NH3)4]S04+ 4Н2О моль моль [Cu(NN3)4]804 2 2AgN03 + КазЗзОз +Н2О = МОЛЬ моль = AgzS; +H2S04 + 2NaN03 МОЛЬ Ag28 NaNOs б/ц Р- N28O4 б/ц Р- AgNOa + 2Na2S203 = моль моль = Na3[Ag(S203)2] + NaNOo моль 0,25 моль Na3[Ag(S203)2] 3 2КМп04 + 8Н2С2О4 = 0,4 моль моль — К.2С2О4 -|- 2МПС2О4 + ЮСОз'!' “ЬЗНзО моль моль моль K2C2O4 б/ц Р- МПС2О4 CO2 2КМп04 + ЗН2С2О4 = 0.4 моль моль = 2Мп02 + 2КНСОз +4C02t+2H20 моль моль МпОз KNCO3 б/ц Р- 4 СгС1з +3NaOH = моль 0.35 моль = Сг(ОН)з+ 3NaCl моль моль Cr(ON)3 NaCl б/ц Р- СгС1з +4NaOH = моль 0.35 моль = Na3[Cr(OH)e]+ 3NaCl моль моль Na3[Cr(ON)e] Отчёт. Заполняют таблицу в лабораторном журнале. I Количественные соотношения в химии Q § 37 Расчёты по уравнениям реакций Рекомендуется повторить, что такое уравнение реакции; закон сохранения вещества в химической реакции (§ 18); как из массы вещества найти количество вещества и наоборот (§ 35); как по количеству одного компонента реакции рассчитать количество другого по уравнению реакции (§ 36). Из курса физики вспомните: как записывать решение задач в общем виде. Из курса математики вспомните: что такое пропорция. — Какое количество вещества содержится в 16 г серы? — Сколько моль кислорода прореагирует с 1 моль натрия по реакции 2Na -f S = Na2S? Чтобы в результате реакции получить заданную массу вещества, нужно по уравнению реакции рассчитать массы реагентов. Расчёты по уравнению реакции основаны на законе сохранения вещества в химических реакциях, в частном случае, который мы здесь обсуждаем, на законе сохранения массы. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МАССЫ Общая масса продуктов реакции равна массе реагентов, вступивших в реакцию. Однако уравнение реакции связывает не массы веществ, а их количества, которые мы не умеем измерять. Химики берут на весах навески, т. е. порции вещества определённой массы. Поэтому подобные задачи приходится решать в три шага. Навеска — порция вещества определённой массы. Шаг 1. По массе известного вещества найти его количество (и = ^). Молярную массу вещества вычислить по его химической формуле. Шаг 2. Из уравнения реакции по количеству известного вещества найти количество неизвестного. Шаг 3. По количеству неизвестного вещества найти его массу (тп = V • М). ШАГ 1. Масса известного вещества и=- м количество известного вещества ШАГ 2. Количество известного вещества уравнение реакции количество неизвестного вещества ШАГ 3. Количество неизвестного вещества \,т=1>М масса неизвестного вещества Расчёты по уравнениям реакций Алгоритм 14. Алгоритм расчёта по уравнению реакции (метод трёх шагов) Задача. Найти, какая масса гидроксида натрия вступит в реакцию с 20,0 г серной кислоты и какая масса сульфата натрия Na2S04 при этом получится. Шаг Пример 1. Записать условие в краткой форме Дано: m(H2SO4) = 20r m(NaOH) = ? m(Na2S04) = ? 2. Записать уравнение реакции 2NaOH + H2SO4 = Na2S04 + 2H2O 3. Рассчитать молярные массы веществ — участников реакции M(H2S04 ) = 21 + 32 + 416 = 98 г/моль M(NaOH) = 23 + 1 +16 = 40 г/моль M(Na2S04) = 2 • 23 + 32 + 4 • 16 = 142 г/моль 4. Найти количество того вещества, масса которого указана в условии (шаг1) ,.(XI СГ» ^№804) ''(H2S04)-j^,H2S04) i/(H2S04) = = 0,204 г/моль 5. Рассчитать количество других веществ-участ-ников, массу которых нужно найти (шаг 2) ———— =2:1 (из уравнения реакции) i/(H2S04) i/(Na0H) = 2-j/(H2S04) i/(NaOH) = 2 • 0,204 = 0,408 моль i^(Na2S04) , , , ■ , =1:1 (из уравнения реакции) J/(H2S04) j/(Na2S04) = i/(H2S04) = 0,204 моль 6. Найти массы этих компонентов (шаг 3) /n(NaOH) =M(NaOH) • i/(NaOH) m(NaOH) = 40• 0,408 = 16,3 г m(Na2S04) =M(Na2S04) -i^(Na2S04) m(Na2S04) = 142 • 0,204 = 29,0 г 7. Записать ответ (задача считается нерешённой, если ответ не записан) Ответ. m(NaOH) = 16,3 г; m(Na2S04) = 29,0 г ПРИМЕР 37.1. Какая масса NaOH нужна, чтобы нейтрализовать 20 г серной кислоты? Дано. m(H2S04) = 20 г; /n(NaOH) = ?; m(Na2S04) = ? Решение. 2NaOH + H2SO4 = Na2S04 + 2Н2О. M(H2S04) = 2 • 1 -f 32 + 4 • 16 = 98 г/моль. M(NaOH) = 23 + l-fl6 = 40 г/моль. M(Na2S04) = 2 • 23 + 32 + 4 • 16 = 142 г/моль. I Количественные соотношения в химии Шаг 1. Шаг 2. Z/(H2S04) = m(H2S04) M(H2S04) ’ 20 i^(H2S04) = II =0,204 г/моль. i/(NaOH) = 2 • z^(H2S04); i/(NaOH) = 2 • 0,204 = 0,408 моль. ^'(Na2S04) = i/(H2S04) = 0,204 моль. Шаг 3. m(NaOH) = M(NaOH) • z/(NaOH); m(NaOH) = 40 • 0,408 = 16,3 r. m(Na2S04) = M(Na2S04) • i/(Na2S04); m(Na2S04) = 142 • 0,204 = 29,0 r. Ответ. m(NaOH) = 16,3 г; m(Na2S04) = 29,0 г. ЗАДАНИЕ 37.1. Какую массу серы нужно взять, чтобы она полностью прореагировала с 2 г алюминия? Какая масса сульфида алюминия AI2S3 при этом получится? 2А1 + 38 = AI2S3 ЗАДАНИЕ 37.2. Какую массу NaOH и V2O5 нужно сплавить, чтобы получить 5 г NaV03? Какая масса водяных паров при этом улетучится? 2NaOH + V2O5 = 2NaV03 + Н2О Метод решения, который описан на с. 201, мы будем далее называть методом трёх шагов. Если этот расчёт кажется сложным, можно использовать более примитивный метод — метод пропорций (алгоритм 15). ЗАДАНИЕ 37.3. Какая масса твёрдого вещества останется после полного разложения 10 г гидроксокарбоната меди? (СиОН)2СОз A2CuO + Н2О + СОзТ ЗАДАНИЕ 37.4. Какая масса твёрдого вещества останется после полного разложения 20 г кристаллогидрата сульфата меди? CUSO4 • 5Н2О AcuS04 + 5Н2О ЗАДАНИЕ 37.5. Рассчитайте массу углерода С и массу сульфата бария BaS04 для получения 20 г BaS. BaS04 + 4С = BaS + 4СОТ ЗАДАНИЕ 37.6. Какую массу кристаллогидрататов хлорида бария ВаСЬ-ЗНзО и сульфата натрия Na2SO4-10H2O нужно взять, что- Расчёты по уравнениям реакций Алгоритм 15. Алгоритм расчёта по уравнению реакции методом пропорций Задача. Рассчитайте массу фосфора, необходимую для получения 25 г Р2О5. Шаг Пример 1. Записать уравнение реакции 4Р + 502 = 2Р2О5 2. Записать известную массу вещества над его формулой 25 4Р + 502 = 2Р2О5 3. Над формулами веществ, массы которых нужно найти, записать х (у, г тл т. д.) 25 4Р+502 = 2Р2О5 4. Под формулами веществ, упомянутых в задаче, записать их молярные массы, умножив их на соответствующие коэффициенты из уравнения реакции ^“1 4Р 4-31 -f-502 — —25 2Р2О5 2142 5. Составить пропорцию, т. е. приравнять два отношения, в числителе и знаменателе которых попарно записать то, что было записано над и под формулой вещества с известной и неизвестной массами; между отношениями поставить знак равенства « = » 25 4-31 2 142. 6. Решить пропорцию относительно х (у, z и т. д.) 25;4•31 _ 10 9 г ^ 2 142 7. Записать ответ (иначе задача считается нерешённой) Ответ. 10,9 г бы получить 20 г сульфата бария BaS04? Какая масса NaCl и воды при этом образуется? BaCl2 • 2Н2О + Na2S04 • IOH2O = BaS04i-l-2NaCl + I2H2O ЗАДАНИЕ 37.7. Какие массы алюминия и серы необходимы для получения 15 г сульфида алюминия по реакции соединения? 2А1 + 38 = AI2S3 ЗАДАНИЕ 37.87 В 2002 г. мировое производство серы составило 78 млн т, а серной кислоты — 106 млн т. Какая доля мирового производства серы пошла на производство серной кислоты? I Количественные соотношения в химии ЗАДАНИЕ 37.9f Запах сероводорода чувствуется при его содержании в воздухе 0,03 мг/м^. Какую массу сульфида алюминия достаточно залить водой, чтобы запах сероводорода ощущался в помещении размером с классную комнату (размеры классной комнаты оцените самостоятельно)? AI2S3 -f- ЗН2О = 2А1(ОН)з + 3H2St ЗАДАНИЕ 37.10* В 2002 г. мировое производство хлора составило 24 млн т. Сколько при этом образовалось гидроксида натрия, если эти вещества получали путём электролиза? 2NaCl + Н2О i 2NaOH + CI2 -Ь Нз! О Задание на дом 37.1. Доделать задания 37.3-37.10. 37.2. Какое количество и какая масса соли может быть получена из 5 моль гидроксида натрия при взаимодействии с серной кислотой? Ресурсы Видеоматериалы и анимации • Закон сохранения массы веществ, http://www.school-collection.edu.ru; в строке поиска ввести «закон сохранения массы веществ*. Q Практическая работа N2 8 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ ВЕЩЕСТВА ПО МАССЕ ПРОДУКТОВ ЕГО РАЗЛОЖЕНИЯ Рекомендуется повторить расчёты по уравнениям реакций (§37). Вернитесь к заданию 37.3 и изучите его. Задача. Навеску вещества, которую даёт учитель, разложить (без потерь) при нагревании. Продукты разложения взвесить и по их массе найти массу навески исходного вещества. Оборудование. Спиртовка (или сухое горючее с подложкой и крышкой), держатель для пробирок, пробирка, вата, стакан для взвешивания (сухой); весы. Реактивы. Гидроксокарбонат меди (СиОН)2СОз. Уравнение реакции (СпОН)2СОз 20110 -|- СО2Ч-НзО Молярный объём Ход работы. Получают у учителя пробирку с навеской вещества. Закрывают пробирку ватой (чтобы вещество не улетало в виде пыли) и аккуратно нагревают. Когда на стенках появится конденсат (капельки жидкости), их аккуратно прогревают, чтобы жидкость испарилась. Когда разложение вещества прекратится, пробирку остужают. Её содержимое взвешивают. Для этого сначала взвешивают стакан (или ставят его на электронные весы и обнуляют тару), а потом высыпают в него продукты разложения из пробирки и снова взвешивают. Массу продуктов разложения определяют по разности 2-го и 1-го взвешиваний. По уравнению реакции рассчитывают массу исходного продукта. Отчёт. В лабораторном журнале записывают массу продуктов разложения; рассчитывают массу исходного продукта; записывают массу исходного продукта в отчёт. Контрольные вопросы 37.1. Какое вещество останется в твёрдом остатке после нагревания? 37.2. Как может повлиять конденсат на стенках пробирки на результат опыта? Ресурсы Имитация эксперимента • Модуль «Лабораторная работа „Взвешиваем на технико-химических весах‘4, http://fcior.edu.ru • Модуль «Измерительные приборы в химической лаборатории. Взвешивание», http://f cior.edu.ru § 38 Молярный объём Рекомендуется повторить, что такое молярная масса (§35); как проводятся расчёты по уравнениям реакций (§ 37); чем газообразное агрегатное состояние отличается от других состояний (§ 4). Из курса физики вспомните, как связаны объём газа, давление и температура. — Газ нагрели в замкнутой ёмкости. Что будет с давлением газа? — Газ под поршнем сжали в два раза. Как изменится давление под поршнем? — Запишите формулу для расчёта количества вещества, если известна его масса. Нередко в реакциях участвуют газообразные вещества. Взвешивать газ неудобно, гораздо удобнее измерять его объём, с которым Q Количественные соотношения в химии и имеют дело при расчётах. При этом вместо молярной массы (массы одного моля) используют молярный объём, т. е. объём, который занимает 1 моль (обозначается Ум» измеряется в л/моль). Тогда количество газа связывается с его объёмом по формуле V V = Ум ПРИМЕР 38.1. Сколько моль хлора содержится в колбе объёмом 2 л, при условии что его молярный объём равен 24 л/моль? Решение. и = 2 (л)/24 {л/моль) = 0,083 моль. ЗАДАНИЕ 38.1. Сколько моль воздуха закачено в автомобильную камеру объёмом 40 л, если молярный объём при условиях в камере составляет 3,5 л/моль? Молярный объём прямо пропорционален температуре и обратно пропорционален давлению. Но самое замечательное свойство молярного объёма заключается в том, что он почти не зависит от природы газа. То есть для всех газов при данных условиях молярный объём примерно одинаков! Химики чаще всего измеряют объёмы газов при нормальных условиях (н. у.): температуре о °С и давлении 1 атмосфера. При этих условиях молярный объём любого газа (только газа!) принимают за 22,4 л/моль. Такой объём содержится в кубе со стороной 28 см. Реально молярные объёмы газов несколько отличаются от этого значения, но в простых расчётах этими различиями пренебрегают. Молярный объём Vm — объём, который занимает 1 моль газа. Измеряется в л/моль. При н. у. Ум = 22,4 л/моль. Нормальные условия • температура 0°С • давление 1 атм или 101 325 Па ПРИМЕР 38.2. Сколько моль кислорода содержится при н. у. в 10 л? Решение. Кислород — газ, его Ум = 22,4 л/моль. ^(Ог) 10 л 1/(02) = Ответ. 0,45 моль. Ум(02) 22,4 л/моль = 0,45 моль. Молярный объём ПРИМЕР 38.3. Какое количество (моль) этилового спирта содержится в бутылке 0,5 л при н. у.? Решение. Спирт — жидкость. Для решения задачи требуется знать её молярный объём, который неизвестен. Данных в условии для решения недостаточно. ЗАДАНИЕ 38.2. За один вдох человек вдыхает около 0,5 л воздуха. Сколько это моль? ЗАДАНИЕ 38.3. Сколько молей железных опилок можно насыпать в пузырёк объёмом 0,1 л при н. у.? ЗАДАНИЕ 38.4. Сколько моль хлора содержится в сосуде объёмом 100 мл при н. у.? Указание: Не забудьте перевести мл в л. Чтобы найти объём газа V, зная его количество и, нужно количество умножить на молярный объём: V = u Ум ПРИМЕР 38.4. Какой объём занимает 0,3 моль азота при н. у.? Решение. Азот — газ, его Fm = 22,4 л/моль. F(N2) = i^(N2)-Fm(N2); F(N2) = 0,3 моль • 22,4 л/моль = 6,72 л Ответ. 6,72 л. ЗАДАНИЕ 38.5. Какой объём занимает 2,5 моль газообразного НС1 при н. у.? ЗАДАНИЕ 38.6. Какой объём занимает 0,7 моль воздуха при н. у.? Если условия отличаются от нормальных, то объём V при произвольных условиях можно пересчитать в объём при нормальных условиях Ун.у. по одной из формул. 1) Если температура t (в градусах Цельсия) отличается от нормальных условий: т/" _т/ 273 ■ ТТШ ’ где Vt — объём при температуре t. 2) Если давление р отличается от нормального: V,.y. = Vp . ^ , Рн.у. где Vp — объём при давлении р. I Количественные соотношения в химии Контрольные вопросы 38.1. Что такое молярный объём? 38.2. Что такое «нормальные условия»? 38.3. Чему равен молярный объём газов при н. у.? О Задание на дом 38.1. Какое количество газообразного кислорода нужно получить, чтобы заполнить при н. у. колбу объёмом 0,5 л? 38.2. Какое количество поваренной соли нужно, чтобы заполнить стакан объёмом 1 л при н. у.? 38.3. Какой объём занимает 1,3 моль воздуха? 38.4. Сколько трёх литровых банок потребуется, чтобы поместить 1 моль азота при н. у.? 38.5* Рассчитайте плотность газообразного водорода и газообразного хлора С1г при н. у. 38.6. Найдите в сети Интернет информацию о молярном объёме реальных газов, например хлора и кислорода. § 39 Расчёты по уравнениям реакций с участием газообразных продуктов Рекомендуется повторить, что такое молярная масса (§35); как проводятся расчёты по уравнениям реакций (§37). — Некоторое количество кислорода занимает объём 15 л. Какой объём займёт то же количество природного газа СН4 при тех же условиях? Пользуясь молярным объёмом газов, можно рассчитывать не только массы газообразных компонентов реакции, но и их объёмы. Как и при расчётах с массами, решать задачи с объёмами можно двумя способами: в три шага или пропорцией. При этом используются алгоритмы 14 и 15, но с некоторыми изменениями. При решении в три шага^ если известен объём газообразного реагента или продукта, на первом шаге объём газа пересчитывают в количество вешества по формуле v = . ПРИМЕР 39.1. Какая масса NaOH требуется, чтобы поглотить 15 л СО2 (н. у.)? СО2 + 2NaOH = Na2COs + Н2О Дано. F(C02) = 15 л. m(NaOH) = ? Решение. СО2 Ч-2NaOH = Na2C03-f Н2О СО2 — газ: Рм(С02) = 22,4 л/моль. Расчёты по уравнениям реакций Шаг 1. и{С02) = 1У{С02) = У(С02) . Vm(C02) ’ 15 л 22,4 л/моль = 0,67 моль Шаг 2. i/(NaOH) = 2 • ^^(СОг) = 2 • 0,67 = 1,34 моль Шаг 3. m(NaOH) = M(NaOH) • i^(NaOH); m(NaOH) = 40 г/моль • 1,34 = 53,6 г Ответ. m(NaOH) = 13,2 г. ЗАДАНИЕ 39.1. Какая масса фосфора нужна, чтобы полностью поглотить 2 л Ог (н. у.)? 4Р + 502 = 2Р2О5 Если требуется найти объём газообразного реагента или продукта, это делают на третьем шаге по формуле V = Ум ПРИМЕР 39.2. Какой объём О2 (н. у.) выделится при прокаливании 2 г бертолетовой соли KCIO3? 2КС10з А 2КС1 + 302t Дано. т(КСЮз) = 2 г; ^(Оз) = ? Решение. 2КС10з А 2KCl-f ЗОзТ О2 — газ: при н.у. ^^(Оз) = 22,4 л/моль. М(КСЮз) = 39 -f 35,5 + 3 • 16 = 122,5 г/моль. Шаг 1. i/(KC103) = г/(КС10з) = /п(КСЮз) М(КСЮз) ’ ____2 г 122,5 г/моль = 0,016 моль Шаг 2. ШагЗ. 1/(Оз) = 1/(кс10з) • I; ^^(Оз) = 0,016 моль • = 0,024 моль F(02) = 1/(02)-Fm(02); 1^(02) = 0,024 моль • 22,4 л/моль = 0,54 л Ответ. ^(Оз) = 0,54л. ■ Количественные соотношения в химии ЗАДАНИЕ 39.2. Какой объём кислорода выделится при разложении 5 г пероксида водорода Н2О2? 2Н2О2 = 2Н20-Ь 02t В методе пропорций под формулой газообразного вещества вместо молярной массы записывают молярный объём, который умножают на коэффициент из уравнения реакции, а над формулой этого вещества записывают его объём. ПРИМЕР 39.3. Какой объём СО2 выделится при сгорании 5 г спирта С2Н5ОН? С2Н5ОН + 302= 2002 + ЗН2О Дано. т(С2Н50Н) = 5 г; ^(002) = ? Решение. 5 X С2Н5ОН + ЗО2 = 2002 + ЗН2О 46 2 • 22,4 ^ л: . „ _ 5 • 2 • 22,4 46 22,4 ’ Ответ. F(002) = 4,87 л. X = 46 4,87 л ЗАДАНИЕ 39.3. Какие объёмы водорода и кислорода необходимы для получения 20 г воды? 2Н2 + 02 = 2Н2О Если нужно найти объём одного газа, зная объём другого, то их объёмы соотносятся как коэффициенты в уравнении реакции (при условии одинаковых температуре и давлении). Объёмы газообразных компонентов реакции соотносятся как коэффициенты в уравнении реакции. ПРИМЕР 39.4. Какой объём кислорода потребуется, чтобы сжечь 20 л водорода? Решение. 2Н2 + 02 = 2Н2О. По уравнению реакции кислорода нужно в 2 раза меньш.е, чем водорода {по количеству, а значит и по объёму). Следовательно, потребуется 10 литров кислорода. Ответ. 10 л. ЗАДАНИЕ 39.4. Какой объём кислорода нужен, чтобы сжечь 100 л метана, и какой объём углекислого газа при этом образуется? СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О Расчёты по уравнениям реакций ЗАДАНИЕ 39.5. Какой объём угарного газа СО может образоваться по реакции С + СО2 = 2СО из углекислого газа, содержащегося в печи объёмом 80 л? Задание на дом 39.1. Найдите массы (NH4)2S04 и NaOH, необходимые для получения 2 л NH3. (NH4)2S04 + 2NaOH = Na2S04 + 2КНзТ-Ь2Н20 39.2. Какая масса КМПО4 нужна, чтобы поглотить 2 л SO2 (н. у.)? 2КМп04 + 5802 + 2Н2О = K2SO4 + 2Мн804 + 2H2SO4 39.3. Какой объём газов выделится при электролизе 100 г воды? 2Н2О ^ 2H2t+02t 39.4. Какой объём хлора требуется для полного сжигания 15 г алюминия? Какова масса AICI3, который образуется? 2А1 + ЗС12 = 2А1С1з 39.5. Какой объём SiF4 можно получить, если в реакцию вступает 12 л газообразного HF? Какая масса Si02 для этого потребуется? 4HF + 8Ю2 = SiF4t+2H20 О о о о о Практическая работа № 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАССЫ РЕАГЕНТА ПО ОБЪЁМУ ГАЗООБРАЗНЫХ ПРОДУКТОВ ПРИ ЕГО РАЗЛОЖЕНИИ Рекомендуется повторить расчёты по уравнениям реакции с газообразными веществами (§ 39); что такое нормальные условия (§ 38); как зависит объём газа от температуры (из курса физики). Задача. Определить массу выданного реагента по объёму газообразных продуктов, выделившихся при его разложении. Оборудование. Мерный цилиндр на 100 мл, кристаллизатор, пробирка с пробкой и газоотводной трубкой, штатив с лапкой и муфтой, штатив для пробирок, спиртовка (или сухое горючее с подложкой и крышкой), защитные очки. Реактпивы и расходные материалы. КМПО4 или КаНСОз; вата, одноразовое полотенце. Уравнения реакций 2КМп04 а К2МПО4 Ч- Мп02 + 02t 2NaHC03 А Ма2СОз -f Н2О + C02t О Количественные соотношения в химии Рис. 69. Установка для получения и сбора газа Ход работы. Получают у учителя пробирку с навеской вещества. Пробирку закрывают куском ваты (чтобы не летели твёрдые продукты разложения). В пробирку вставляют пробку с газоотводной трубкой и ставят пробирку в штатив. Газ следует собирать в перевёрнутый цилиндр над водой. Для этого заполняют водой кристаллизатор на две трети его объёма и полностью заполняют водой цилиндр. Цилиндр, держа его вверх дном, нужно погрузить в воду, не позволив воде вытечь (прикрывают горлышко цилиндра ладонью или пальцами и в таком состоянии его вносят под воду; пальцы убирают уже под водой). Если в цилиндр попал воздух, отмечают его объём. Зажигают спиртовку (или сухое горючее). Зажимают пробирку с газоотводной трубкой в лапке штатива. Наклоняют цилиндр, не вынимая его из воды, и заводят в него газоотводную трубку (рис. 69). Начинают нагревать вещество в пробирке и собирают газ в цилиндр. Когда выделение газа прекратится, извлекают газоотводную трубку из-под цилиндра. Определяют по шкале цилиндра объём выделившегося газа. Если перед началом опыта в нём уже было немного газа, этот объём вычитают. Обработка результатов. Сначала нужно пересчитать объём газа на нормальные условия. Объём и температура связаны линейной зависимостью F(0°C) = V(t) 273 i 4- 273 ’ где F(0°C) — объём газа при 0°С (н. у.), V{t)—объём газа, измеренный при температуре t (°С). Если нет возможности измерить температуру газа, её можно принять за комнатную (20 °С), хотя это приведёт к небольшим ошибкам. Далее задача сводится к расчёту по уравнению реакции с газообразными веществами. Отчёт. В лабораторном журнале записывают уравнение реакции, указывают начальный и конечный объёмы газа, приводят расчёты. Указывают массу выданного реагента. ГЛАВА VI ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ АТОМА И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН § 40 Электронные уровни и номер периода в Периодической системе элементов Рекомендуется повторить, что такое атом; что такое ядро атома и электроны, как они расположены в атоме; чем атом отличается от химического элемента (§11). Из курса физики вспомните: что такое потенциальная энергия. — Как заряжено ядро атома? — Как заряжен электрон? — Сколько электронов находится в атоме элемента с порядковым номером 5? Что это за элемент? — Что легче — протон или электрон и во сколько (примерно) раз? Ранее (§11) вы узнали, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Ядро находится в центре атома, а электроны — вокруг него, формируя электронную оболочку. Атомы связываются друг с другом посредством своих электронов. Поэтому, для того чтобы предсказать, как атомы связываются друг с другом, нужно знать, как устроена их электронная оболочка. А устроена она весьма сложно. I Структура электронной оболочки атома определяет химические I свойства соответствующего элемента. Существует множество моделей электронной оболочки атома. Больше всего правильных предсказаний строения и свойств веществ даёт квантово-механическая модель. Но она использует сложный аппарат высшей математики. Существуют более простые модели, которые, тем не менее, позволяют предсказать важнейшие свойства элементов. Опишем их. В § 11 электроны представлены сильно упрощённо — как шарики, летающие вокруг ядра. В некоторых случаях электрон действительно ведёт себя как мельчайшая частица, однако в других случаях — как волна. Электронное строение атома и Периодический закон Квантово-механическая модель электронной оболочки основана на волновых свойствах электрона. В рамках этой модели нельзя говорить о траектории электрона, а только о вероятности его нахождения в той или иной точке пространства. Каждый электрон в атоме имеет определённую потенциальную энергию. Электроны с близкой энергией объединяют в электронный уровень. Чем ближе электрон к ядру (центру атома), тем меньше его потенциальная энергия — полная аналогия с шариком над поверхностью Земли. Электронные уровни нумеруются по порядку, начиная с первого— самого ближнего к ядру. С увеличением номера уровня разница энергий между уровнями уменьшается (рис. 70). Электроны в электронной оболочке распределяются по электронным уровням, находящимся на разном расстоянии от ядра; потенциальная энергия электронов на разных уровнях увеличивается при удалении от ядра. На каком уровне у электрона выше потенциальная энергия: на втором или на третьем? Рис. 70. Схема расположения электронных уровней в атоме ^ Максимальное число электронов на каждом уровне равно 2/?^, где ^ п — номер уровня. На первом уровне может быть не больше двух электронов, на втором — не больше восьми, на третьем — 18, на четвёртом — 32. Электронный уровень заполнен, если на нём находится 2л2 элект-( ронов, где п — номер уровня. У атома какого элемента 3 электрона в электронной оболочке? Электроны стремятся к состоянию с наименьшей потенциальной энергией, поэтому, по возможности, заполняют самые нижние Таблица VI. 1 Распределение электронов по уровням для элементов с № 1-18 Элемент Н Не Li Be В С N О F Ne Na Mg А1 Si Р S Cl Аг Номер 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Уровень 1 1 2 2 2 2 2 2 2 Уровень 2 1 5 8 8 8 8 Уровень 3 1 5 8 Электронные уровни и номер периода уровни. Если в атоме один электрон (атом водорода Н), то этот электрон находится на первом уровне. Если в атоме два электрона (гелий Не), то они также находятся на первом уровне. А вот если у атома три электрона (литий Li), то для третьего электрона места на первом уровне уже не находится. Этот электрон идёт на второй уровень. Таким образом, в атоме лития на первом уровне два электрона, а на втором (более далёком) — один. На втором уровне может находиться 8 (не более!) электронов. Учитывая ещё два электрона на первом уровне, получаем общее число электронов в атоме 2 -Ь 8 = 10; это атом неона Ne. Таким образом, у атомов элементов 2-го периода от лития до неона 2 электрона на первом уровне, а остальные электроны (от 1 у лития до 8 у неона) — на втором: заполняется второй электронный уровень. Например, у атома азота N (JV5 7) на первом уровне 2 электрона, на втором 7 — 2 = 5 электронов. Электронный уровень частично заполнен (он заполняется), если на нём есть электроны, но их число меньше максимально возможного. 1-й уровень 2-й уровень 3-й уровень 4-й уровень 2п2 = 2е~ 2л2 = 8е- 2л2 = 18е" 2п2 = 32е~ Сколько электронов на втором уровне у атома бериллия? Углерода? Кислорода? В рабочей тетради запишите свои ответы в табл. VI. 1 «Распределение электронов по уровням для атомов элементов 1-18». Какие уровни заполнены у атома гелия? Азота? Неона? Например, у атома с 11 электронами (№ 11, натрий Na) второй уровень заполнен полностью (Se~). Места для 11-го электрона уже нет. Поэтому 11-й электрон попадает на третий уровень. Таким образом, у атома натрия на 1-м уровне 2е~, на 2-м — 8е“, на 3-м — 1е~. Заполнение 3-го уровня продолжается вплоть до атома аргона Аг (JVs 18), у которого всего 2 -Ь 8 + 8 = 18е~; на 1-м уровне 2е~, на 2-м — 8е“, а все остальные — на 3-м. У атома фосфора Р (№ 15) на 1-м уровне 2е~, на 2-м — Se~ и на 3-м — 15-2-8 = 5е". Какой уровень заполняется у атомов элементов с 11-го по 18-й? Сколько электронов на третьем уровне у атома магния? Кремния? Серы? В рабочей тетради запишите свои ответы в табл. VI. 1 «Распределение электронов по уровням для элементов с JV® 1-18». Обратимся снова к таблице Менделеева. В первом периоде находится всего два элемента — водород Н и гелий Не. Это как раз в Электронное строение атома и Периодический закон те элементы, у атомов которых заполняется первый электронный уровень. Период заканчивается гелием, у атома которого первый уровень заполнен. Второй период начинается с лития, у которого начинает заполняться второй уровень. У атомов всех элементов второго периода второй уровень заполняется, а у неона оказывается заполненным. И наконец, у атомов элементов третьего периода заполняется третий уровень. Теперь можно связать электронное строение атома с номером периода, в котором находится элемент. Номер периода соответствует номеру последнего электронного ? уровня, на котором есть хотя бы один электрон. Опять возьмём таблицу Менделеева и рассмотрим элемент Li. На последнем (2-м) уровне у атома лития 1е~ и номер группы (вертикальный столбец), в которой он находится, I. У атома натрия Na на последнем уровне 1е“, и натрий, как и литий, находится в I группе. На последнем уровне у атомов азота и фосфора по Ъе~ — V группа. И наконец, у атомов неона и аргона на последнем уровне находится по Ъе~ — VIII группа. Номер группы в таблице Менделеева для элементов 2-го и 3-го I периодов показывает число электронов на последнем электронном I уровне. ЗАДАНИЕ 40.1. Не заглядывая в таблицу Менделеева, скажите, в каком периоде и группе находится элемент, у которого на третьем уровне четыре электрона. ЗАДАНИЕ 40.2. Не заглядывая в таблицу Менделеева, скажите, в каком периоде и группе находится элемент, у которого полностью заполнены два уровня и нет электронов на третьем уровне. ЗАДАНИЕ 40.3. Не заглядывая в таблицу Менделеева, укажите распределение электронов по уровням для элемента третьего периода седьмой группы. ктггвши» 1МТ!,6МГ.|И VW В любом атоме бесконечное число электронных уровней, но электроны заполняют те, потенциальная энергия которых минимальна. ■ HlTfriiliTIllinUllll-------1 I Однако если сообщить электрону дополнительную энергию, он может перейти на более высокий энергетический уровень. Такое состояние атома называется возбуждённым. Возбуждённым называется такое состояние атома, в котором электроны имеют более высокую потенциальную энергию, чем в обычном. Электронные уровни и номер периода Атом в возбуждённом состоянии существует недолго. Электрон быстро возвращается обратно. При этом избыток потенциальной энергии излучается в виде кванта (порции) света. Поэтому при высокой температуре вещества испускают свет. Поскольку разница в энергии между электронными уровнями в атоме строго определена, квант света имеет вполне определённую энергию. Энергия кванта света, в свою очередь, прямо связана с цветом. Поэтому разные вещества окрашивают пламя в разные цвета (см. цветной блок: рис. Ц-59, Ц-60). Контрольные вопросы 40.1. Чем различаются электронные уровни? 40.2. Что такое «заполненный электронный уровень»? 40.3. Сколько электронов может быть на первом >фовне? Втором? Третьем? 40.4. Как число заполненных уровней у атома отражено в таблице Менделеева? Задание на дом 40.1. Заполните до конца табл, VI. 1. 40.2. Сколько уровней заполнено полностью или частично у атома бора? Серы? 40.3. Сколько электронов находится на последнем уровне у атома фтора? Алюминия? 40.4. Назовите элемент, у атома которого на последнем уровне находится столько же электронов, сколько и у магния. 40.5. Не заглядывая в таблицу Менделеева, укажите, в каком периоде и группе находится элемент, у которого: а) на втором уровне находится семь электронов; б) на втором уровне находится пять электронов. 40.6. Не заглядывая в таблицу Менделеева, укажите распределение электронов по уровням: а) для элемента третьего периода шестой группы; б) для элемента второго периода четвёртой группы. Ресурсы Электронные пособия • Модуль «Атомная гипотеза. Основные сведения о стрюении атома», http://fcior.edu.ru • Модуль «Понятие об электронной оболочке атома и энергетических уровнях», http;//f cior.edu.ru О о Лабораторные опыты ОКРАШИВАНИЕ ПЛАМЕНИ Задачи 1. Определить цвета пламени, в которые его окрашивают соединения разных металлов. Электронное строение атома и Периодический закон А А 2. По цвету пламени определить, какой металл содержится в пробе. Оборудование. Спиртовка или сухое горючее с подложкой и крышкой; нихромовая или стальная проволока с петелькой на конце, стакан стеклянный на 25-50 мл. Если есть — школьный спектросоп. Реактивы. 3-5%-е растворы КС1, LiCl или SrCl2, CaCl2, CuCl2, BaCl2, NaCl. HCl ~ 10% (для промывания проволоки); проба, содержащая одну из солей. Ход работы. 1. Конец проволоки сворачивают в петельку и вносят в раствор НС1. Прогревают её в пламени, пока у него не исчезнет ярко выраженная окраска. Остужают проволоку и обмакивают петельку в раствор соли (лучше всего начать с КС1). Петельку с раствором вносят в пламя и тут же смотрят на его окраску. Следите, чтобы капли раствора не попадали на фитиль или сухое горючее, так как впоследствии они могут исказить окраску пламени. Записывают цвет пламени. Если есть спектроскоп, работа ведётся в парах. Один учащийся вносит проволоку в пламя, другой смотрит через спектроскоп на пламя и записывает, линии какого цвета наблюдал. Снова отмывают проволоку и повторяют опыт со следующей солью. Соль натрия исследуют последней, так как окраска натрия забивает все остальные. 2. Проволоку отмывают и обмакивают в раствор с пробой. Вносят в пламя и определяют её содержимое по цвету пламени или линиям, наблюдаемым в спектроскопе. Отчёт. Заполняют таблицу, цвет пламени. в которой указывают металл и § 41 Электронные подуровни и номер группы и подгруппы Рекомендуется повторить, как различить главные и побочные подгруппы в таблице Менделеева (§ 14); что такое электронный уровень, каково максимальное число электронов на каждом уровне (§ 40), каков смысл номера группы и периода в таблице Менделеева (§ 14). — К какой подгруппе относится сера? Хром? Калий? Медь? — Назовите элемент побочной подгруппы с наименьшим номером. — Сколько электронов на последнем уровне у атома натрия? — Какой уровень заполняется у атома натрия? Электронные подуровни и номер группы и подгруппы Свойства подуровней электронной оболочки Таблица VI.2 Обозначение Максимальное число электронов С какого уровня появляются С какого периода появляются S 2 1 1 Р 6 2 2 d 10 3 4 / 14 4 6 Давайте попытаемся построить распределение электронов по уровням для элемента № 19 (калия К). Номер элемента в таблице Менделеева даёт нам общее число электронов —19. Элемент находится в 4-м периоде, значит, у него заполняется четвёртый электронный уровень. Но где же взять столько электронов? Ведь их всего 19. 1-й уровень — 2е~; 2-й уровень — 8е~; 3-й может разместить 18е~. А что же будет на 4-м? Обратимся снова к таблице Менделеева. Калий находится в I группе, это значит, что у него на последнем (4-м) уровне один электрон. Получается, что 3-й уровень остался незаполненным?! Как такое может быть? Для того чтобы это объяснить, придётся детальнее углубиться в строение электронной оболочки атома. Дело в том, что каждый уровень делится на подуровни. Подуровень с наименьшей потенциальной энергией обозначается буквой S (s-подуровень). Этот подуровень есть на любом уровне, и на нём может находиться не более двух электронов. Следующий по энергии подуровень обозначается латинской буквой р (р-подуровень). На каждом р-подуровне может быть не более шести электронов; р-подуровни появляются, начиная со 2-го уровня (у элементов 2-го периода). Далее следуют d-и /-подуровни. На них может быть, соответственно, Юе~ и 14е~; d- и /-подуровни появляются начиная с третьего и четвёртого уровней соответственно. Свойства всех подуровней сведены в табл. VI.2. Вернёмся снова к четвёртому периоду таблицы Менделеева. Он начинается с калия, за ним следует кальций. Это элементы главных подгрупп. ЗАДАНИЕ 41.1. Запишите для калия и кгшьция число электронов по уровням и подуровням. Далее идёт элемент скандий, который относится к побочной подгруппе. И за ним следует ещё девять элементов из побочных подгрупп, вплоть до цинка, что совпадает с числом электро- Электронное строение атома и Периодический закон нов d-подуровня. И только после цинка следуют шесть элементов главных подгрупп. Период заканчивается газом ксеноном. Видно, что число элементов побочных подгрупп в каждом периоде равно числу d-электронов на каждом уровне. И действительно, в побочные подгруппы попадают элементы, у которых заполняется d-подуровень. При этом s-подуровень заполняется раньше, чем d-подуровень предыдущего уровня. Поэтому-то у калия и кальция заполняется 45-подуровень, а у скандия после 4s электрон идёт на 3d. У атомов следующих за скандием элементов заполнение Зd-пoдypoвня продолжается, пока он не окажется полностью заполненным у цинка. Только у элементов после цинка заполняется 4р-подуровень (от гешлия до ксенона). номер уровня символ подуровня ня подур Какой подуровень какого уровня обозначается символом 4d? 5р? Порядок заполнения подуровней показан на рис. 71. У всех элементов побочных подгрупп (их называют d-элемента-ми) есть одна общая особенность: у них на последнем (s) уровне находится по два электрона. Эти два электрона придают всем элементам побочных подгрупп общие свойства: все эти элементы могут проявлять валентность II. Различие по числу d-электронов определяет индивидуальные свойства d-элементов. Теперь, понимая, что электроны распределены по подуровням и что существуют побочные подгруппы, уточним, что же показывает номер группы в таблице Менделеева. Для элементов главных подгрупп номер группы равен сумме числа электронов на s-и р-подуровнях последнего (из заполняемых) уровня. У элементов побочных подгрупп ситуация сложнее: только у элементов, находящихся в группе с III по VII, номер группы напрямую связан со строением их электронной оболочки. А именно: у них номер группы соответствует сумме числа электронов на последнем s- и предпоследнем d-под-уровнях. У остальных элементов в традиционной версии таблицы Менделеева номер группы в большей степени отражает химические свойства (номер группы равен максимально возможной валентности), чем электронное строение. Эта неоднозначность — источник многочисленных споров о том, как ней Электронные подуровни и номер группы и подгруппы представлять Периодическую систему элементов (в частности, как нумеровать группы). Номер группы Периодической системы соответствует: • у элементов главных подгрупп — сумме числа электронов на S- и р-подуровнях последнего уровня; • у элементов III-VII побочных подгрупп — сумме числа электронов на s-подуровне последнего уровня и сУ-подуровня предпоследне- I го уровня. ПРИМЕР 41.1. Сколько электронов находится на ^d-подуровне у ванадия? Решение. Ванадий находится: • б IV периоде, следовательно, последний уровень, на котором у него есть электроны — четвёртый; • в побочной подгруппе, следовательно, у него на последнем {четвёртом) уровне 2з-электрона и заполняется 3d-nodypo-вень; • б V группе, следовательно, на Sd-подуровне у него 5 —2 = 3б~. ПРИМЕР 41.2. Сколько электронов находится у мышьяка на Ар-подуровне? На Sd-подуровне? Решение. Мышьяк находится: • б IV периоде, следовательно, последний уровень, на котором у него есть электроны, — четвёртый; • в V группе, главной подгруппе, следовательно, у него на последнем {четвёртом) уровне Ъе~ — на s- и р-подуровнях. Из них 2е~ находятся на As-подуровне {поскольку он заполняется раньше, чем Ар), а остальные 5 — 2 = 3 — на Ар-подуровне. Поскольку Sd-подуровень заполняется раньше, чем Ар {рис. 71), у мышьяка Sd-уровень заполнен полностью, т. е. на нём находится 10б“. Сколько электронов находится на 48-подуровне у атома брома? Калия? На Зс?-подуровне у атома марганца? В нижней части таблицы Менделеева можно увидеть два ряда по 14 элементов. Эти элементы — лантаноиды и актиноиды. У их атомов заполняется /-подуровень. Поскольку /-электроны находятся глубоко внутри электронной оболочки (рис. 71), то они почти не влияют на химические свойства элементов. Электронное строение атома и Периодический закон Контрольные вопросы 41.1. Что такое электронные подуровни? 41.2. Какие бывают электронные подуровни? 41.3. Сколько электронов может быть на s-подуровне? р-подуровне? d-подуровне? 41.4. Как номер группы в таблице Менделеева связан с распределением электронов по подуровням? О Задание на дом 41.1. Заполните таблицу, указав, сколько электронов находится на соответствующих подуровнях атомов элементов. Элемент Зр 4s 3d 4р S К Ti Se Кг Ресурсы Тренажёры электронные • Модуль «Тренажёр „Основные сведения о строении атома“«, http://f cior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Группы и периоды периодической системы Д. И. Менделеева», http://f cior.edu.ru Q § 42 Орбитали и валентные электроны. Электронные формулы Рекомендуется повторить понятие о химической связи (§ 11, 16); что такое электронный уровень (§ 40) и подуровень (§41); как определять число электронов на s- и р-подуровнях последнего уровня у элементов главных подгрупп и каковы особенности электронного строения элементов побочных подгрупп (§ 41). Из курса физики вспомните: что такое потенциальная энергия. — Какой из элементов относится к главной подгруппе, а какой — к побочной: сера, калий, медь? Орбитали и валентные электроны — Сколько электронов на последнем уровне у атома серы? Хрома? Калия? — Сколько электронов на р-подуровне последнего уровня атома серы? Калия? Итак, атомы связываются друг с другом с помощью своих электронов, которые могут принимать участие в образовании химических связей. Такие электроны называют валентными. Валентными называются электроны, участвующие в образовании химических связей. Какие же электроны могут участвовать в образовании химической связи? Только электроны с достаточно высокой потенциальной энергией (иначе образование связи будет энергетически невыгодно). А такой энергией обладают электроны, лежащие выше оболочки ближайшего благородного газа. Сама оболочка благородного газа очень прочная, именно поэтому благородные газы почти не образуют химических связей. Например, у калия (19 электронов) поверх электронной конфигурации аргона (18 электронов) лежит один электрон — он и будет валентным. Наименьшую потенциальную энергию в периоде имеет оболочка ^ с электронной конфигурацией благородного газа. Сколько валентных электронов у кальция? Но и это ещё не всё. Электроны заполненного d-подуровня также имеют низкую потенциальную энергию и не участвуют в образовании химических связей. Потому у элементов главных подгрупп d-электроны в образовании химических связей тоже не участвуют. У элементов главных подгрупп валентные электроны находятся на S- и р-подуровнях последнего уровня. У элементов побочных подгрупп валентные электроны находятся на s-подуровне последнего уровня и d-подуровне предпоследнего уровня. Периодическая система построена так, что для элементов главных подгрупп число валентных электронов совпадает с номером группы. Для элементов побочных подгрупп это совпадение наблюдается в III-VII группах. Электронное строение атома и Периодический закон А какая картина наблюдается у остальных элементов побочных подгрупп? У элементов группы ПВ d-подуровень полностью заполнен и в образовании связей участвуют только два электрона последнего s-подуровня. У элементов группы IB один электрон с последнего s-подуровня «проваливается» на предпоследний d-подуровень, чтобы полностью его заполнить. Поэтому у этих элементов на последнем s-подуровне находится только один электрон, он и есть валентный. Для того чтобы понять, как валентные электроны образуют химические связи, нужно ещё немного углубиться в строение электронной оболочки. Электронные подуровни разбиваются на орбитали. Если продолжать аналогию с домом, то орбитали будут комнатами в квартирах — подуровнях. На одной орбитали может быть не больше двух электронов, причём в пределах подуровня электроны стараются «разойтись по разным комнатам», т. е., по возможности, расположиться по одному на каждой орбитали. |На каждом уровне есть одна s-орбиталь, начиная со второго уровня — три р-ор6итали, с третьего — пять d-орбиталей, с четвёртого — семь f-орбиталей. У элементов главных подгрупп четыре валентные орбитали (одна s-орбиталь и три р-орбитали). Конфигурацию валентного уровня удобно изображать с помощью электронных формул. Записывают символ элемента и по сторонам мысленно очерченного вокруг него квадрата (одна сторона — одна орбиталь) ставят жирные точки: одна точка — 1е~ (рис. 72). В электронных формулах взаимное расположение орбиталей не имеет значения. Электронную формулу кислорода можно изобразить тремя способами: • N: Рис. 72. Электронная формула атома азота ю- о: Ю: ЗАДАНИЕ 42.1. Изобразите электронные формулы атомов натрия, алюминия, хлора, иода. Что общего в электронном строении у хлора и иода? Если на одной орбитали имеются два электрона, то они называются неподелённой электронной парой (или просто неподелённой парой). Если же на орбитали находится один электрон, то такой электрон называют неспаренным. Орбитали и валентные электроны Алгоритм 16. Алгоритм изображения электронной формулы Задача. Изобразить электронную формулу атома кислорода. Шаг Пример 1. Символ элемента мысленно вписать в квадрат О 2. Сосчитать число валентных электронов Кислород находится в группе VI, значит, у него 6 валентных электронов 3. Два электрона сразу изобразить двумя точками на одной из сторон квадрата О: Это заполнена s-орбиталь. Осталось ещё 4е” 4. Оставшиеся электроны изобразить точками на каждой стороне квадрата по одному •О: Остался 1е" 5. Если электроны ещё остаются, дорисовать их к одиночным точкам на сторонах квадрата •Q* Получилось две пары электронов и два неспаренных электрона Так, у атома азота одна неподелённая пара и три неспаренных электрона. Сколько неспаренных электронов и неподелённых пар у атома кислорода? Контрольные вопросы 42.1. Что такое валентные электроны? 42.2. Сколько электронов может находиться на одной орбитали? 42.3. Сколько орбиталей может быть на s-подуровне, р-подуровне, d-подуровне? 42.4. Что такое неспаренный электрон? Электронное строение атома и Периодический закон Задание на дом 42.1. Заполните таблицу Элемент Общее число валентных электронов Число валентных электронов на s-подуровне Число валентных электронов на р-подуровне Число валентных электронов на d-подуровне Na Cl V Sn Fe 42.2. Заполните таблицу Элемент Электронная формула Число неподеленных пар Число неспаренных электронов Mg Р Se РЬ О 42.3. Составьте электронные формулы для следующих элементов: серы, калия, титана, селена. Укажите число неподелённых пар и число неспаренных электронов. Ресурсы Электронные пособия • Модуль «Основные сведения о строении атома. Модели строения атомов», http://fcior.edu.ru • Модуль «Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева», http://fcior.edu.ru Q § 43 Образование ковалентной химической связи и валентность Рекомендуется повторить, что такое валентные электроны и как определять, сколько их; как изображать электронные формулы (§ 42); что такое химическая связь (§ 16); как определять валентность по таблице Менделеева (§ 21). Из курса физики вспомните что такое магнит. — Сколько валентных электронов у серы? Запишите её электронную формулу. Образование ковалентной связи и валентность — Сколько неспаренных электронов у атома серы? — Сколько валентных электронов у хрома? Мы уже многократно обсуждали, что атомы связываются друг с другом с помощью своих электронов. Но возникает вопрос, почему же отрицательно (т. е. одноимённо) заряженные частицы связываются друг с другом вместо того, чтобы отталкиваться. А дело всё в том, что каждый электрон создаёт вокруг себя магнитное поле. Магнитные поля неспаренных электронов разных атомов взаимодействуют между собой. В результате этого взаимодействия образуется одна электронная пара — общая для двух атомов. Атомы сближаются друг с другом. Так образуется ковалентная химЕическая связь между двумя атомами. При образовании связи выделяется энергия. Ковгтентная связь — связь между двумя атомами за счёт образования общей электронной пары. При образовании молекулы воды неспаренный электрон водорода объединяется с неспаренным электроном кислорода, образуя общую пару, т. е. ковалентную связь Н + 0.-Ь Н ^ШОШ В этой схеме две общие электронные пары обведены рамкой. Поскольку каждая общая электронная пара — это одна связь, их можно заменить чёрточками (символами связи) в графической формуле: Н-О-Н Один неспаренный электрон атома участвует в образовании одной ковалентной связи. При образовании ковалентных связей в химическом соединении неспаренных электронов, как правило, не остаётся — все они участвуют в образовании связей. Минимальная (низшая) валентность элемента равна числу неспаренных электронов у него. Для элементов главных подгрупп V-VII группы (для которых, собственно, и характерно образование ковалентных связей) низшая валентность равна разности: 8 минус номер группы. .«BS4 Низшая валентность элемента равна числу неспаренных электронов: 8 — номер группы (V-VII группы). Запишите электронную формулу хлора. Чему равна его низшая валентность? Сделайте то же самое для иода. Чему равна низшая валентность элементов главной подгруппы VII группы? VI группы? V группы? Электронное строение атома и Периодический закон ЗАДАНИЕ 43.1. Запишите электронные и графические формулы соединения водорода с азотом. При некоторых условиях валентные электроны неподелённых пар тоже могут стать неспаренными. Говорят, что атом перейдёт в возбуждённое состояние. Тогда атом способен проявить промежуточные и высшую валентность. Последняя равна числу валентных электронов. Высшая валентность элемента равна числу валентных электронов и совпадает с номером группы. ЗАДАНИЕ 43.2. Запишите электронную формулу хлора и укажите его возможные валентности. Чтобы разделить неподелённые пары, нужна энергия. Затраты энергии должны быть скомпенсированы при образовании химических связей. Это удаётся не всегда. Поэтому промежуточные и высшие валентности проявляются в соединениях с фтором, кислородом, в редких случаях — с серой, хлором, азотом, бромом. Все эти элементы находятся в правом верхнем углу таблицы Менделеева. При этом фтор и кислород проявляют только низшие валентности. ; Большинство элементов проявляют высшие валентности, только о6-|[ разуя химические связи с фтором, кислородом, реже — с хлором, серой, бромом и азотом. Какие валентности может проявлять фосфор в соединениях: а) с кислородом; б) с натрием? Атомы четырёх элементов — бора, алюминия, углерода и кремния — при образовании соединений всегда находятся в возбуждённом состоянии, поэтому проявляют только высшую валентность. Это объясняется, с одной стороны, небольшой энергией возбуждения (электрон переходит с s-орбитали на р-орбиталь в пределах одного уровня), а с другой — большим выигрышем в энергии при образовании связей с другими атомами. Возбуждённое состояние бора В и углерода С В ЗАДАНИЕ 43.3. Запишите электронную и кремния в возбуждённом состоянии. формулу алюминия Радиус атома ЗАДАНИЕ 43.4. Запишите электронную и графическую формулы соединения бора с фтором. Таким образом, валентность обусловлена строением электронной оболочки атома. Она изменяется периодически потому, что электронная конфигурация валентных уровней периодически повторяется. Фтор и кислород проявляют только низшую валентность. 5- Бор, алюминий, углерод и кремний проявляют только высшую ва-I лентность. Контрольные вопросы 43.1. Что такое ковалентная химическая связь? 43.2. Какова роль неспаренных электронов в образовании ковалентной связи? 43.3. Как связана низшая валентность с числом неспаренных электронов? 43.4. Что должно произойти с электронами, чтобы элемент проявил высшую валентность? Задание на дом 43.1. Изобразите электронные и графические формулы соединений: а) хлора с водородом; б) серы с водородом; в) фосфора с водородом; г) углерода с водородом; е) кремния с хлором. 43.2. Какие валентности может проявлять сера в соединении с фтором? С магнием? 43.3. Напишите формулы всех возможных соединений мышьяка с кислородом. О § 44 Радиус атома. Электроотрицательность и полярность связи Рекомендуется повторить, как связаны потенциальная энергия электрона и его расстояние от ядра (§ 40); как образуется ковалентная связь (§ 43), какие элементы относятся к металлам (§ 4). Электроны в атоме сложным образом влияют друг на друга. Это влияние приводит к тому, что потенциальная энергия электронов, находяш;ихся на одноимённых орбиталях (например, р-ор-биталях) в атомах разных элементов, оказывается различной. Поскольку потенциальная энергия электрона прямо связана с рас- Электронное строение атома и Периодический закон стоянием от ядра, энергию валентных электронов можно охарактеризовать так называемым орбитальным радиусом атома. 1^м0ллтш Орбитальный радиус атома — расстояние от ядра, на котором наиболее вероятно нахождение валентных электронов внешнего подуровня. ■asseSSiro«tfWeW.<-Vf.jUSMi Орбитальные радиусы начали рассчитывать с 1930-х гг., когда были заложены основы квантовой механики. Закономерность изменения орбитальных радиусов при этом чётко прослеживается: они уменьшаются по периоду от щелочного металла к благородному газу (рис. 73), т. е. валентные электроны щелочного металла имеют наибольшую потенциальную энергию, а благородного газа — наименьшую. Из этого следуют два очень важных вывода. Во-первых, электронная конфигурация благородного газа — самая устойчивая в периоде (о чём уже говорилось в § 42). Во-вторых, при образовании ковалентной связи между двумя атомами разных элементов общая электронная пара смещается к одному из двух атомов. Величина этого смещения определяется не только орбитальными радиусами атомов, но и всем сложным взаимодействием между ними. Для того чтобы охарактеризовать способность атома смещать (приближать к себе) общую электронную пару, было введено понятие электроотрицательности. - iirrifrr-i-ni-|| П|-|- II ш||П|гпм» Электроотрицательность — способность атома смещать к себе общую электронную пару. Чем больше электроотрицательность, тем сильнее атом «тянет на себя» электронную пару, образующую ковалентную связь. Радиус атома 1,0 2,0 3,0 Электроотрицательность Рис. 74. Электроотрицательность элементов по Полингу 4.0 Поскольку смещение общих электронных пар зависит от множества разных факторов, точно определить электроотрицательность невозможно. Существует несколько разных шкал электроотрицательности, из которых наиболее распространена шкала Полинга (рис. 74). Электроотрицательность увеличивается по периоду Периодической системы слева направо. В группе растёт снизу вверх (чем меньше внутренних электронов, тем меньше они отталкивают внешние электроны от ядра). Самый электроотрицательный элемент — фтор, за ним по электроотрицательности идут кислород, азот и хлор. Водород по электроотрицательности находится между углеродом и кремнием. С одной стороны, он не способен легко расстаться со своим единственным электроном, а с другой — не способен своим единственным протоном удержать лишний электрон. Если электроотрицательность элемента 1,7 и выше, ему соответствует неметалл, ниже 1,7 —металл. ЗАДАНИЕ 44.1. Сравните электроотрицательность следующих элементов: а) Н и F; б) Na и С1; в) А1 и О; г) С1 и О; д) Н и S. Если ковалентная связь связывает два разных атома, то более электроотрицательный элемент тянет к себе общую электронную пару. Ковалентная связь становится полярной. Смещение общих электронов ковалентной связи обычно обозначают стрелкой. Связь между двумя одинаковыми атомами неполярна, т. е. общие электроны в равной мере принадлежат обоим атомам. Электронное строение атома и Периодический закон Ковалентная полярная связь — ковалентная связь, общие электроны которой смещены к одному из атомов. Ковалентная неполярная связь — ковалентная связь, общие электроны которой в равной мере принадлежат обоим атомам. ПРИМЕР 44.1. В молекуле НС1 более электроотрицательный хлор смещает к себе общую электронную пару, которую он образует с водородом Н-^С1 ЗАДАНИЕ 44.2. Укажите, в какую сторону смещены общие элект- ронные пары ковалентных связей. H-N-H С1-А1-С1 H-F H-C=N I I Н С1 н н \ / н—с—с—н / \ н н V°"“ 0^ '^о-н Поскольку атом более электроотрицательного элемента смещает к себе общую электронную пару, на нём образуется частичный (меньше 1) отрицательный заряд (обозначается ^—). На менее электроотрицательном атоме образуется частичный положительный заряд (<5-f). Пример: <5 + н 6- -С1 ЗАДАНИЕ 44.3. Расставьте частичные заряды на графических формулах из задания 44.2. Полярность связей в значительной мере определяет физические и химические свойства веществ. Например, полярные молекулы (в которых электроны связи смещены от одного конца молекулы к другому) притягиваются друг к другу разноимённо заряженными концами, что повышает температуру плавления и кипения этих веществ. Частица, содержащая атом с частичным положительным зарядом, может взаимодействовать с частицей, содержащей атом с частичным отрицательным зарядом. Например, молекула SO3 (^-ь на сере) легко реагирует с водой (J— на кислороде): Н о ^ I .0-Н II о о^'^о Ионная связь Контрольные вопросы 44.1. Как изменяется радиус атома по периоду? При переходе от инертного газа к следующему за ним щелочному металлу? 44.2. Как связан орбитальный радиус атома с энергией валентных электронов? 44.3. Что такое электроотрицательность? 44.4. Почему ковалентная связь может быть полярной? Задание на дом н. какому атому смещена частичные заряды. С1 1 н 1 С1-С-С1 ь II 0 н-с 1 С1 1 н 0-Н ^1 \ -н 0-Н о Ресурсы Тренажёры электронные • Модуль «Лабораторная работа „Конструирование моделей молекул сложных веществ с ковалентными связями**», http://fcior.edu.ru • Модуль «Лабораторная работа „Конструирование моделей молекул водорода, кислорода и воды**», http://fcior.edu.ru Электронные пособия • Модуль «Ковалентная химическая связь (неполярная и полярная)», http://fcior.edu.ru § 45 Ионная связь Рекомендуется повторить, что такое орбитальный радиус и электроотрицательность (§ 44), что общего у всех элементов побочных подгрупп (§ 41); как составлять формулы соединений двух элементов (§ 16). Из курса физики вспомните что такое электростатическое взаимодействие. — Составьте формулу оксида алюминия. В предыдущем параграфе было описано, что атом более электроотрицательного элемента смещает к себе общую пару электронов от менее электроотрицательного элемента. А может ли один атом полностью забрать себе общие электроны? Может. Это происходит в случае, если разность электроотрицательностей достаточно велика (условной границей считают разность не менее 1,5 при том, что один из элементов — металл, т. е. имеет электроотрицательность не меньше 1,7). В результате образуются Электронное строение атома и Периодический закон заряженные частицы — ионы. Атомы более электроотрицательного элемента отбирают чужие электроны, в результате образуются отрицательно заряженные ионы — анионы. Атомы менее электроотрицательного элемента отдают свои электроны, и образуются положительно заряженные ионы — катионы. Ион — одноатомная или многоатомная частица, несущая электрический заряд. Катион — положительно заряженный ион. Анион — отрицательно заряженный ион. Может ли один из элементов пары полностью отобрать у другого общие электроны: Na и Cl; S и Вг; Mg и S; С и О? Какой элемент в паре отберёт общие электроны, а какой — отдаст: Mg и F; S и К? величина заряда знак заряда Заряд (-(-и —) иона записывают в правом верхнем углу символа (химической форму-^2-|^ лы). Число отданных или принятых элект- |v|Q ронов (величина заряда) ставится перед зна- ^ ком заряда. Число электронов в ионе отличается от числа электронов в соответствующем нейтральном атоме, но совпадает с конфигурацией атома с тем же числом электронов. Электронная конфигурация любого иона совпадает с электронной конфигурацией элемента с тем же числом электронов. ПРИМЕР 45.1. Какому элементу соответствует электронная конфигурация иона Mg^"*"? Решение. Первый способ. В ионе Mg^+ содержится 12 — 2 = 10 электронов. Такое же число электронов имеет неон. Следовательно, ион Mg^"^ имеет электронную конфигурацию неона. Второй способ. Магний находится во второй группе, у него два валентных электрона. Если он отдаст эти электроны, у него валентных электронов на третьем уровне не останется, зато второй уровень полностью заполнен, что соответствует неону. Сколько электронов у иона Ag+? Al^"^? S^“? Какому элементу соответствует электронная конфигурация иона Ag+? А13+? S2-? Напишите формулу иона кальция, электронная конфигурация которого соответствует аргону; напишите формулу иона кислорода, электронная конфигурация которого соответствует неону. Ионная связь У элементов главных подгрупп, как правило, устойчивы ионы, имеющие электронную конфигурацию инертного газа, причём заряд которых не больше трёх (иначе его трудно удержать). Таким образом, устойчивые катионы (с зарядом, равным номеру группы) образуют щелочные и щелочноземельные металлы (I и II группа), а также алюминий. Устойчивые анионы образуют галогены и халькогены (VII и VI группы). Величина заряда этих анионов равна числу электронов, которых недостаёт до конфигурации благородного газа, т. е. 8 минус номер группы. Это также совпадает с низшей валентностью элементов. Все элементы побочных подгрупп способны отдавать свои валентные s-электроны, образуя катион с зарядом 2+. Железо и хром, кроме того, образуют трёхзарядные катионы Fe®"'' и Сг®'*', а серебро — однозарядный катион . ИОНЫ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗНЫХ ПОДГРУПП: • Группа 1А — однозарядные катионы (К"^). • Группа ИА и все побочные подгруппы — двухзарядные катионы (Са^"^). ^ • Группа VIIA — однозарядные анионы (С1“). ^ • Группа VIA — двухзарядные анионы (S^“). • Кроме того, существуют АР+, Сг^"^, Fe^+, Ag+. ПРИМЕР 45.2. Какой устойчивый ион образует магний? Решение. Магний — щелочноземельный металл; он образует катион. Величина его заряда равна номеру группы, т. е. Mg^”*". Запишите формулу устойчивых ионов калия, кальция, серы, хлора, марганца. Энергетические эффекты при образовании устойчивых ионов можно проиллюстрировать изменениями их орбитальных радиусов. Орбитальный радиус при образовании устойчивого катиона уменьшается в несколько раз, становясь близким к орбитальному радиусу атома соответствующего инертного газа. Например, орбитальный радиус атома натрия составляет 0,17 нм, а иона Na+ — 0,03 нм, что почти совпадает с орбитальным радиусом неона. А орбитальный радиус аниона лишь незначительно увеличивается (за счёт электростатического отталкивания электронов): 0,074 нм у иона С1“ и 0,073 нм у атома хлора. Поэтому в сумме полная передача валентного электрона натрия на валентную орбиталь хлора с образованием пары катион—анион оказывается энергетически выгодной. Na- + .Q: 4- Na® :Ci:® Электронное строение атома и Периодический закон Ионная связь — связь между катионом и анионом, в результате их электростатического взаимодействия. возникающая Итак, если более электроотрицательный атом отнимает электроны у менее электроотрицательного, образуются ионы с противоположным зарядом. Они притягиваются друг к другу электростатическими силами, что даёт дополнительный выигрыш в энергии. Так образуется ионная связь. Формулы соединений с ионной связью составляются на основе валентностей элементов или зарядов ионов (что при ионной связи одно и то же). Соединение с ионной связью электронейтрально, т. е. суммарный заряд входягцих в него катионов и анионов равен нулю. Например, если натрий образует связь с хлором, атом хлора полностью забирает электрон у атома натрия. В результате атом натрия превращается в однозарядный катион натрия Na+, а атом хлора — в однозарядный анион хлора С1~. Образующиеся ионы притягиваются друг к другу, образуя соединение NaCl. Какие ионы образуют натрий и сера при взаимодействии? Какова формула соединения натрия с серой? Какие ионы образуют марганец и хлор при взаимодействии? Какова формула соединения марганца с хлором? Из вышесказанного можно сделать вывод ещё об одном различии металлов и неметаллов. Типичные металлы склонны отдавать электроны, образуя катионы, и никогда не образуют анионов. Наиболее типичные неметаллы^ наоборот, склонны принимать электроны, образуя анионы, и никогда не образуют катионов. Контрольные вопросы 45.1. Что такое ион? Катион? Анион? 45.2. Как образуется ионная связь? 45.3. Какие элементы образуют ионную связь? 45.4. Какие элементы образуют при этом катионы? 45.5. Что такое сложный ион? Приведите пример сложного аниона. Задание на дом 45.1. Каков заряд иона стронция, электронная конфигурация которого соответствует криптону? 45.2. Каков заряд иона свинца, электронная конфигурация которого соответствует ртути? 45.3. Каков заряд иона фосфора, электронная конфигурация которого соответствует хлору? Устойчив ли этот ион? Ионная связь 45.4. Какие элементы могут образовывать устойчивые анионы: фтор, сера, калий, железо? 45.5. Запишите формулы устойчивых ионов, образуемых бромом, селеном, литием, барием, железом, кобальтом, цинком. 45.6. Какие ионы образуются в реакциях соединения веществ? Напишите формулы образующихся соединений: а) F и Ва; б) Ni и S; в) К и I; г) Fe и С1. 45.7. Закончите уравнения реакций и укажите заряды образующихся ионов: а) Na + CI2; б) Ва + S; в) А1 + Вгг. О Ресурсы Тренажёры • Модуль «Тренажёр „Типы химических связей‘4, http://fcior.edu.ru ГЛАВА VII ДЛЯ ФАКУЛЬТАТИВНОГО ИЗУЧЕНИЯ Q § 46 Теория цвета Рекомендуется повторить, что вещества и их растворы могут иметь различные цвета (практическая работа № 1). — Назовите окрашенные вещества из тех, с которыми вы имели дело в лабораторных работах. Какого цвета эти вещества и их растворы? Нас окружает многокрасочный мир. Цвета веществ вы уже описывали неоднократно. Но что означает «вещество окрашено»? Почему мы воспринимаем разные объекты окрашенными в разный цвет? И какими объективными (т. е. не зависящими от нашего сознания) факторами определяется окраска? Восприятие цвета — физиологическое свойство живого организма, которое обусловлено строением нашего глаза и функциями нервной системы, прежде всего мозга. Другие животные, у которых глаз и мозг устроены по-другому, либо вообще не видят цветов (чёрно-белое зрение), либо видят их не так, как люди. С другой стороны, цвет — физико-химическое свойство вещества: наш глаз его воспринимает, а мозг обрабатывает. Начнём с физики. Известно, что свет — это электромагнитная волна. Для нас важно, что любая волна имеет длину, и электромагнитная волна не исключение. Видимый (дневной) свет можно разложить, например, с помощью призмы, на составляющие с разной длиной волны. Длины волн всего видимого света укладываются в диапазон от 400 до 760 нм (нанометров) или от 4 •10-'^ до 7,6-10-'^м1>. Многие из вас любовались радугой и с детства помнят знаменитую подсказку «Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан», которая позволяет запомнить последовательность цветов в радуге: Красный, Оранжевый, Жёлтый, Зелёный, Голубой, Синий, Фиолетовый. Эти цвета расположены в порядке уменьшения означает, что 1 стоит на седьмом месте после запятой, а перед ней — шесть нулей. Теория цвета длины волны (см. цветной блок: рис. Ц-48, Ц-49). Свет (а правильнее — излучение) с длиной волны больше 760 нм называется инфракрасным (ИК), с длиной волны меньше 400 нм — ультрафиолетовым (УФ). Глаз человека не видит ни инфракрасного, ни ультрафиолетового излучения. Свет с определённой длиной волны можно увидеть на светодиодных светофорах, появившихся в последнее время на улицах наших городов. Красный цвет в них обычно соответствует длине волны 660 нм, жёлтый 595 нм, зелёный 525 нм (см. цветной блок: рис. Ц-50). Означает ли, что красный светодиод светофора излучает свет с длиной волны только 660 нм и не излучает, например, 559 нм? Нет, не означает. Любой источник излучения характеризуется своим спектром. Спектр излучения — зависимость интенсивности испускаемого света от длины волны. Спектр излучения — зависимость интенсивности испускаемого света от длины волны. Светодиоды излучают свет в очень узком диапазоне длин волн (см. цветной блок: рис. Ц-51). Спектр испускания старых светофоров с красным стеклом гораздо шире, поэтому цвета таких светофоров казались менее насыщенными (блёклыми). I Вообще, чем шире спектр испускания источника, тем менее насыщенным кажется его цвет. Электрическая лампочка накаливания имеет ещё более широкий спектр испускания, поэтому её свет кажется нам бледно-жёлтым. И наконец, солнце излучает почти одинаково во всём видимом диапазоне. Его свет практически белый. Наш глаз воспринимает разные длины электромагнитных волн как разный свет. Для этого в глазу есть три вида цветочувствительных клеток (рецепторов), которые ещё называются колбочками. Один тип клеток сильнее всего возбуждается под действием красного света, второй — зелёного, а третий — синего; эти клетки так и называются красно-, зелено- и синечувствительными. Если попадающие в глаз электромагнитные волны возбуждают в основном красночувствительные клетки, мозг воспринимает красный цвет. Преимущественное возбуждение зелёночувствительных клеток вызывает ощущение зелёного цвета, синечувствительных — синего. Остальные цвета определяются возбуждением одновременно нескольких рецепторов. Так, примерно одинаковое возбуждение красно- и зелёночувствительных клеток приводит к ощущению жёлтого цвета (в радуге жёлтый цвет находится между красным и зелёным). В этом можно убедиться, направив на белый экран Для факультативного изучения свет красного и зелёного светодиода — при наложении этих кругов появится жёлтый (см. цветной блок: рис. Ц-52). Возбуждение зелено- и синечувствительных клеток даёт ощущение голубого (между зелёным и синим в радуге). При одновременном возбуждении красно- и синечувствительных клеток возникает ощущение цвета, который правильнее всего называть малиновым (см. цветной блок: рис. Ц-53). Ни в коем случае нельзя называть этот цвет фиолетовым, так как фиолетовый имеет длину волны около 400 нм и вызывает раздражение только синечувствительных рецепторов. Примерно одинаковое возбуждение всех трёх рецепторов приводит к ощущению белого цвета. Полное отсутствие возбуждения ощущается как чёрный цвет. В этом можно убедиться, зажмурившись и прикрыв глаза руками. Цвета, дающие при наложении белый, называются дополнительными. Так, дополнительным к синему (возбуждает синечувствительные клетки) является жёлтый (возбуждает зелено- и красночувствительные клетки). Дополнительный к зелёному — малиновый, к красному — голубой. Дополнительные цвета удобно определять с помощью цветового круга (см. цветной блок: рис. Ц-55). Восприятие цвета зависит от состояния человека. Чтобы в этом убедиться, можно проделать простой опыт. Закройте рукой один глаз, а другим в течение 5-10 с посмотрите на яркий источник красного, зелёного или синего света (светодиод, монитор компьютера, цветной фонарь). После этого посмотрите на лист белой бумаги попеременно то одним глазом, то другим. Вы увидите, что белая бумага имеет разный оттенок. Так происходит потому, что светочувствительные клетки привыкают к яркому свету и на какое-то время перестают возбуждаться. На существовании трёх типов цветочувствительных клеток основана так называемая RGB-модель цвета (от английских слов red—«красный», green — «зелёный» и Ыие—«синий»). На этой модели основан принцип работы цветных телевизоров и мониторов. Если рассмотреть в лупу белый экран компьютера, можно увидеть, что он весь состоит из красных, зелёных и синих светящихся точек. Однако эти точки настолько маленькие, что свет от них попадает в одни и те же светочувствительные клетки. Когда яркость свечения точек меняется, изменяется цвет экрана. RGB-мониторы позволяют передать примерно половину цветов, доступных человеческому глазу. Спектр излучения люминофоров, которые дают цветное свечение, достаточно широк, что не позволяет создать на экране чистые цвета. Кроме того, такая модель Теория цвета не позволяет передать цвета с длиной волны меньше, чем у синего света (около 470 нм) и больше, чем у красного (около 660 нм), поэтому фиолетовый цвет, соответствующий 400 нм, ни на одном мониторе увидеть невозможно. А теперь посмотрите вокруг и попробуйте ответить на вопрос: какой свет излучают окружающие вас предметы? Большинство предметов не излучает свет вообще. Мы их видим благодаря тому, что они отражают свет. Кто не верит, может попробовать увидеть что-нибудь в абсолютно тёмной комнате. А теперь ещё один вопрос: какого цвета белая бумага? Не спешите говорить, что белая, а попробуйте сначала осветить её синим или красным светом. Её цвет будет таким же, каким светом вы его осветите. Таким образом, цвет объекта зависит от того, какой свет он отра- жает. Почему же многие поверхности окрашены в белом свете? Потому, что они отражают не все падающие на них лучи — часть лучей они поглощают. Если направить красный свет на границу между красным и белым, то этот свет будет отражаться от обеих поверхностей примерно одинаково. А вот синий свет будет отражаться от красной поверхности гораздо хуже, чем от белой (см. цветной блок: рис. Ц-54). Зависимость интенсивности отражённого света от длины волны называется спектром отражения. Отражённые и поглощённые цвета дополняют друг друга (дополнительные цвета). В какую цветовую область попадает свет, отражённый от синего объекта? Какой свет сильнее всего поглощается жёлтой поверхностью? На разном отражении цветов основана так называемая CMY-модель цвета (от английских слов cyan — голубой, magenta — малиновый или пурпурный, yellow — жёлтый). Всё многообразие цветов в рамках этой модели формируется тремя красителями: голубой (поглощает только красный свет), малиновый (только зелёный) и жёлтый (только синий), которые используются для передачи цветных изображений в полиграфии. Из-за некоторого поглощения света как самими красками, при частичном наложении красок друг на друга, так и бумагой, точная передача чистых цветов почти невозможна (в отличие от модели RGB). Цвета всегда будут несколько «глуше» или «грязнее» оригинальных. Ещё один недостаток полиграфических красок — они всё-таки не полностью поглощают необходимый свет. Так, при сложении (смешивании) этих трёх красок вы никогда не получите настоящий чёрный цвет, поэтому тёмные цвета (тени) и чёрный цвет в цветных изображениях е Для факультативного изучения передаются с добавлением чёрной краски. Поскольку чаще всего ею передаются (подчёркиваются) контуры, чёрная краска получила второе название— «контур», а модель с использованием чёрной краски — CMYK. Вы имели дело не только с окрашенными веществами, но и с окрашенными растворами. Окраска растворов возникает благодаря тому, что они поглощают свет с одними длинами волн и пропускают с другими. Зависимость степени поглощения света от длины волны называется спектром поглощения. Пропущенный и поглощённый цвета — дополнительные. Контрольные вопросы 46.1. Что такое дополнительные цвета? Приведите примеры трёх пар дополнительных цветов. 46.2. При возбуждении каких светочувствительных клеток мы видим жёлтый цвет? 46.3. Что такое спектр? 46.4. Какой длине волны соответствует красный свет? Фиолетовый? Жёлтый? 46.5. Чем отличается спектр поглощения от спектра пропускания? 46.6. Какого цвета будет белая бумага, освещённая синим светом? Красная бумага, освещённая синим светом? 46.7. В какую цветовую область попадает свет, пропущенный через раствор жёлтого цвета? 8 Задание на дом 46.1. Какие цветные растворы надо смешать, чтобы получить серый раствор? 46.2. Какие цветные растворы нужно смешать, чтобы получить зелёный раствор? 46.3. При смешении красного и синего растворов получился малиновый раствор. Можно ли сказать, что мы наблюдали при этом химическую реакцию? Домашний эксперимент Опыты с цветным стеклом и окрашенными жидкостями 1. Если есть стекла или плёнки разных цветов, посмотрите через них на красный, жёлтый и зелёный сигналы светофора. Какое стекло какой свет ослабляет? 2. Если есть плоская стеклянная или пластиковая бутылка, налейте в неё раствор марганцовки (он должен быть прозрачным, но его окраска должна быть очевидной) и посмотрите через него на огни светофора. Вместо марганцовки можно взять иод, зелёнку, виноградный или вишнёвый сок и любую другую окрашенную жидкость. Теория цвета Практическая работа N° 10 СПЕКТРЫ ПОГЛОЩЕНИЯ РАСТВОРОВ Рекомендуется повторить, что такое спектр поглощения (§46), что разные растворы имеют разный цвет (практическая работа J'f» 1). — Назовите цвета радуги в порядке уменьшения длины волны. — Что такое спектр пропускания? — Если раствор имеет малиновый цвет, какой свет он поглощает сильнее всего? Задача, Зарисовать примерные спектры поглощения различных растворов. Указать при этом окраску растворов. Оборудование. Линейка светодиодов и кювета (у преподавателя). На линейке светодиодов красному цвету соответствует длина волны 660 нм, жёлтому — 595 нм, зелёному — 525 нм, синему — 475 нм, фиолетовому — 400 нм. Реактивы. Растворы КМПО4, CUSO4 или Си(КОз)2, К2СГ2О7, NiS04, C0CI2, твёрдая аскорбиновая кислота. В работе зарисовывают спектры этих растворов, спектр раствора К2СГ2О7, разбавленного в 5 раз, спектр раствора К2СГ2О7, к которому добавлена аскорбиновая кислота, и спектр смеси раствора К2СГ2О7 и CUSO4. Всего вы должны зарисовать восемь спектров. Ход работы. При выполнении работы следует использовать лабораторный журнал или тетрадь в клеточку. В них рисуют шкалу для записи спектра (рис. 75). Смотрят на светодиодную линейку через кювету с раствором. Если свет диода полностью проходит, т. е. не поглощается, при соответствующей длине волны ставят точку со значением поглощения «о». Если свет не проходит вообще, то значение поглощения при этой длине волны будет равно 1. Если свет поглоща- О 0,75 0,5 0,25 700 650 600 550 500 450 400 Длина волны, нм Рис. 75. Координатная сетка для зарисовки спектров поглощения. Засечками на осях отмечены длины волн светодиодов 700 650 600 550 500 450 400 Длина волны, нм Рис. 76. Примерный спектр поглощения КМПО4. Сильнее всего поглощается зелёный свет (525 нм). Красный (660 нм) и фиолетовый (400 нм) почти не поглощаются Для факультативного изучения Класс: соли КМпОд Номенклатурное название: перманганат калия. Тривиальное название: марганцовка БУДЕМ ЗНАКОМЫ! Тёмно-малиновые кристаллы, растворяются в воде с образованием малинового раствора, разлагается при 240° С с выделением кислорода. Сильнейший окислитель, многие горючие вещества в смеси с ним при нагревании взрываются. Раствор — дезинфицирующее средство (в частности, используют для дезинфекции воды в полевых условиях: достаточно нескольких кристалликов марганцовки на 1л воды). При попадании на кожу реагирует с ней, оставляя коричневые пятна МпОг (см. цветной блок: рис. Ц-56, Ц-14). ется чуть-чуть — 0,25, примерно наполовину — 0,5, почти полностью— 0,75. Гнаться за большой точностью не следует, так как задача качественная. Нанесённые точки следует соединить плавной линией. Если на краях диапазона поглош;ение отличается от нуля, ни в коем случае нельзя обрывать спектр вниз — он продолжается за границы видимого диапазона, но мы не знаем как. Для наглядности приведём примерный спектр поглош;ения раствора перманганата калия КМПО4 (рис. 76 и вклейку: рис. Ц-57). Отчёт. В отчёте должны присутствовать название соединения, цвет его раствора и его спектр, причём спектр должен однозначно соотноситься с названием. Желательно каждый спектр рисовать на отдельном графике. Допускается наложить на один график спектры концентрированного раствора К2СГ2О7, разбавленного раствора К2СГ2О7 и раствора К2СГ2О7, обработанного аскорбиновой кислотой. Кроме того, в конце отчёта следует ответить на вопросы. 1. От чего зависит интенсивность поглощения света при той или иной длине волны (см. цветной блок: рис. Ц-58)? 2. Произошла ли химическая реакция при смешивании растворов дихромата калия и сульфата меди? Обоснуйте ответ. 3. Произошла ли химическая реакция при добавлении аскорбиновой кислоты к дихромату калия? Обоснуйте ответ. 4. Почему при смешивании оранжевого и голубого растворов получается зелёный раствор? Кристаллогидраты § 47 Кристаллогидраты Оборудование. Пробирки, штатив для пробирок, держатель для пробирок, спиртовка или сухое горючее с подложкой и крышкой, ёмкость с дистиллятом, ёмкость для слива. Реактивы. Сульфат меди CHSO4 • бНгО, хлорид кобальта C0CI2 • 6Н2О. ОПЫТ 47.1. Обезвоживание кристаллогидрата. В сухую пробирку насыпают несколько кристалликов сульфата меди CUSO4 • 5Н2О или хлорида кобальта C0CI2 • 6Н2О. Какого цвета вещество в пробирке? Пробирку с кристаллами аккуратно нагрейте. Обратите внимание на изменение цвета кристаллов и на появление капелек воды на стенках пробирки. Дождитесь, пока пробирка остынет, и капните на кристаллы немного воды (или дождитесь, пока на них стечёт водный конденсат со стенок пробирки). Обратите внимание на изменение цвета кристаллов. Д При нагревании происходит изменение состава исходного вещества, а на стенках пробирки конденсируются капельки воды. Откуда взялась эта вода, если пробирка была сухой, а вещества — твёрдыми? Твёрдые вещества, которые содержат «невидимую», связанную воду, называются кристаллогидратами. При нагревании этих веществ вода выделяется и образуется безводное вещество, цвет которого часто отличается от цвета исходного кристаллогидрата. Если на безводный продукт капнуть водой, он снова превратится в кристаллогидрат. Кристаллогидрат не следует путать с раствором. Состав раствора может изменяться в широких пределах (насколько позволяет растворимость вещества). Кристаллогидрат имеет строго определённый состав, что находит отражение в его химической формуле (например, CUSO4 • 5Н2О, C0CI2 • 6Н2О). Кроме того, в растворе вода находится в жидком состоянии, а кристаллогидрат — твёрдое вещество. Вода, содержащаяся в кристаллогидрате, называется кристаллизационной водой. При нагревании кристаллогидрата возможны две ситуации. Если он разлагается при температуре ниже 100 °С (как, например, C0CI2 • 6Н2О), то образующееся безводное вещество растворяется в выделившейся воде. Внешне это выглядит как плавление вещества. Чтобы отличить плавление вещества от разрушения (разложения) кристаллогидрата, нужно продолжить нагревание. Если кристаллогидрат разложился, вода выкипит, останется твёрдое вещество — безводная соль. Для факультативного изучения О о Если же кристаллогидрат разлагается при температуре выше 100 °С (как, например, CUSO4 • бНгО), то при его нагревании кристаллизационная вода сразу превращается в водяной пар, и в остатке получается твёрдое вещество. При пропускании некоторых газов через холодную воду спустя некоторое время из воды начнёт выпадать осадок, похожий на лёд. Это так называемые клатраты, или газовые гидраты, — твёрдые соединения, в которых частицы газа «выстраивают» вокруг себя частицы воды. Некоторые газы (например, хлор CI2) образуют клатраты при атмосферном давлении, другие, как метан СН4, — при высоком давлении. Большие залежи клатратов метана находятся на больших глубинах океана (где они образуются под действием высокого давления толщи воды), если там имеются выходы этого газа. Контрольные вопросы 47.1. Что такое кристаллогидрат? 47.2. Что происходит при нагревании кристаллогидрата? 47.3. При нагревании вещества оно сначала превратилось в жидкость, после чего жидкость закипела, а когда она выкипела — остался твёрдый остаток. Что можно сказать о природе этого вещества? 47.4* В каком случае при образовании кристаллогидрата из безводного вещества произойдёт более сильное разогревание: в случае C0CI2 или CUSO4? Ресурсы Видеоматериалы • Образование и разрушение кристаллогидратов, http://www.school-collection.edu.ru Лабораторные опыты РАЗЛОЖЕНИЕ КРИСТАЛЛОГИДРАТОВ Рекомендуется повторить понятия «кристаллогидрат» и «плавление кристаллогидрата» (§ 47). — Что такое кристаллогидрат? — Как отличить кристаллогидраты, которые разлагаются при температуре ниже 100 °С и выше 100 °С? Задача. Сравнить цвета различных кристаллогидратов и соответствующих безводных веществ. Оценить температуры разложения (выше или ниже 100 °С) кристаллогидратов. Оборудование. Пробирки, держатель для пробирок, спиртовка (или сухое горючее с подложкой и крышкой), фарфоровый стаканчик для горячих пробирок. Огнеопасность и тушение пламени Реактивы.. Различные кристаллогидраты: CUSO4 • бНгО, КагЗгОз • бНгО, CoCl2 -6H20, CoS04 -7H20, NiCl2 -4H20, NiS04 • 7Н2О, CuCl2 -4H20. Можно взять также другие вещества. Ход работы. сталлогидрат). На донышко пробирки насыпают вещество (кри- Не допускать стекания конденсата на раскалённую часть пробирки! Для этого следует прогревать пробирку по всей длине. :—Tftoi и* ыайи вм wttf Нагревают. Если кристаллы превращаются в жидкость — значит, температура разложения кристаллогидрата ниже 100 °С. Продолжают нагревать до испарения воды. Отмечают цвет безводного вещества. Нельзя допускать, чтобы водный конденсат в верхней части пробирки стекал вниз на раскалённую часть пробирки. Для этого капельки воды следует выпаривать, прогревая пробирку по всей длине. Отчёт. Оформляют в лабораторном журнале в виде таблицы. Формула Цвет Цвет Температура кристалло- кристалло- безводного разложения гидрата гидрата вещества О 100 или < 100 °С) А § 48 Огнеопасность и тушение пламени Рекомендуется повторить горение (§ 22). — Какие вещества вступают в реакцию горения? Пламя может быть нашим смертельным врагом. Людьми производятся огромные количества горючих веществ и возрастающие количества энергии. При несоблюдении правил техники безопасности энергия, попадая в горючее вещество, вызывает возгорание, которое может развиться в пожар. Пожар это неконтролируемое распространение пламени. «ммаваюйвс В 2009 г. в России при пожарах погибло почти 19 000 человек, что равно населению небольшого города. Прямой материальный ущерб от пожаров составил почти 11 млрд руб.^^ — по 75 руб. на каждого жителя России. Поэтому пожары нужно уметь предотвращать и, если они всё-таки возникли, — тушить. В какой момент костёр переходит в пожар? ^^http://WWW.mchs.gov.ru/ Статистика -> Статистика по пожарам за 2006 год. Для факультативного изучения Из всех веществ и предметов, с которыми люди имеют дело в своей жизни, наиболее пожароопасны горючие жидкости — бензин, ацетон, спирт, различные растворители, лаки, краски и т. д. Жидкости испаряются, и их пары смешиваются с воздухом. Если такая смесь нагревается (от пламени или электрической искры), то пары воспламеняются. Пламя очень быстро распространяется во всём объёме этой газовой смеси, отчего жидкость нагревается и испаряется дополнительно. Чем выше температура, тем сильнее испаряется жидкость, т. е. в воздухе оказывается больше паров. Если паров горючей жидкости в воздушной смеси мало, они загореться не могут. Однако при определённой температуре (называемой температурой вспышки) концентрация паров в воздухе оказывается достаточной, чтобы их смесь с воздухом можно было поджечь. Если горящую спичку над жидкостью подержать при температуре выше температуры вспышки, жидкость загорится. Температура, до которой нужно нагреть смесь паров горючего вещества с воздухом, чтобы произошло загорание, называется температурой воспламенения. Где температура вспышки вещества ниже: в воздухе или в кислороде? Температура вспышки обычно связана с температурой кипения, а температура воспламенения — нет. Например, у диэтилово-го эфира (С2Н5)20 температура вспышки около —20°С, а температура воспламенения немного ниже 200 °С. Из-за того что температуры 200 °С легко достигнуть (например, на электрической плитке), диэтиловый эфир считается очень огнеопасным веществом. Ещё более опасен сероуглерод CS2 — его температура вспышки чуть выше, чем у эфира, однако температура воспламенения всего-то около 100 °С, т. е. его смесь с воздухом загорится уже от водяного пара. В помещениях, где работают с эфиром и сероуглеродом, категорически запрещено использование открытого огня. Температура вспышки дизельного топлива около 55 °С, поэтому оно считается существенно менее пожароопасным веществом, чем эфир, хотя их температуры воспламенения близки. Жидкости с низкой температурой вспышки легко отличить: при попадании на руку они «холодят» кожу, так как интенсивно испаряются, отнимая тепло. Ацетон имеет температуру вспышки около 0°С, скипидар 1-34 °С. Какая из этих жидкостей более пожароопасна? Существуют два способа тушения пламени: отвести тепло или перекрыть контакт между горючим веществом и кислородом. Проще всего потушить пламя, залив его водой. Вода, с одной стороны, охлаждает зону реакции горения, а с другой — создаёт Огнеопасность и тушение пламени Рис. 77. Вода не смешивается с бензином — между ними видна граница раздела фаз (слой бензина и слой воды). Бензин легче, поэтому при тушении его водой он всплывает и продолжает гореть. Из-за этого горящий бензин нельзя тушить водой между горючим веществом и воздухом слои негорючей жидкости, т. е. изолирует зону горения от кислорода. Однако далеко не все вещества можно тушить водой. Особую осторожность нужно проявлять при тушении горючих жидкостей. Многие из них — бензин, масло, растворители для лаков и красок — не смешиваются с водой. К тому же они легче воды и поэтому плавают на её поверхности (рис. 77). Если такие жидкости заливать водой, они всплывают, продолжая гореть. Потоки воды могут распространить горящую жидкость на другие предметы и на большие пространства. Если даже горючая жидкость смешивается с водой, для прекращения горения надо добавить немалое количество воды, чтобы заметно разбавить горящую жидкость. Например, спирт перестанет гореть только при разбавлении водой в соотношении 1:1. ГОРЮЧИЕ ЖИДКОСТИ, НЕ СМЕШИВАЮЩИЕСЯ С ВОДОЙ • Бензин • Лакокрасочные растворители • Дизельное топливо • Этилацетат (растворитель для клея) • Скипидар • Диэтиловый эфир ГОРЮЧИЕ ЖИДКОСТИ, СМЕШИВАЮЩИЕСЯ С ВОДОЙ • Ацетон • Этиловый спирт • Изопропиловый спирт (ИПС) t НЕГОРЮЧИЕ ЖИДКОСТИ • Водный аммиак • Хлороформ В то же время вода, которую так часто используют для прекращения реакций горения (в первую очередь при тушении пожаров), сама может вступать в бурно протекающие реакции с некоторыми веществами, например, с металлическим натрием и калием, водородными соединениями щелочных и щелочноземельных металлов и др. Такие соединения категорически запрещается тушить водой. Более того, если пожар случится в помещении, в котором находятся эти вещества, то для тушения нельзя использовать воду. н Для факультативного изучения Водой нельзя тушить электроустановки, находящиеся под напряжением. Общее правило техники безопасности: горящее помещение следует обесточить перед тем, как приступить к тушению пожара водой. Чем же можно тушить пламя, если не водой? Существует несколько способов. Если площадь пожара невелика, пламя можно накрыть плотной тканью из малогорючего материала (шерсти или асбеста), которая не пропускает воздух, желательно эту ткань смочить водой. Таким образом доступ воздуха в очаг пожара удастся затруднить и пламя погаснет. Однако этот способ годится только для случаев, если вся площадь огня будет накрыта полностью. Также пламя можно засыпать песком. Песок изолирует горящее вещество от воздуха, и горение прекращается. Горючие жидкости можно тушить пеной из специальных пенных огнетушителей (ОХП). В корпусе огнетушителя ОХП находится раствор карбоната натрия с пенообразователем и ампула с серной кислотой. Перед тем как привести в действие ОХП, прочищают его спрыск. Затем огнетушитель переворачивают и откидывают ручку. Ручка разбивает ампулу, серная кислота реагирует с карбонатом натрия, в результате чего выделяется газ, который вырывается из огнетушителя в виде пены: МагСОз -f H2SO4 = N33804 + Н2О + СОзТ К сожалению, пенообразователь в ОХП довольно быстро разрушается, из-за чего через несколько лет хранения ОХП выдаёт вместо обильной пены слабую невнятную струйку ржавой воды. Кроме того, пена очень хорошо проводит электрический ток, поэтому тушить ею установки под напряжением категорически запрещено. Из-за этих недостатков пенные огнетушители в последнее время стараются не использовать. Сейчас самые распространённые огнетушители — порошковые (ОП; рис. 78). В них засыпан мелкий порошок и закачан под давлением воздух или углекислый газ. Если нажать соответствующий рычаг, порошок под давлением вылетает из шланга и покрывает горящую поверхность ровным слоем, который изолирует её от воздуха. К тому же некоторые применяемые в огнетушителях порошки при нагревании разлагаются, поглощая при этом тепло и тем самым охлаждая зону пламени. Порошок не проводит электрический ток, поэтому им можно тушить установки, находящиеся под напряжением. Некоторые порошки не смачиваются горючими жидкостями и из-за этого не тонут в них. Поэтому порошковыми огнетушителями можно тушить горючие жидкости. Огнеопасность и тушение пламени Однако порошковые огнетушители тоже не лишены недостатков. При работе такого огнетушителя часть порошка не попадает в пламя, а остаётся некоторое время в воздухе в виде взвеси. Эта взвесь попадает в глаза, покрывает тонким белым слоем все близлежащие поверхности. Удобны углекислотные огнетушители (ОУ; рис. 79). Это баллон, в который под давлением накачан углекислый газ. К баллону присоединён раструб. При необходимости открывают кран баллона и через раструб направляют струю углекислого газа в пламя. Холодный углекислый газ, вырывающийся из баллона, охлаждает зону пламени и изолирует горючее вещество от воздуха. Однако, если горючее вещество подвижно (например, горят тряпки или мелкие листы бумаги), струя газа из огнетушителя просто сдувает их, не гася пламя. Поэтому из углекислотного огнетушителя можно тушить только прочно закреплённые предметы. Кроме того, им нельзя тушить большие площади горючих жидкостей, так как невозможно создать над всей горящей поверхностью единый (без разрывов) слой из углекислого газа, а пламя распространяется по жидкости очень быстро. ТИПЫ ОГНЕТУШИТЕЛЕЙ ^ • Огнетушитель химический пенный (ОХП) • Огнетушитель порошковый (ОП) • Огнетушитель углекислотный (ОУ) Чем масштабнее пожар, тем труднее его потушить. Особенно трудно справиться с пожарами на нефтепромыслах, нефтехранилищах, нефтеперерабатывающих заводах, складах вооружений. Бывает, что даже приблизиться к таким пожарам непросто. Именно такие пожары пришлось тушить в 1991 г. в Кувейте, когда были подожжены нефтяные скважины. Для этого были разработаны специальные технологии пожаротушения: завесы плотного водяного тумана из реактивных турбин, охлаждение конструкций струями воды, отрыв пламени от горючего при помощи направленных взрывов, специальные порошки или пены и другие приёмы. При тушении скважин в Кувейте использовали морскую воду, для подачи которой был приспособлен нефтепровод. Для поднятия пламени сооружались специальные конструкции, что позволяло приблизиться к скважине. Рядом с горящими скважинами бурили новые и откачивали нефть через них. Однако, несмотря на огромные финансовые вложения, с пожарами на нефтяных скважинах Кувейта удалось справиться только через полгода. Для факультативного изучения Рис. 78 {слева). Огнетушитель порошковый (ОП) Рис. 79 {справа). Огнетушитель углекислотный (ОУ) Контрольные вопросы 48.1. Что нужно сделать, чтобы потушить пламя? 48.2. Что нельзя тушить водой? 48.3. Чем можно тушить горючие жидкости? 48.4. Какие существуют типы огнетушителей? О Задание на дом 48.1. Сравните различные типы огнетушителей. Тип Что Что огне- можно нельзя Достоинства Недостатки тушителя тушить тушить Ресурсы Видеоматериалы • Тушение свечей углекислым газом, http://experiment.edu.ru/attach/б/466.mov Справочные материалы • Статистика пожаров по данным Министерства по чрезвычайным ситуациям, http://www.mchs.gov.ru/146. • ГОСТ P 51057-2001. Техника пожарная. Огнетушители переносные, 3. Определения, ГОСТ 51057-2001, http://www.0-l.ru Реакции сложных веществ с кислородом § 49 Реакции сложных веществ с кислородом Рекомендуется повторить тему «Горение» (§22) и тему «Реакции простых веществ с кислородом» (§ 23); что такое элемент, чем отличается простое вещество от сложного (§ 11), что такое схема реакции (§ 18) и уравнение реакции (§ 18), что такое металлы и неметаллы (§ 15). С кислородом способны взаимодействовать не только простые вещества, но и многие сложные. Например, бытовой газ, который горит в газовой плите на кухне, представляет собой сложное вещество — метан СН4. В лабораторных спиртовках горит спирт С2Н5ОН. Сухое горючее — это уротропин (CH2)6N4. Как же узнать, будет ли сложное вещество гореть на воздухе? Если да — как написать уравнение реакции? Здесь надо следовать определённым правилам. Сложное вещество состоит из нескольких элементов, которые в результате реакции с кислородом (горение) образуют смесь оксидов элементов того же состава, что и при горении простых веществ (см. цветной блок: рис. Ц-2). Только элемент азот при горении азотсодержащих веществ превращается не в оксид, а в свободный N2. Если в состав вещества входит кислород, то в результате горения он переходит в состав оксидов. ПРИМЕР 49.1. При горении сухого горючего (CH2)eN4 образуется смесь СО2, Н2О и N2: (СН2)бК4 + 02-^ СО2 -h Н2О -Ь N2 ЗАДАНИЕ 49.1. Напишите схему реакций взаимодействия с кислородом веществ: спирта С2Н5ОН, сероводорода H2S, главного компонента ракетного топлива — гептила (CH3)2N2H2 (см. цветной блок: рис. Ц-35-Ц-37). Как же определить, какие вещества могут взаимодействовать с кислородом? Несколько наиболее распространённых случаев рассмотрено ниже, хотя они не исчерпывают всех возможных вариантов. 1. Если в состав вещества входят С, Н, N, то, скорее всего, такое вещество горит. Например, С2Н5ОН может гореть. Чем меньше кислорода в этих веществах, тем способность к горению у них вероятнее. 2. Оксиды не горят. 3. Соединения металлов с водородом, как правило, горят. 4. Соединения переходного элемента с серой спокойно реагируют с кислородом. Для факультативного изучения О 5. Соединения галогенов, щелочных металлов, как правило, не реагируют с кислородом. 6. Не горят соединения, в составе которых больше атомов кислорода, чем суммарное число атомов остальных элементов. ГОРЯТ • Соединения, щие С, Н, N • Соединения с водородом содержа- металлов НЕ ГОРЯТ • Оксиды • Соединения галогенов • Соединения щелочных металлов • Соединения с большим содержанием кислорода ПРИМЕР 49.2. Фосфин РНз горит: в состав входят горючие элементы неметаллов {п. 1). Сухое горючее (CH2)eN4 горит: в состав входят элементы неметаллов С, Н п N {п. 1). Спирт С2Н5ОН горит: в состав входят атомы С, Н, и небольшое количество кислорода {п. 1). Гидрид магния MgH2 горит: соединение элемента металла с водородом (п. 3). FeS2 спокойно реагирует с кислородом: соединение серы с переходным элементом {п. 4). Хлороформ CHCI3 не горит, так как представляет собой соединение галогена С1 {п. 5). Серная кислота H2SO4 не реагирует с кислородом: содержит много кислорода (п. 6). ЗАДАНИЕ 49.2. Какие сложные вещества горят: NH3, НС1, (СНз)2СО, NH2OH, FeP04? Как же написать уравнение реакции сложного вещества с кислородом (если известно, что она может произойти)? Как всегда, слева пишут исходные вещества, справа — продукты реакции (оксиды). Подбирают коэффициенты перед оксидами так, чтобы число атомов центрального элемента слева и справа было одинаково. Далее подсчитывают общее число атомов кислорода справа и исходя из этого ставят коэффициент перед О2. При необходимости удваивают коэффициент перед формулой сложного вещества. (См. алгоритм 17.) ЗАДАНИЕ 49.3. Напишите уравнение реакции вещества с кислородом (если она идёт): метан СН4, гидразин N2H4, сероводород H2S, хлорид натрия NaCl, метиламин CH3NH2, парафин С4оН82» пирит FeS2, азотная кислота HNO3, изопропиловый спирт (ИПС) С3Н7ОН. Реакции сложных веществ с кислородом Алгоритм 17. Алгоритм записи уравнения реакции сложных веществ с кислородом Задача. Написать уравнения реакций горения ацетона (СНз)2СО и синильной кислоты HCN. Шаг (СНз)2СО + 02 HCN ч- О2 1. Записать формулу состава исходного вещества (реагента) в максимально упрощённом виде, раскрывая все скобки СзНбО HCN 2. Записать схему реакции, оставляя места для коэффициентов. Слева — вещество -ЬОг, Справа — продукты реакции СзНбО-|- Оз = = СО2 -h Н2О _HCN -1- _0з = = ^СОзЧ- H2O-I- N2 3. Если в состав оксида (справа) входит чётное число атомов, а в реагент — нечётное, перед формулой реагента поставить коэффициент 2. В ином случае ничего не ставить (подразумевается 1) СзНбО + О2 = = _СОз -Ь _Н20 N и Н: слева по 1 атому (нечётное число), справа по 2 (чётное число). Удвоить реагент. 2HCN + _0з = = СОзЧ- H2O-I- N2 4. Расставить коэффициенты перед формулами продуктов, исходя из формулы реагента СзНбО -f О2 = = ЗСО2 -f ЗН2О 2HCN + 02 = = 2С0а + Н2О -Ь N2 5. Если справа — нечётное число атомов кислорода, все коэффициенты удвоить Справа 90. 9 — нечётное число. Удвоить коэффициенты. 2СзНбО -Ь О2 = = 6СО2 + 6Н2О Справа 50. 5 — нечётное число. Удвоить коэффициенты. 4HCN -Ь 02 = = 4СОз -Ь 2Н2О -Ь 2N2 6. Поставить коэффициент перед атомом Ог: а) посчитать общее число; б) найти разность числа атомов О справа и числа атомов О слева. Если она — чётное число, разделить на 2; если нечётное — удвоить все коэффициенты 2СзНбО -|- О2 = = 6СО2 + 6Н2О 6 • 2 + 6 ■ 1 = 18 18 - 2 = 16 16 : 2 = 8 4HCN +02 = = 4СОз + 2Н2О + 2N2 4-2 + 2- 1 = 10 10-0= 10 10 : 2 = 5 Для факультативного изучения Алгоритм 17. Окончание Шаг (СНз)гСО + О2 HCN + О2 7. Если возможно, разделить все коэффициенты на 2 СзНбО + 4О2 = = ЗСО2 + ЗН2О 4HCN + 502 = = 4CO2 + 2H2O+2N2 8. Проверить, уравнена ли реакция С: 3 = 3 (слева) (справа) Н: 1-6 = 3-2 (слева) (справа) О: 1 + 4-2 = (слева) = 3-2 + 31 (справа) уравнено по всем элементам С: 4 = 4 (слева) (справа) Н: 4 - 1 = 2-2 (слева) (справа) N: 4 =2-2 (слева) (справа) 0: 5 - 2 = (слева) = 4-2 + 21 (справа) уравнено по всем элементам Ресурсы Видеоматериалы • Горение аммиака (NH3) в кислороде, http://experiment.edu.ru/attach/6/411.mov Лабораторные опыты ПРОВЕДЕНИЕ РЕАКЦИЙ С ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫМ РАСЧЁТОМ МАСС КОМПОНЕНТОВ Задача. Провести на практике экзотермическую реакцию между двумя твёрдыми веществами, причём массу одного из них надо рассчитать, а масса другого указана. 1. 4KN03 + 5С = 2К2СО3 + ЗСО2 + 2N2 m(KN03) = 8 г 2. 4NaN03 + 5С = 2К2СО3 + ЗСО2 + 2N2 т(КаМОз) = 7 г 3. 2Ва(КОз)2 + 5С = 2ВаО + 5СО2 + 2N2 /п(Ва(МОз)2) = 8 г 4. 6KNO3 + 10А1 = ЗК2О + 5AI2O3 + 3N2 -— т(КМОз) - 5 г 5. бКаКОз + 10А1 = 3Na20 + 5AI2O3 + 3N2 "— m(NaN03) = 5 г 6. ЗВа(КОз)2 + 10А1 = ЗВаО + 5AI2O3 + 3N2"— т(2Ва(МОз)2) = 5 г 7. 48KNO3 + 5С12Н22О11 = 24К2СО3 4- З6СО2 + 24N2 + IIH2O /тг(КМОз) = 6 г Осторожно, резко вспыхивает! Реакции сложных веществ с кислородом 8. 48NaN03 + 5С12Н22О11 = 24Na2C03 + З6СО2 + 24N2 + IIH2O m(NaN03) = 5 г 9. 24Ва(МОз)2 + 5С12Н22О11 = 24ВаО + 6ОСО2 + 24N2 + IIH2O т(Ва(КОз)2) = 7 г Оборудование. Весы с разновесами, ступка с пестиком, пробирка. Помещение должно быть оборудовано вытяжным шкафом. Чугунное основание лабораторного штатива (от одного штатива). Реактивы и расходные материалы. Согласно выбранным уравнениям реакции. Алюминий надо брать в виде пудры. С12Н22О11—сахар. Бумага для взвешивания (тетрадные листы), вата, лучина. Ход работы. Рассчитывают массы компонентов. На бумаге отбирают навеску первого компонента. Если вещество нужно перетереть, то используют ступку (рис. 80). Вещество берут мелкими порциями (чем мельче порция, тем равномернее перетирается вещество). При этом пестик перемещают по стенкам ступки с большим усилием круговыми движениями. Вещество должно находиться между ступкой и пестиком. Перетёртое вещество пересыпают на тетрадный лист. Остатки соскребают со стенок ступки с помощью пробирки и тоже отправляют на тетрадный лист. Перед перетиранием второго вещества первого в ступке оставаться не должно, иначе реакция может начаться от трения! Чтобы удалить первое вещество из ступки, её ополаскивают водой и обтирают фильтровальной бумагой. В новую бумагу отбирают навеску второго вещества. Перетирают его в ступке и высыпают на лист с первым. Вещества перемешивают, перекатывая смесь на листе (рис. 81). Эту реакционную смесь насыпают горкой на чугунное основание штатива под вытяжным шкафом и поджигают длинной лучиной (в защитных очках и под наблюдением учителя). Для перетирания вещество берут мелкими порциями. Категорически запрещается перетирать в ступке оба компонента вместе. А А Рис. 80. Перетирание вещества в ступке Рис. 81. Перемешивание веществ на бумаге ОТВЕТЫ 7.1. Около 60 г (воспользоваться графиком рис. 19). 7.2. Около 80 г при —5°С и около 160 г при —10°С. 9.1. 0,32. 9.2. 35 г. 9.3. 139 г. 9.4. 400 г. 9.5. 0,33. 9.6. 0,27. 9.7. 5,6 г. 9.8. 180 г толуола, 90 г бутилацетата, 30 г ксилола. 9.9. 15%. 9.10. 3,5%. 13.1. 18, 40, 158, 252, 400. 13.2.39%. 13.3.86,7 кг. 13.4.0,4 т. 13.5.4,1кг. 13.6. LiC104. 13.7.6 г. 13.8.36%. 13.9. Ag2S03. 13.10. Примерно 1 : 1. 36.1. 0,3 моль. 36.2. 0,6 моль. 36.3. 0,9 моль. 36.4. 0,2 моль. 36.5. 400 моль. 37.1. 3,6 г А1 и 5,6 г AI2S3. 37.2. 1,64 г NaOH, 3,73 г V2O5, 0,37 г Н2О. 37.3. Твёрдое вещество — СиО. Его масса 7,21г. 37.4. 12,8 г. 37.5. 27,6 г BaS04, 5,7 г С. 37.6. 20,9 г ВаСЬ • 2НгО, 27,6 г Na2S04 • IOH2O, 10,0 г NaCl, 18,5 г воды. 37.7. 9,6 г серы, 5,4 г алюминия. 37.8. 45%. 37.9. Для класса размером 10 х 6 х 4 м (общий объём 240 м^) достаточно 10,6 мг. 37.10. 27 млн т. 38.1. 0,02 моль. 38.2. Недостаточно данных, так как при н. у. NaCl — твёрдый. 38.3. 29,1л. 38.4. »;8 (точнее, 7,5). 38.5. Нг: 0,089 г/л; CI2: 3,17 г/л. 39.1. 5,9 г (NH4)2S04 и 3,6 г NaOH. 39.2. 5,6 г. 39.3. 124,4 л водорода и 62,2 л кислорода. 39.4. 18,7 л CI2 и 74,2 г AICI3. 39.5. Зл SiF4 и 8г Si02. КРАТКИЙ РУССКО-АНГЛИЙСКИЙ СЛОВАРЬ (для поиска химической информации на англоязычных сайтах сети Интернет) Для поисков трёхмерных моделей молекул ключевое слово 3D model. Для поисков записей демонстрационных экспериментов ключевое слово demonstration. Для поисков интерактивных пособий ключевые слова animated и interactive. Агрегатное состояние анион атом атомный Белый бензин бетон благородный газ Валентность весы вещество (абстрактное) вещество (которое в банке стоит) взаимодействие взрыв взрываться взрывчатый вода водород возгонка воздух выпадать в осадок выпадение в осадок Газ газообразный голубой горелка газовая горение (процесс) горение (тип реакции) горючий Длина волны state of matter anion atom atomic white petrol, gasoline {амер.) concrete noble gas valency balance matter substance interaction explosion explode explosive water hydrogen sublimation air precipitate precipitation gas gaseous cyan burner burning combustion flammable, inflammable wavelength Краткий русско-английский словарь Железо жёлтый жидкость Запах (неопределённый) запах (определённый) заряд электрический зелёный Известняк известь измерительный измерять ионообменная реакция испарение Калий катион кино (заснятые реальные процессы) кино (рисованное) кипение кислород кислота колба конденсация коричневый коэффициент (в уравнении реакции) красный кремний кремния оксид кристалл кристаллизация Малиновый металл молекула Нагревание накипь насыщенный раствор натрий нейтрон нефть Огнетушитель олово оранжевый осадок iron yellow liquid smell odour, odor {амер.) charge, electric charge green limestone lime measuring measure ion exchange evaporation potassium cation movie animation boiling oxygen acid flask condensation brown coefficient, stoichiometric coefficient red silicon silica, silicon dioxide crystal crystallization crimson metal molecule heating limescale saturated solution sodium neutron petroleum extinguisher, fire extinguisher tin orange precipitate Краткий русско-английский словарь основание отрицательный заряд очистка (вещества) Пар перегонка пересыщенный раствор переходный металл плавление плёнка плотность положительный заряд посуда стеклянная превращение (химическое) пробирка прозрачный протон Разбавленный раствор разбавлять раствор растворение растворять реагировать реакция (химическая) резина розовый ртуть Свет связь (химическая) сера серебро серый сжигание синий сложное вещество смесь соединение (вещество) соединение (реакция) соль соотношение спирт стекло стехиометрический base negative charge purification vapour, vapor (амер.) distillation oversaturated solution transition metal melting film density positive charge glassware transformation, chemical transformation test-tube transparent proton diluted solution dilute solution dissolution dissolve react reaction, chemical reaction rubber Внимание: resin = смола, пластмасса pink, rose mercury light bond sulphur, sulfur (амер.) silver grey combustion blue compound mixture compound addition salt ratio ethanol, alcohol glass stoichiometric Краткий русско-английский словарь Твёрдый, твёрдое тело температура температура плавления (кипения) токсичное вещество токсичность сведения о токсичности токсичный тушение (неконтролируемого пламени) тушить (неконтролируемое пламя) Углекислый газ углерод Фильм (заснятые реальные процессы) фильм (рисованный) фиолетовый Химия хлор холодильник (химическая посуда для конденсации паров жидкости) solid temperature melting (boiling) point toxicant toxicity toxicity data sheet toxic extinguishing extinguish carbon dioxide carbon movie Внимание’, film = плёнка animation violet chemistry chlorine condenser Цвет цемент Частица чёрный чистое (вещество) Щелочноземельный металл щелочной металл щёлочь Электрон элемент colour, color {амер.) cement particle black pure alkaline earth metal alkaline metal alkali electron element Ядерный ядовитое вещество ядовитый ядро (атома) nuclear toxicant toxic nucleus ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ Молярная масса 193 Абсорбция 139 Агрегатное состояние 25 Анион 234 Благородные газы 89 Благородный газы 88 Валентность 96 высшая 119 низшая 121 по водороду 121 промежуточная 121 Вещество 17 Возбуждённое состояние атома 216 Возгонка 27 Вымораживание 52 Выпаривание 37 Высаливание 46 Высшая валентность 119 Высший оксид 119, 120 Вытеснение 110 Газ бытовой формула 253 Галогены 94 Гигроскопичные вещества 152 Гидроксид 143 Гидрофильный растворитель 45 Горение 124 Графическая формула 99 Гремучий газ 176 Дегидратация 147 Декантация 50 Дополнительные цвета 240 Закон постоянства состава 76 Закон сохранения массы 200 Закон сохранения вещества 105 Замена растворителя 46 Замещение 110 Изотоп 72 Изотопы 72 Индикатор 159 Инфракрасный свет 239 Ион 234 Ионная связь 236 Испарение 27 Катион 234 Каустик 157 Качественный состав вещества 75 Кипение 27 Кислотность основания 157 Кислотный остаток 156 Ковалентная связь 227 Ковкость 92 Количественный состав вещества 75 Компонент смеси 49 Конденсация 27 Концентрация 38 Коэффициент 105 Кристаллизационная вода 245 Кристаллизация 26 Кристаллогидрат 245 Купорос медный 31 Липофильный растворитель 45 Массовое число 72 Метагидроксид 144 Молекула 76 Моль 193 Молярный объём 206 Предметный указатель Навеска 200 Название номенклатурное 19 тривиальное 19 Насыщенный раствор 41 Натр едкий 157 Натрия гидроксид 157 Нейтрон 70 Ненасыщенный раствор 41 Неподелённая электронная пара 224 Неспаренный электрон 224 Нормальные условия 206 н. у. 206 Нуклид 72 Обобщённая реакция нейтрализации 184 Объективный 238 Окислитель 136 Оксид 114 высший 120 кислотный 183 основный 183 Олово 26 Орбитальный радиус атома 230 Ортогидроксид 144 Основность кислоты 157 Относительная атомная масса 81 Относительная атомная масса элемента 81 Пассивирование 170 Патина 93 Перегонка 51 Периодический закон 86 Плавление 26 Пластичность 92 Пожар 247 Примесь 60, 61 Продукт 101 неполного сгорания 127 Простое вещество 77 Протон 70 Разложение 109 Раствор 36 Растворение 38 Растворимость 41 Растворитель 36 Реагент 101 Реакция вытеснения 110 гидратации 152 замещения 110 нейтрализации 180 нейтрализации обобщённая 184 обмена 110 обратная 109 прямая 109 разложения 109 сложная 110 соединения 109 Ряд активности металлов 170 Сажа 127 Связь ковалентная неполярная 231, 232 ковалентная полярная 231, 232 Сложное вещество 77 Смесь 49 Сода каустическая 157 Соединение 77 Соль 162 Соответствующие оксид и гидроксид 149, 152 Соотношение стехиометрическое 106 Спектр излучения 239 отражения 241 поглощения 242 Спирт 13 Стехиометрическое соотношение 106 Стехиометрическое соотношение реагентов 106 Сублимация 27 Сульфат меди 31 Сухое горючее 253 Сухой лёд 117 Схема реакции 101 Температура воспламенения 248 вспышки 248 Тление 129 Предметный указатель Углекислый газ 117 Ультрафиолетовый свет 239 Упругость 92 Уравнение реакции 105 Фазовый переход 27 Фильтрование 51 Формула состава 76 Халькогены 94 Химическая реакция 30 Химическая формула 19 индекс 19 символ 19 Химические связи 75 Химический элемент 19, 71 Химия 17 Хрупкость 92 Центральный элемент 114 гидроксида 143 Центрифугирование 51 Число Авогадро 193 Щелочноземельные металлы 94 Щелочные металлы 94 Экстракция 45 Электроотрицательность 230 Электрон 70, 214, 223 валентный 223 Электронный уровень 214, 215 Элемент химический 71 центральный 114 Этанол 13 электронный уровень 214 ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие.................................................. 3 Как пользоваться учебником................................... 4 Поиск и оценка химической информации......................... 6 Глава I. Химическая лаборатория.............................. 9 § 1. Техника безопасности при химических экспериментах ................................................. 9 § 2. Приёмы работы с веществами и химическая посуда 11 Глава II. Вещество и реакция............................ 17 § 3. Вещество как объект изучения химии................ 17 Практическая работа JVs 1. Описание веществ........ 23 § 4. Агрегатные состояния и переходы между ними.... 24 § 5. Химическая реакция. Условия протекания химической реакции. Признаки химической реакции..... 30 § 6. Растворы.......................................... 35 § 7. Растворимость..................................... 41 § 8. Смеси и методы их разделения...................... 48 § 9. Расчёт массовых долей............................. 54 Практическая работа № 2. Приготовление растворов с заданной массовой долей.......................... 58 § 10. Чистые и загрязнённые вещества. Очистка веществ . 59 Практическая работа № 3. Водопроводная и дистиллированная вода.................................... 66 Практическая работа JV5 4. Разделение песка и соли 67 Глава III. Основные понятия и законы химии.................. 69 § 11.Атомы, элементы, нуклиды.......................... 69 Практическая работа 5. Выделение меди из её соединений......................................... 75 § 12.Химические формулы................................ 75 § 13.Относительная атомная масса и расчёт массовой доли элемента в соединении......................... 80 § 14. Периодический закон и Периодическая система элементов.......................................... 86 Оглавление § 15. Металлы и неметаллы........................... 89 § 16. Валентность. Графические формулы.............. 96 § 17. Запись химической реакции..................... 101 § 18. Уравнения химических реакций.................. 105 § 19. Классификация химических реакций.............. 109 Глава IV. Классы веществ и взаимосвязи между ними........ 114 § 20. Оксиды. Составление формул оксидов............ 114 § 21. Определение валентности по Периодической системе элементов..................................... 119 §22. Горение........................................ 123 §23.Реакции простых веществ с кислородом............ 130 §24. Кислород....................................... 133 § 25.Гидроксиды..................................... 143 §26. Реакции дегидратации. Соответствие между гидроксидами и оксидами................................... 147 § 27.Реакции гидратации. Гидроксиды, соответствующие оксидам......................................... 152 §28. Кислоты и основания. Индикаторы................ 155 Практическая работа № 6. Исследование свойств индикаторов..................................... 160 § 29.Соли........................................... 161 § 30. Взаимодействие кислот с металлами. Активность металлов и сила кислот......................... 168 §31. Водород........................................ 173 §32.Реакция нейтрализации........................... 180 § 33.Кислотные и основные оксиды. Обобщённая реакция нейтрализации.................................. 183 Практическая работа 7. Реакция кислот и оснований с оксидами............................... 187 § 34.Взаимосвязи между основными классами соединений ............................................... 188 Глава V. Количественные соотношения в химии............. 192 § 35. Количество вещества и молярная масса......... 192 § 36.Связь количества реагентов и продуктов по уравнению реакции........................................ 195 § 37. Расчёты по уравнениям реакций............... 200 Практическая работа № 8. Определение массы вещества по массе продуктов его разложения........204 § 38. Молярный объём................................205 §39.Расчёты по уравнениям реакций с участием газообразных продуктов....................................208 Практическая работа 9. Определение массы реагента по объёму газообразных продуктов при его разложении......................................211 Оглавление Глава VI. Электронное строение атома и Периодический закон......................................................213 § 40. Электронные уровни и номер периода в Периодической системе элементов..............................213 § 41. Электронные подуровни и номер группы и подгруппы ............................................ 218 §42.Орбитали и валентные электроны. Электронные формулы.........................................222 § 43.Образование ковалентной химической связи и валентность ..........................................226 §44. Радиус атома. Электроотрицательность и полярность связи...........................................229 §45. Ионная связь....................................233 Глава VII. Для факультативного изучения...................238 §46.Теория цвета.....................................238 Практическая работа JVfi 10. Спектры поглощения растворов.......................................243 § 47. Кристаллогидраты.............................. 245 § 48.Огнеопасность и тушение пламени.................247 §49. Реакции сложных веществ с кислородом............253 Ответы....................................................258 Краткий русско-английский словарь (для поиска химической информации на англоязычных сайтах сети Интернет) 259 Предметный указатель..................................... 263 Учебное издание Жилин Денис Михайлович ХИМИЯ Учебник для 8 класса Научный редактор канд. хим. наук Т. И. Почкаева Ведущий редактор канд. биол. наук Т. Е. Толстихина Редактор Л. Н. Коробкова Методисты А. А. Елизаров, И. В. Барышова, А. Ю. Пентин Художники С. Инфантэ, Н. А. Новак Технический редактор Е. В. Денюкова Корректоры Е. Н. Клитина, Л. Н. Макарова Оригинал-макет подготовлен О. Г. Лапко в пакете I^TfeX 2е Подписано в печать 15.05.12. Формат 70x100/16. Уел. печ. л. 22,10. Тираж 5000 экз. Заказ 3959 Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний* 125167, Москва, проезд Аэропорта, д. 3 Телефон: (499)157-5272 e-mail: binom@Lbz.ru http://www.Lbz.ru, http://metodist.Lbz.ru При участии ООО Агентство печати «Столица» тел.: (495) 331-14-38; e-mail: apstolica@bk.ru Отпечатано с готовых файлов заказчика а ОАО «Первая Образцовая типография*, филиал «УЛЬЯНОВСКИЙ ДОМ ПЕЧАТИ* 432980, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 14 Таблица растворимости + X я z СЯ < 4- U. + m < + т ы (J OH- * p p _B M м р н Н н н н н н н н F- p* p p P M н н р м н м м м м м м ci- p p p H p р р р р м р р р р р р Br- p p p H p р р р р м р р р р р р |- p p p H p р р - р м р р р - р р NO3- p p p P p р р р р р р р р р р р CH3COO- p* p p P p р р р р р р р р - р р CO^" p p H M н н н н н н н н - - - soj- _6 p p H M н н - н н н н н - - - soj- p p p M p м н р р н р р р р р р S2- M* p p H + + -1- н н н н н н - -1- + pol~ p p p H M н н н н н н н н н н н Обозначения: Р — растворимое соединение, М — малорастворимое соединение, Н — нерастворимое соединение, + — соединение разлагается водой, — — соединение не существует, * — слабый электролит. Ожидаемые продукты разлагаются в следующих случаях: а) 2Н+ -Н СО^“ = Н2О + СОгТ б) 2Н+ + SO^“ = Н2О + S02t в) 2Ag'*" + 20Н~ = Ag20-Икоричневый) + Н2О Ряд активности металлов Li К Ва Са Na Mg Be А1 Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb (H2) Cu Hg Ag Pt Au ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА А I в А II В А III В А IV В А V 8 А VI В А VII В Л VIII В 1 (Н) 1 2 Р ВОДОРОД р0 ГЕЛИЙ 1,00794 4,002602 2 3 Lj литий 6,941 4 00 БЕРИЛЛИЙ 9,012182 5 0 ВОР 10,811 6 0 УГЛЕРОД 12,011 7 Р АЗОТ 14,00674 8 Q КИСЛОРОД 15,9994 9 10 Р ФТОР Р0 НЕОН 18,9984032 20,1797 3 11 ^ Q НАТРИЙ 22,989768 12 1^ Q МАГНИЙ 24,зот 13 Д| АЛЮМИНИЙ 26,981539 14 3J КРЕМНИЙ 28,0855 15 Р ФОСФОР 30,973762 16 3 СЕРА 32,066 17 18 01 ХЛОР Д!' АРГОН 35,4527 39,948 4 19 КАЛИЙ 39,0983 20 00 КАЛЬЦИЙ 40,078 21 СКАНДИЙ ЗО 44,955910 22 ТИТАН yj 47,88 23 ВАНАДИЙ Y 50,9415 24 ХРОМ 0f* 51,9961 25 26 МАРГАНЕЦ |У| р ЖЕЛЕЗО р0 54,93805 55,847 27 КОБАЛЬТ 0Q 58,93320 28 НИКЕЛЬ Pj 58,69 29 МЕДЬ 0U 63,546 30 ЦИНК 2п 65,39 31 03 ГАЛЛИЙ 69,723 32 00 ГЕРМАНИЙ 72,61 33 Д0 мышьяк 74,92159 34 З0 СЕЛЕН 78,96 35 36 01^ БРОМ КРИПТОН 79,904 83,80 5 37 Plj РУБИДИЙ 85,4678 38 01" СТРОНЦИЙ 87,62 39 ИТТРИЙ Y 68,90585 40 ЦИРКОНИЙ 2 г 91,224 41 НИОБИЙ Р 92,90638 42 МОЛИБДЕН^ Q 95,94 43 44 ТЕХНЕЦИЙ УQ РУТЕНИЙ Ру 97,9072 101,07 45 РОДИЙ Р|^ 102,90550 46 ПАЛЛАДИЙ Р^ 106,42 47 СЕРЕБРО Дп 107,86й 48 КАДМИЙ 0(J 112,411 49 |п 114,62 50 ЗЗ ОЛОВО 118,710 51 З|3 СУРЬМА 121,75 52 У 0 ТЕЛЛУР 127,60 53 54 ИОД^0 КСЕНОН 126,90447 131,29 6 55 Cs 132,90543 56 03 6АРИЙ 137,327 57 ЛАНТАН 138,9055 72 ГАФНИЙ Pf 178,49 73 ТАНТАЛ Уз 180,9479 74 ВОЛЬФРАМ 183,85 75 76 РЕНИЙ Р0 ОСМИЙ 00 186,207 190,2 77 ИРИДИЙ 1 f 192,22 78 ПЛАТИНА Р'^ 195,08 79 ЗОЛОТО Ду 196,96654 80 РТУТЬ Нд 200,» 81 У| ТАЛЛИЙ 204,3833 82 СВИНЕЦ 207,2 83 0j ВИСМУТ 208,98037 84 Pq ПОЛОНИЙ 1208,99) 85 86 Д'^ АСТАТ Рр РАДОН (209,99) (222,02) 7 87 р|' ФРАНЦИЙ 1223,02) 88 Ра РАДИЙ |226,03] 89 дкшний Д0^ (227,03) 104 РЕЗЕРФОРДИЙ Pf (261,11) 105 давний nh 1262) 106 СИБОРГИЙ ЗО |2Й) 107 108 ВОРИЙ 0|^ ХАССИЙ Pg (262) (265) 109 МЕЙТНЕРИй|У|‘|| (266) 110 ДАРМШ1АД1ИЙ РЗ (271) 111 РЕНТГЕНИЙ Pq (27^ 112 КОПЕРНИЦИЙ0Р1 (285) 58 00 ЦЕРИЙ 140,115 59 Pf* ПРАЗЕОДИМ 140,90765 60 P(J НЕОДИМ 144,24 61 РтЛРОМПИЙ (144,91) 90 У|^ ТОРИЙ 232,0381 91 РЗ ПРОГАХПШИЙ 231,0359 92 0 УРАН 238,0289 93 Рр НЕПТУНИЙ 237,0«2 62 Sm САМАРИЙ 150,36 94 63 Ей ЕВРОПИЙ 151,965 95 Ри Ш1ЯОНИЙ |Д |У|АМЕРИЦИЙ 244,0642 [ 243,0614 64 ;65 0^|гАДОЛИНИй|У[5 ТЕРБИЙ 157,25 96 1158,92534 66 ДИСПРОЗИЙ 162,50 Cm кюрийВк 247,0703 97 |98 БЕРКЛИй' 247,0703 67 Но гольмий 164,93032 Cf КАЛИООРНИЙ 251,0796 99 Es ЭЙНШТЕЙНИЙ 252.0ВЗ атомный НОМЕР , Г . |Li 6,941 — ЛИТИИ ОТНОСИТЕЛЬНАЯ АТОМНАЯ МАССА Н - s-элементы В -р-элементы V - d-элементы и - f-элементы 68 ЭРБИЙ 167,26 69 у m ТУЛИЙ 168,93421 70 YIJ иттербий 173,04 71 |_У ЛЮТЕЦИЙ 174,967 100 Fm ®ВРМИЙ 257,0951 101 МЕНДЕЛЕВИЙ 258,099 102 Pq нобелий 259,1009 103 Ll' ЛОУРЕНСИЙ 260,105 тип bill РЕЧИ Тип речи На какой вопрос даётся ответ в тексте О чём говорится в тексте Типичное строение текста Типичные языковые особенности i Описание f Каков предмет, человек? О признаках предмета, человека и т. д. Общее впечатление (общий признак) и отдельные признаки предмета, человека и т. д. Возможен вывод Использование в художественном описани1 прилагательных и причастий, помогающих точно 1 выразительно «нарисовать» предмет, лицо Повествование Что происходит с предметом, человеком? О событиях и действиях кульминация развитие действия развязка завязка зачин концовка Использование глаголов, а также слов и словосочетаний, указывающих на последовательность действий (сначала, потом, затем, после этого) Рассуждение Почему предмет, человек такой? Почему он поступает так, а не иначе? 0 причинах действий, признаков, событий 1. Тезис (основная мысль) 2. Аргументы (доказательства) 3. Вывод 1 Использование вводных слов, подчёркивающих последовательность изложения мыслей, доказательств (во-первых, во-вторых, следовательно, таким образом, итак)