Учебник Химия 9 класс Аскаров

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 9 класс Аскаров - 2014-2015-2016-2017 год:


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

Текст из книги:
■'> I ^uflb* I - Жт . _ Л/.; > 1 |m ' ‘vLUrfi * 1^*1 I 1«»ЙЙ -W ^«4»r |(<4« \t»fl •iri P LI I I •Л»11»г К. mi. fmt t . j Периодическая система элементов Д.И.Менделеева пери* оди ГРУППЫ ЭЛЕМЕНТОВ икр«п чбОЛИ III IV VI VII VIII Н ИЯПЦГ ВОДОРОД Li ПИТИЙ Be КРИПЛИЙ ^ 60Р 5 ут;^РОЯ ^ АЗОТ 7 «.V I ill Na mamti НАТРИЙ MfiT »J0»1 МАГНИЙ • ' 1 13 ^ « I a«ei5(*i \ АЛ0МИНИЙ г о ® КИСЛОРОД нлмзы , . ФТОР__***»^ ytwwut . « * КРГМНИЙ ' 90.9737611 ФОСФОР f5 9Й*Ы • эгдхш apA 2.V e 9A4$3tH ХЛОР >«*V I Адоиикм номер Хии>мкх|й эиам ши 79 Au I ^ nejee6ii| ‘ зоюто| Расфхеяечие ичк'роно» hm^e по мара»«аЕ1(4<1>ся эхвммц «6ммм.>«1 поАобокшан Не 2 *.сеяалй ,, гстий ?iST S л ^ г 18 »А«М , . 1 АРГОН » V 2 IV к яоае^и юилй «Р i Са «.ОШ КАЛЬЦИЙ 21 • М’4.' Sc «4д»т СКАНДИЙ Ti 47jei9 ТИТАН . SOAHStl "^ВАНДЛИЙ Сг SUMItf ХРОМ ® !Мп ^ , «.ЮЮ11 МАРТA^iCU Fe я.мт13 ЖГ-ЛЕЗО, ^ Со вА9Ж11 КОБАЛЬТ Ni 1Л»> 5WW1 НИКЕЛЬ Си , в9А«вИ •' недь 30 j Zn кла цинк Пт, 31 т.тн * ГАЛЛИЙ •Р'*’ тгбвзй ГЕРМАНИЙ W • 74A916l1 «>1ШЬЯК 33 ^4^ 7».вад 4,t4^ CF-ПЕН Г RJ0«tl БРОМ 35 <•**>* « КРиЛТОН VI VII Rb es.«pAt3 РУБИДИЙ 37 Sr » 97«2t1 СТРОНЦИЙ ^ i39 ИТТРИЙ Zr ЦИРКСМ*Й « Nb !***“’ iwrtS Mo 9A9*»1 МОЛИБДЕН * « IS • 4^. To №JV72 ТЕХНЕЦИЙ « Ru ‘ „>1,1 »>Wt2 I рутений 45 Rh , tQ2A06S±1 РОДИЙ « Pd 4|»й» ПАЛЛАДИИ i” Ag- Cd ‘j tU4l*1 i «"!»»КАДМИЙ In 114^1 ИНДИЙ aV 4: V «4 •* ' i » M OnOBO t .J 1Н7В1Э iCyPbMA ж e 1Z7jPQl3 ТЕЛЛУР 120XMSt1 ЙОД 53 , M ьчИ • КСЕНОН 54 . VIII IX Cs 132.M6411 ЦЕЗИЙ Ba 5 57 БАРИЙ La* j tSS,906£} ' ЛАНТАН Hf 3 178,4Ы ГАФНИЙ I” Та I laoAtTBii I в<**ИтАНТА.Л 74 W ВОЛЬФРАМ i 75 м*«И Re MB,2S7t1 РЕНИЙ и Os „.„I tOMtl осмий Ir ели ИРИДИЙ Pt , ieei,oei3 аЛАТЖА s” Au i 1Л,< w.««»w I ЗОЛОТО i80 1 w*h> аоАш S РТУТЬ *>-■-. 81 i A . в ТАЛЛИЙ 5 а'Ь гтл> СВИНЕЦ 82 , •Р«Р' 1*0 ВИСМУТ 5 полоний . * 85 г J к а »АвТ1 • АПАТ I * . 1й 222.0171 РАДОН Гг гг^ии ’ ФРАНЦИЙ ^ Ra ^ 2ЛИЯ . РАДИЙ Ас 277A27B ^‘’'''актиний 104 Rf иЧИ W РЕЗЕРЛЮРаиЙ, V“Db .1 106 т Ss Bh <1 106 И*1>' СИВ01уий А ЛАНТАНОИДЫЙ рва} ЁОРИЙ Hs DOS ХАССИЙ 109 Mt рвв| МР^ТНЕРИЙ Се 1».1м 2 41*5в’В$Т % ЦЕРИЙ ? Рг«1 ПРАЗЕОДИМ 2 Nd“i MA?4t3 S 4f<6s» ’I НЕОДИМ 7 Рт®'| W.9UI 4l*6s» в прометий * Sm®*i САМАРИЙ г Eu“i ЕВРОПИЙ ; Gd“j Й7Л?3 ^ 41^54*6»» 1 ГАДОЛИНИЙ 2 тъ“| ТЕРБИЙ Р Dy“i ДИСПРОЗИЙ 2 Ho«i ltU3M-l 2 «”е>» i гояьм1й » Er®* 1 №!»•.* M «061» t ЭР6ИЙ г Тта*®| КАШЕ') ^ «ив.7 5 ТУЛИЙ 7 Yb”i ИПЕР6ИЙ 5 Lu"i 1Н8«^! ^ 4|М5<»1в47 1 ЛЮТЕЦИЙ 3 !• О ч t I, it it АКТИНОИДЫИ пг.еМ1-1 32 ^ed?7s»l ТОРИЙ 2 Ра «'1 Шй* » 5i»6 1 ЛОУРЕНииЙ 3 к N \( t 1, -«•элементы -р-элементы I - ef элементы В квадратных скобках приведены массового числа наиболее устойчивых s^aoTonoe 24 Дорогие юные друзья! В этом учебном году вы завершаете среднее образование. Впереди вас ждут академические лицеи и профессиональные колледжи. Смело шагайте вперед туда, где вам больше всего интересно. Незабывайте, что вы потомки таких великих ученых и эрудитов, какАр-Рази,Алъ-Фергани, Аль-Бухари, Абу Али ибн Сино, Беруни, Амир Темур, Улугбек, Захириддин Мухаммад Бабур и другие. Ваши родители, педагоги и учителя, родина - Узбекистан - желают вам стать полноценными специалистами, созидателями, учёными, заслужить авторитет и уважение у всего народа. Помтте! В науке ещё много неизученного. Ваш долг - изучить их. С пожеланием вам доброго пути Рецензенты: - Коллектив химического факультета Андижанского Государственного университета, коллектив химического отделения института повышения квалификации и переподготовки пед. работников Андижанского вилоята А.Рустамов, М.Рахимов - преподаватели химии высшей категории. О.Гаипова - преподаватель химиии школы Мя 34 Шайхантаурского района г. Ташкента. Е.Сеитова - ведущий специалист Республиканского центра обучения, кандидат химических наук. Учебник издан для Оборотного фонда учебников (ОФУ) за счет бюджетных средств. Все права по данному изданию принадлежат издательству и охраняются законом. Запрещается частичная или полная перепечатка текста или рисунков без разрешения издательства. д 1704000000 358-2006 ©Государственное научное издательство ISBN 5-89890-134-5 “O‘zbekiston milliy ensiklopediyasi”, 2006. И.Р.АСКАРОВ, И.Х.ТУХТАБАЕВ, К.Г.ГОПИРОВ Утверждено Министерством народного образования Республики Узбекистан в качестве учебника для 9 класса общеобразовательных школ Государственное научное издательство ‘Ю‘гЬек1$1оп milliy ensiklopediyasi’^ Ташкент-2006 ВВЕДЕНИЕ Из истории известно, что люди издревле были знакомы с химическими веществами и явлениями. В период первоначального развития химии в числе древних зарубежных ученых, высказавших свои мысли и идеи, были сыны узбекского народа, внесшие достойный вклад в изучение химии. Имеются обширные сведения о том, что народы, проживавшие на территории Узбекистана, добывали руду, плавили железо, производили чугун, умели делать стекло, обжигать глиняную посуду, они пользовались бумагой, украшениями, изготовленными с применением химических веществ, ртутью и ее соединениями, необходимыми для парфюмерных изделий, эфирными маслами, сурьмой, лекарствами, приготовленными из растений. Бумагу изготавливачи из коры деревьев, кенафа, тряпок и из других различных материалов. В 751 году в Самарканде таким путем было налажено изготовление бумаги. В городах-музеях Самарканд, Бухара, Хива и др., являющихся историческими памятниками, изготавливались краски, специачьные смеси, растворы, применяемые в строительстве и украшении зданий орнаментами, живописью, мозаикой и др. Живший в 460-377 гг. до нашей эры древнегреческий ученый-энциклопедист Гиппократ оставил ценные сведения о приготовлении лекарственных препаратов из растений, животных и природных минерачов. Живший в 721-815 гг. Джабир ибн Хайян (Габер) (оставивший нам в наследие способы получения серной, азотной кислоты и позолоты) открыл состав нашатырного спирта и изучил его свойства, предложил способ приготовления свинцовых белил, изучал способы очистки уксусной кис.чоты путем перегонки, разработал изготовление растворов различной концентрации этой кислоты. В своей книге “Етмиш Китоб” ("Семьдесят книг") он приводил много сведений о метачлах и минералах. Родившийся в Кувинском районе Ферганской области и живший в 797-861 гг. ученый энциклопедист Ахмад-аль-Фаргони (Альфраганус) и являющийся автором одних из ранных химических ироизведений “Китоб амал ар-рахомат”, предложил состав редкого сплава, из которого изготовлен всемирно известный ниломер, не поддающийся воздействию воды вот уже в течение более тысячи лет. Живший в 865-925 гг. Абу Бакр Мухаммад ибн Закария ар-Рази (Рйзес) внес большой вклад в развитие медицины и химической науки. Он первым классифицировал вещества и описал приборы и оборудование, которыми он пользовался в своей лаборатории, оставил ценные записи о лечении заболеваний различными растениями. По интерпретации Абу Насра Фараби, жившего в 870-950 гг., основу материального мира составляет первичная материя. Непосредственное занятие врачеванием явилось для Фароби потребностью изучение и развитие практической химией. Абу Райхан Беруни, жизнь и творчество которого приходятся на 973-1048 гг., в известном труде “Минералогия", описал известные в те века горные породы, минераш, металлы и соединения, сплавы, производные на их основе, а также их свойства. В книге “Китоб ас-сайдана " высказал мысли о минеральных лекарствах. Благодаря работам в этой области им был внесен большой несравнимый вклад в формирование и развитие современной химической науки. Родившийся в селе Афшона Бухарской области и живший в 980-1037 гг. крупнейший алхимик средневековья Абу Али ибн Сино (Авиценна) в таких произведениях как “Рисолаталь-иксир”, “Китобаш-шифо”, "Тиб конунлари”привел ценные сведения как нужно пользоваться различными кислотами, щелочами, лекарственными веществами в практической медицине. Его произведение “Тиб конунлари" (“Канон врачебной науки ”) более 500 лет являлся основным учебником в крупнейших медицинских университетах мира. Современные продолжатели дел великих наших предков узбекские ученые-химики, химики-технологи О.С.Садыков, С.Ю.Юнусов, Х.Р. Рустамов, X. У.Усманов, М.Н.Набиев, М.А.Аскаров, Х.Н.Арипов, Н.А.Парпиев, К.С.Ахмедов, З.С.Салимов, Н.Р.Юсупбеков, А.А.Абдувахабов, С.Ш.Рашидова, Ш.И.Салихов, С.И.Искандаров, Ю.ТТошпулатов, С.С.Неъ.матов, Б.М.Беглов, Т.М.Миркамилов, А.Г. Махсумов своими все.мирно известными трудами внесли и продолжают вносить огромный вклад в развитие химической науки. После приобретения Узбекистаном независимости, в 1997 г. основанная узбекскими учеными И.Р.Аскаровым и ТТ.Рискиевым специальность “Классификация и сертификация товаров на основе химического состава" была введена в систему химических наук, и в данной области сегодня во многих странах мира ведутся соответствующие исследования. глава ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕГШЫХ В 8 КЛАССЕ Дорогие учащиеся! Для успешного продолжения изучения химии в 9 классе необходимо повторение пройденного в 8 классе. Периодическая система элементов и периодический закон_________ В процессе изучения неорганической химии вы ознакомились с историей открытия периодической системы и периодического закона. Периодический закон Д.И.Менделеев первоначально сформулировал так: «Свойства простых тел, а также формы и свойства соедштшй элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов». Затем, как нам известно, по мере углубления, расширения знаний и представлений о строении атома была дана современная формулировка, гласящая, что: «Свойства химических э-леме/тгов и образуемых ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от величины заряда ядра атомов этих элементов». Периодический закон - отражает закон природы и все живое в природе. / глава ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ. ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ Периодическая система элементов появилась на основе периодического закона. Если в первоначальном варианте (I марта 1869 г.) периодическая система включала в себя 63 элемента, то в современной системе - 109 элементов. Расположение элементов в периодической системе объясняется периодичностью изменения их физических и химических свойств. Под периодичностью понимается повторяемость свойств через определенный интервал. Например, в таблице щелочные металлы, галогены и инертные газы расположены через интервал (период), где расположены элементы с 8 или 18 элементами. Такой порядок изменения свойств связан с заполнением электронного уровня. Периодическая система и периодический закон химических элементов с точки зрения строения атома Открыт периодический закон и составлена периодическая система, однако Д.И.Менделеев не объяснил сходство и отличие свойств элементов, суть причины периодичности изменений. В XIX веке атом в химической реакции считался неизменяемой частицей. Эти представления изменились после новых открытий, сделанных в конце XIX и в начале XX веков: Открытие Х-(рентгеновских) лучей (немецкий ученый В. Рентген, 1895). Открытие ридиоиктивности (фринцучский ученый А.Беккерель, 1896). Открытие электрона (английский ученый Дж. Томсон, 1897). Заряд ядра данного элемента равен его порядковому номеру в периодической системе (английский ученый Д. Мозли, 1913). Создание протонно-нейтронной теории атомного ядра (русские ученые Д.Д.Иваненко и Е.Н.Гапон, а также немецкий ученый В.Гейзеиберг, 1932). Положение химического элемента в периодической системе зависит от свойств и строения его атома. Изучение радиоактивности (М. Складовская-Кюри, П. Кюри, Э. Резерфорд) показало, что атом химического элемента является сложной системой. Атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него электронов (электрон (е~) имеет массу равную 9. l -KT^' кг и отрицательный заряд равный Кл). Скопление электронов вокруг атома называется электронной оболочкой. Атом - электронейтральная частица, следовательно число электронов на электронном уровне равно заряду ядра или порядковому номеру (Z) элемента в периодической системе. Согласно протонно-нейтронной теории, ядро атома состоит из протонов и нейтронов (протон (р)-это частица, имеющая 1 а.еж массы, и частица с зарядом +/; нейтрон (п)- электронейтральная частица с весом, близким к массе протона). Заряд ядра определяется числом протонов, входящих в его состав. Следовательно, число протонов атомного ядра также равно порядковому номеру в периодической системе элементов. § I. Периодическая система и Периодический закон Масса атома (А) равна сумме массы всех частиц, входящих в состав атома: А = масса протонов + масса нейтронов + масса электронов Масса электронов очень мала, и поэтому можно считать, что масса атома состоит только из массы протонов и нейтронов. Общая масса протонов и нейтронов называется массовым числом (А). Она округленная до целого числа, равна относительной атомной массе элемента (Аг): A^=Z (число протонов, порядковый номер) + N (число нейтронов) Число нейтронов в атомном ядре равно разности между относительной атомной массой элемента и его порядковым номером: N = А^ - Z Таким образом, по местоположению элементов в периодической системе можно определить состав его атома (таблица 1). Таблица 1 Область атома, где возможно раслоложа1ие частицы Частицы Назааиие Символ (численный заряд в правом верхнем углу) Масса а.м. Заряд Число атомов Ядро Протон .Р' 1 +1 Z Нейтрон 1 0 A-Z Электронная обаючка Элею'рон С" 1/1840 -1 Z Как мы видим, в состав атома вошли положительно и отрицательно заряженные частицы - электроны и протоны т.е. он состоит из частиц с противоположными свойствами. Протоны, нейтроны, электроны являются элементарными частицами, наряду с ними на сегодняшний день известно много частиц с различными свойствами (масса, заряд и др.). И хотя мы их не видим, сзтцествование их доказано экспериментальными данными ученых. Также как атом и молекула, элементарная частица является разновидностью материи. Изучение строения атома показало, что периодическая таблица составлена таким образом, что элементы в ней расположены в соответствии со строением электронных оболочек атомов. В невозбужненном состоянии электронное строение атома определяется количеством электронов в нем. При этом электроны занимают орбиты с минимальной энергией. Количество электронов численно равно заряду ядра. Таким образом, именно заряд ядра определяет электронное строение атома и связанные с этим свойства элементов. Из этого вытекает современная формулировка периодического закона. I глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ • Свойства химических элементов и образующихся из них простых и '] сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда атомного ядра. I Количество электронных уровней любого элемента численно равно номеру периода, где расположен этот элемент. Ни Не имеют один электронный уровень и они расположены в первом периоде; атомы таких элементов как Li, Be, В, С, N, О, F, Ne имеют два электронных уровня, и они расположены во втором периоде и т.д. Атомы элементов на внешнем электронном слое не могут иметь больше восьми электронов, и в периодической системе имеется восемь групп. Каждая группа подразделяется на главную и побочную подгруппы. Количество электронов на внешнем электронном уровне атома элементов главной подгруппы численно равно (кроме Не) номеру группы. 1. Период начинается, соответственно, с организации нового энергетического уровня. Каждый период начинается с щелочного металла и завершается инертным газом. Их внешний уровень (кроме гелия) состоит из 8 электронов и имеет символику ns^np^ (п - главное квантовое число). 2. Элементы главных и побочных подгрупп различаются завершаемостью энергетических уровней. У всех элементов главных подгрупп заполняется или внештй s-подуровень (s элежнты I и II групп), wiu внешний р-подуровень (р-элементы III и IV групп). В первой побочной подгруппе, состоящей из трех декад (Sc-Zn, Y-Cd, La-Hg), завершается заполнение euympemteeo d-подуровня и поэтому эти элементы называются d-элементами. Во второй побочной подгруппе лантаноидов и актиноидов происходит заполнение f-подуровня, расположенного еще глубже, и поэтому эти эле.менты называются /-элементами. Таким образом, строение периодической системы объясняет электронное строение атома, количество групп, количество главных и побочных подгрупп, количество элементов в группах и периодах. Она разъясняет размещение таких элементов, как калий и аргон, кобальт и никель, теллур и йод (согласно их атомного строения). ш Вопросы и задания J Что такое период? ^ Ско.^ько периодов в периодической системе? j Какие периоды называются большими, а какие малыми? ^ Из скольких рядов состтт периодическая система? Какие элементы составляют группу? ^ Сколько групп имеется в периодической систеж? у Из каких подгрупп состоит каждая группа? д Какие элементы нижнего ряда в периодической системе выделены в отде.1ьные ряды и почему? g 2. Изменение свойств элементов в периодах и группах §2. Изменение свойств элементов в периодах и группах Электронная теория атомного строения объясняет изменчивость свойств элементов с точки зрения взаимосвязи их атомного строения и положения в периодической системе. Согласно этой теории химическая реакция основывается на электронном взаимоотношении, т.е. на процессе перестройки электронных уровней атома. В этом процессе в основном участвуют электроны внешних электронных уровней (валентные электроны). Обычно это одиночные (неспаренные) электроны. Например, внешний электронный уровень атома углерода имеет следую-щеестуоение11 |. В возбужденном состоянии он переходит в следующее Максимально заполненные уровни бывают самыми устойчивыми. Такие электронные уровни назьшаются завершенными и имеют s^p* (8 электронов) конфи-гурацшо (кроме Не). Поэтому инертные газы с трудом вступают в химическое взаимодействие. Атомы металлов на внешнем электронном уровне, обычно, имеют 4 электрона, которые слабо притягиваются атомом. И вступая в реакцию, они легко теряют валентные электроны. По сравнению с другими металлами щелочные металлы обладают сильно выраженными металлическими свойствами. Для сравнения металлических свойств элементов используется специальная величина - энергия ионизации (I). • Энергия ионизации - это количество энергии, необходимое для отделения электрона от апиша. _______ Единица измерения энергии ионизации выражается в отношении электрон-вольт к атому (eV/атом). Энергия ионизации атома считается функцией строения электрона. Сергия ионизации атома находится в периодической зависимости от порядкового номера элемента. Атомы неметаллов имеют на внешнем электронном уровне 4 и более электронов, которые сильно связаны с атомом. Поэтому при вступлении в химическое взаимодействие атом неметалла присоединяет элект^юн. Для сравнения неметаллических свойств вводится специальная величина - сродство к электрону (Е). Г • Сродство к электрону - это количество энергии, которая выделяется или поглощается в результате присоединения одного электрона и нейтральному атому. Единица измерения сродства к электрону выражается в отношении электрон-вольт (eV/атом) к атому. Элементы главной подгруппы седьмой группы (F, С1, Вг, I) - типичные неметаллы, обладают самой большой величиной сходства к электрону. На примере элементов, одного периода, например элементов лретьего периода рассмотрим изменение химических свойств в зависимости от строения атома. 10 / глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ Каждый элемент этого периода имеет три К, L и М электронных уровня, а для всех элементов этого же периода строение К, L электронного уровня одинаково, отличаются они только строением внешнего М уровня. Радиусы атомов также отличаются друг от друга (Таблица 2). Таблица 2 Элемент tiOMCp группы Заряд ядра Конфигурация электрона Радиус атома, им Энергия ионизации, eV Сродство электронов, eV Na I +1! ls’2s’2p^3s' 0,189 5,14 0,47 Mg п +12 1S-2S-2P03S- 0,269 7,64 0,32 А1 III +13 ls‘2s-’ip‘’3s-'3p' 0,143 5,98 0,52 Si IV + 14 Is-2s-2p'’3s-3pr 0,134 8,15 1,46 Р V +15 ls-2s*2p''3s*3p' 0,13 10,48 0,77 S VI +16 ls=2s^2p‘3s-3p" 0,104 10,36 2,15 а VII +17 ls'2s‘2p'’3s’3p^ 0,099 13,01 3,70 По мере увеличения заряда ядра атома элемента одного и того же периода радиус атома уменьшается, а количество электронов на внешнем энергетическом уровне увеличивается. В результате усиливается притяжение к ядру электронов внешнего энергетического уровня, увеличивается энергия ионизации и сродство к электрону. Поэтому к концу периода ослабевают металлические свойства элементов и усиливаются неметаллические. Действительно, третий период начинается с типичного щелочного металла -натрия. Магний, расположенный за натрием, также является типичным металлом, однако по сравнению с натрием он обладает меньшими металлическими свойствами. Следующий металл алюминий, который в некоторых соединениях проявляет неметаллические свойства. У элементов Si, Р, S, С1 неметаллические свойства от Si к С1 усиливаются. Хлор типичный неметалл. Период завершается инертным газом - аргоном. Такое изменение химических свойств элементов наблюдается во всех периодах. В больших периодах, как и в малых, металлические свойства ослабевают, но гораздо медленнее, а неметаллические постепенно усиливаются. Таким образом, можно сделать заключение, что с изменением порядкового номера химические, свойства элементов изменяются периодично. На примере элементов I А группы рассмотрим химические свойства элементов главной подгруппы и изменение их атомного строения (Таблица 3). Таблица 3 Элемс1гг Ho^№p периода Заряд ядра Электронная конфигурация Радиус атома, нм Энергия ионизации, eV Н 1 + 1 Is' 0.11 13.59 Li 2 +3 ls‘2s' 0.155 5.39 Na 3 +11 lsW2p'’3s‘ 0,189 5,14 К 4 + 19 ls^2s^2p'’3s-3p‘4s‘ 0,236 4,34 Rb 5 +37 ...3s=3p‘3d'“4sW5s' 0,248 4,18 Cs 6 +55 ...4s*4p‘4d'®5s^5p‘6s' 0,262 3,89 Fr 7 +87 ...4sMp‘4d"’4f'»5s-5p''5d"'6s=6p‘7s' 0,37 3,83 ^ 2. Изменение свойств элементов в периодах и группах 11 Элементы одной подгруппы имеют одинаковое электронное строение внешнего энергетического уровня. Элементы IА группы имеют на внешнем энергетическом уровне по одному s-электрону. Однако, с возрастанием порядкового номера (заряда ядра) элемента увеличивается радиус атома и количество электронов. Это приводит к ослаблению притяжения между ядром и внешним электроном и уменьшению энергии ионизации. По этой причине в главной подгруппе по мере возрастания порядкового номера элемента сверху вниз происходит усиление металлических свойств и ослабление неметаллических. Обобщая, изменение свойств элементов в периоде и группах можно выразить следующим образом:_______ _____________________________________________ 1. По мере возрастания порядкового номера (заряда ядра) элементов в группах: Усиливается металлические свойства; Неметаллические свойства ослабевают. 2. По мере возрастания порядкового номера (заряда ядра) в периодах: Ослабевают металлические свойства; Увеличиваются неметаллические свойства. Следовательно, самые сильные металлические свойства проявляются у цезия и самые сильные неметаллические свойства - у фтора. Видно, что с возрастанием заряда атомного ядра количество электронов на внешнем энергетическом уровне изменяется периодически. Вопросы и задания 1. У каких элементов атомы имеют завершенный внешний энергетический уровень, у каких нет? 2. Сколько электронов на внешнем энергетическом уровне имеют атомы металлов и неметаллов? 3. Как в малых и больших периодах изменяются строение атома и свойства элементов? 4. Как изменяются свойства элемента с увеличением порядкового номера в главных подгруппах? 3. У какого из элементов сильнее выражены металлические свойства: а) натрия или рубидия; б) калия или скандия; в) калия или меди? б. У какого из элементов сильнее выражены неметаллические свойства: а) углерода или азота; б) фосфора или азота; в) теллура или йода? Ядро атома нейтрально и состоит из протонов. Нейтрон - нейтральная частица, и его относительная масса равна 1 а.е.м. Обозначается буквой “п”. Протонзаряжш отрицательно. Его относительная масса равна 1 а.е.м. Обозначается буквой “р”. Заряд ядра атома равен порядковому номеру элемента в периодической системе элементов. В ядре атома водорода имеется один протон, нейтронов же нет. _12_____/ глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ Масса атома равна сумме масс протонов и нейтронов в ядре. A=Np+Nn. Например, ядро атома алюминия имеет 13 протонов и 14 нейтронов. (А1|=13+14=27 а.е.м. Группа химических элементов, имеющих одинаконый заряд ядра, но отличающихся массой атома, называются изотопами. Например, в природе встречается три изотопа аргона-“у4г, fgAr va J'g ./4г. Свинец имеет 4 изотопа: ^^РЬ, ^^РЬ, ^iPb, ^^РЬ. Элементы, имеющие одинаковую массу, но отличающиеся зарядом ядра, называются изобарами. Например, калий и аргон. *1К ,'ЦАг . Элементы имеющие одинакового количесгю нейтронов в атомном адре назы ьаюгся шо/иономм. Например, ксенон '^Хе, барий 'ЦВа и лантан '57 ia. В результате самоизлучения радиоактивных элементов появление новых химических элементов называется радиоактивным расщеплением. При а-излучении за1жд ядра уменьшается на 2, а масса ядра - на 4 единицы. Следовательно, порядковый номер нового элемента уменьшается на 2 порядка, и в периодической системе он смещается на две клетки влево. При Р’-излучении масса ядра не изменяется, а его заряд на единицу увеличивается (п-»р). При ихтучении позитронов масса ядра не изменяется, а его заряд на единицу уменьшается (р->п). |й Задачи для самостоятельного решения_________________ 1. Бор состоит из смеси изотопов ‘5 5 и У £. Его относительная масса равна 10,82. Определите массовую долю изотопов в природном боре. 2. Природная медь состоит из смеси изотопов ^Сик. Средняя атомная масса меди равна 63,54. Определите процентное соотношение изотопов меди в смеси. 3. Рассчитайте процентное количество изотопов ЦВг и 3*5 , которые ахланляют природный бром с относительной атомной массой равной 79,916. 4. Природный неон на 90% состоит из изотопа и 10% ^Ne .Определите среднюю атомную массу неона. 5. Магний на 78,6% состоит из изотопа и 11,29% ]lMg. Определите среднюю относительную атомную массу магния. 6. Природный кремний состоит из смеси следующих изотопов: ^Si=92,30 %, ^i=4,7 %, ^ Si=3 % Определите его среднюю относительную массу. 7. Определите заряд ядра и относительную атомную массу нового элемента, который образовался в результате отщепления 3 а-частиц и 2 р -частиц из радия. 8. Какой новый элемент образуется в результате следующей ядерной реакции: 235, 42 и-^7а + 7р + Х ^”A/g-2a-3/J-->X § 3. Заряд атома 13 9. Сколько будет разновидностей оксида углерода (IV) при комбинации атомов '^C и 'Ю, 'Ю, 'Ю? Определите его относительную молекулярную массу. Строение электронных слоев атома Атом, являясь электронейтральной системой, состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра. Число протонов в электронейтральном атоме равно числу электронов. Электроны вращаются вокруг ядра на энергетических уровнях. Энергетические уровни подразделяются на подуровни, подуровни, в свою очередь, на энергетические ячейки. Движение электронов характеризуется 4 квантовыми числами, t. Главное квантовое число - я п=1,2, 3, 4, 5,... К L М N О....... Чем меньше главное квантовое число, тем больше энергия связывания ядра и подуровневых электронов. Число электронов с любого энергетического подуровня определяется 2п-формулой. когда п=1; 2 • F= 2 электрона; когда п=2; 2 • 2^= 8 электрона; когда п=3; 2 • 3^= 18 электрона; когда п=4; 2 • 4^= 32 элет рона. 2. Ороитиыюе квашповое число - / Орбитальное квантовое число определяет энергию подуровневых электронов или форму электронного “облака”. Орбитальное квантовое число равно от О до и-1. когда п=1; 1=0; когда п=2; /=0,1; когда п=3; /=0,1,2.., Связь между пи/ Таблица4 п Главное квантовое число 1 2 3 4 / Орбитальное кван* товое число 0 0 1 0 1 2 0 1 2 3 Обозначение ^ / в символах S S Р S Р d s P d f Совместное обозначение пи/ Is 2s _2р_ 3s ..Jr 3d 4s 4d 4f 14 / глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ Число электронов на подуровнях определяется следующий формулой; 2(2/+1) 3. Магнитное квантовое число ~ т Магнитное квантовое число определяет состояние электронов в атоме или состояние электронных “облаков” по отношению к магнитному полю. Численное значение магнитного квантового числа определяется в интервале от +1 до -1. когда/=0-> т=0; когда/=1 -» т=+1,0,-1; когда 1=2 —» т=+2,+1,0,-1,-2. Количество ячеек на энергетических уровнях определяется п^. Например, п=4, то количество ячеек равно 4^=16. 4. Спиновое квантовое число - s Спиновое кваш овое число определяет вращение электрона вокруг собственной оси. ^го чис|1енное значение равно для одного электрона+ ^, для двух элек- тронов+^ и В одном атоме не может быть 4 квантовых чисел с одинаковыми численными значениями. Даже если имеется два электрона с одинаковыми п, /, m квантовыми числами, то их спины будут противоположными (Т i) (Принцип Паули). Главные ячейки подуровней сначала по одному максимально заполняются электронами, затем по порядку будут спариваться. Порядок заполнения энергетических уровней и подуровней электронами можно представить в общем порядке следующим образом: ls-*2s-*2p-*3s-*3p-*4s-*3d-^4p-*5s-*4d-*5p-*6s-*5d‘-*4f-*5d-*6p-*7s-*^ 6d’~^~*5f-*6d-* 7р Примеры для самостоятельного решения 1. Напишите электронную формулу атома элементов с порядковыми номерами 25 и 35. К какому электрошюму семейству относятся эти элементы? 2. Напишите электронную формулу атома элемешов с поряжовыми номерами 17 и 26. Какой из элементов относится к d-элементам? 3. Определите место в периодической системе элементов, имеющих следующую электронную конфигурацию: [He]2s^2p*; [Nel3s^3p’. 4. Почему углерод, сера проявляют переменную валентность? 5. Почему сера проявляет четную, а хлор нечетную валентность? § 4. Типы химических связей: коеапептиая (полярная и неполярная), ионная и мепшллическая 15 6. Оксиа одного из элементов, заранее предсказанных Д.И.Менделеевым, имеет в своем составе 30,5 % кислорода. Степень окисления элемента составляющего этот оксид равен +4. Определите относительную атомную массу этого элемента. 7. Элемент, образующий высший оксид состава EOj, имеет 5,88% водорода в составе летучего соединения. Определите место элемента в периодической системе. 8. Рассчитайте относительную атомную массу природного бора, если он состоит из смеси изотопов 19,6% '°В и 80,4% ”В. 9. Определите относительную атомную массу кремния, если природный кремний состоит из смеси трех изотопов: 92,3% “Si, 4,7% “Si и 3% “Si. 10. Природный неон состоит из смеси изотопов ^“Ne и “Ne и имеет относительную атомную массу, равную 20,2. Определите массовые доли каждого изотопа. И. Изобразите распределение электронов на энергетических подуровнях элементов, имеющих порядковый номер 15, 33, 51. 12. Электронная формула элементов заканчивается следующим образом; ...3d4s^; ...4s4^; ...4d^5s'; ...5s^5p’. Определите порядковый номер этих элементов. 13. Напишите электронные формулы ионов Сг’* и Вг. 14. Электронные формулы Аг и ионов С1', К* одинаковы. Объясните это с помощью электронной формулы. § 4. )( Типы химических связей; ковадентная (полярная и непол5фная), ионная и металлическая Теория электронною строения атома объясняет способное 1Ь атомов соединят ься в молекулы, г.е. природу н механизм химической связи. • Химическая связь - зто вчаимодспатие двух или более атомов, в результате которого образуются химически устойчивые <)ву’д- или многоатомные системы (например: молекула или кристии); • Направленность свя зи определяет просзпранственную структуру и формулу молекулы; • Полярность свя-Ju определяется асимметричным размещением общей электронной пары; • Кратность связи определяется числом электронных пар, связывающих атомы; • Длина связи - это равзювесное соапояииерасстояния между ядрами атомов (измеряется в нм); • Энергия связи равна работе, совершаемой для разрыва связи (измеряется в кДж /моль). 16 / глава, ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ. ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ Образование химической связи являясь экзотермическим процессом, протекает с вьщелением энергии, а разрыв связи - эндотермическим процессом и протекает с поглощением энергии. Ковалентная, ионная, металлическая, водородная связи считаются основными типами химической связи. • Связь, образованную посредством общей электронной пары атомов, называют ковалентной. • Способность атома химического элемента притягивать электронную пару называется электроотрицательностью. а) связь между атомами с одинаковой величиной электроотрицательности называется неполярной ковалентной связью (общая электронная пара расположена симметрично между ядрами); б) связь между атомами с различной величиной электроотрицательности называется полярной ковалентной связью (общая электронная пара смещена в сторону более электроотрицательного элемента). Ковалентная связь характерна в основном для неметаллов. Возникновение ковалентной связи обусловлено образованием общей электронной пары атомов с противоположными спинами. Простые вещества (такие как Н^, Fj, Clj, О^, обладают неполярной ковалентной, а многие сложные вещества (такие как Н^О, NHj, HF, SOjjCjH^OH) - полярной ковалентной связью. При нормальных условиях вещества с ковалентной связью могут быть твердыми (парафин, лед), жидкими (вода, спирт), и газообразными (кислород, азот, аммиак). При образовании соединения из атомов элементов с резко выраженной электроотрицательностью (типичные металлы и типичные неметаллы) электронная пара будет смещена в сторону атома с больщей электроотрицательностью. В результате образуются ионы (положительно заряженные катионы и отрицательно заряженные анионы). Например, при горении натрия в хлоре образуется молекула NaCl, в которой электронная пара, состоящая из Зз-электрона натрия и Зр-электрона хлора, полностью смещена в сторону атома хлора, в результате чего образуется катион Na* и анион С1~. Частищя, образующиеся в результате присоединения электронов к атомам или в результате потерь эзектронов атомами,называются ионами; Соединения, образованные из ионов, называются ионными соединениями; Связь между ионами называется ионной. Между ионной и ковалентной связями не существует четкой границы. Ионную связь можно считать предельным состоянием полярной ковалентной связи. Однако, в отличие от ковалентной связи, ионная связь не имеет направления. § 4. Типы химических связей: ковалентная (полярная и неполярная), ионная и металлическая 17 • Процесс отдачи электронов называется окислением; • Процесс присоединения электронов называется восстановлением. Например, при взаимодействии натрия и хлора атом натрия отдает электрон и окисляется, образуя катион: Na°-e' -♦Na*. Атом хлора принимает электрон и образует анион: Q°+e -^1. Металлы главной подгруппы I и II группы образуют типичные ионные соединения с неметаллами главной подгруппы VII группы. С 3 • При нормальных условиях ионные соединения - это твердые вещества. Атом водорода, связанный с атомом сильноэлекзроотрицательного элемента (фтор, кислород, азот), обладает способностью образовывать еще одну связь с атомом другого сильноэлектроотрицательного элемента. Например, в молекуле воды водород связан с сильно электроотрицательным элементом кислородом с помощью полярной ковалентной связи. Общая электронная пара сдвинута в сторону кислорода и при этом водород имеет частичный положительный заряд, а кислород - частичный отрицательный заряд. Положительно заряженный водород одной молекулы воды притягивается отрицательно заряженным кислородом другой молекулы воды, что приводит к образованию водородной связи. • Связь между двумя эдектроотрииатеды1ыми атомами через атом водорода называется водородной. -----^ Водородная связь характерна для таких соединений, как вода, жидкий аммиак, фторид водорода и многих органических соединений. Металлам свойственна самая низкая энергия ионизации и наличие большого количества активных электронов. Электроны в структуре кристаллической решетки металла легко отрьшаются из атомов, и в результате образуется электронный газ и положительно заряженные ионы металлов. Электроны по всему кристаллу считаются общими. ш Вопросы и задания: 2. 3. 4. 5. Объясните с точки зрения атомного строения инертность газов и ханическую активность других элементов. Какая связь называется ковалентной? Приведите примеры веществ с неполярной и полярной ковалентной связью. Напишите их структурную и электронную формулы. Напишите электронную и структурные формулы молекулы фтора, азота и воды и покажите особенности связи. Что такое ион? 2 - Химия, 9-класс. 18 l глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ. ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ Валентность элементов и степень их окисления Атом одного элемента может присоединить только определенное число атомов другого элемента. Валентность - это способность атома элемента присоединять определенное количество атомов другого элемента; Валентность элементов определяется количеством электронных пар, которые связывают атом одного элемента с атомом другого элемента. Валентность не равняется нулю и отрицательному числу. Понятие “валентность” целесообразно применять только по отношению к соединениям с ковалентной связью. В настоящее время, для характеристики состояния атома введено такое понятие, как степень окисления. Степень окисления - это условный заряд, приобретаемый ато.но.ч при превращении его в ион (т.е. когда происходит полное смещение общей электронной пары в сторону более электроотрицательного атома). Степень окисления не всегда равна валентности. При определении степени окисления элемента в соединениях необходимо помнить следующее; 1 Степень окисления молекулы, состоящей из одинаковых ато.мовравна нулю; Степень окисления водорода в гидроксидах метаглов равна —I, а во всех других соединениях +1; Степень окисления кислорода во .многих соединениях равна —2, в сое динениях фтором +2, в пероксидах (Э-О-О-Э) -1; Степень окисления фтора во всех соединениях равна -1; Степень окисления ще.лочных металлов во всех соединениях равна +1; Степень окисления элементов главной подгруппы II группы во всех соединениях равна +2; Атомы простых веществ имеют степень окисления, равную нулю; Алгебраическая сумма степеней окисления всех атомов молекул равна нулю. Используя это правило можно определить неизвестную степень окисления атома, входящего в молекулу, если степени окисления других атомов известны; § 5. Вапенгтость элементов и степень окисления 19 /Г Степень окисления может быть не только целым, но и дробным числом; Многие элементы имеют переменную степень окисления; Самая высокая степень окисления равна номеру группы периодической системы, где расположен этот элемент; В соединениях с водородом степень окисления неметаглов изменяется от-4 (элементы IV группы) до -I (элементы VH группы). Это определяется количеством электронов, отданных атомами водорода атому неметалла. Прачеры для самостоятельного решения 1. Электроны какого энергетичесжого слоя участвуют в образовании химической связи у элементов III периода? Ответ поясните. 2. Приведите примеры на возможность образования соединений хлором, представителен галогенов, с различным типом химической связи; ионной, ковалентной полярной и ковалентной неполярной. 3. Образует ли водород соединения с ковалентной неполярной, ковалентной полярной и ионной связью? Ответ поясните. 4. В каком из приведенных ниже веществ сильнее выражена ковалентная полярная связь: а) хлороводород НО; б) вода Н^О; в) аммиак NH,. 5. Напишите электронночггруктурные (^рмулы для соединений следующих элементов с кислородом: а) бария; б) алк»1иния; в) азота (V); г) серы (VI). 6. К какому элементу будут сдвинуты (смещены) электронные пары в соединениях, формулы которых SOj, NHj, CS^, СН^? Поче\^ Ответ поясните. 7. Как изменяется электроотрящательность у элементов больших периодов? 8. Одинаковы ли валентность и степень окисления атомов азота в молекуле нитрата аммония? Ответ поясните. 9. Определите степень окисления элементов в следующих соединениях; а) Na,0, Na,0 • б) FeO, Fep,, Fe,0,; в) FeS, FeS,, H,SO,,HjSp-r)PH,,P,0,, РД,н,ю„нДо,. 10. Приведите примеры соединений, где степень окисления кремния отрицательная и полч*ж1пся1.ная. 11. Чему равна степень окисления фосфора в его молекуле Р^? Приведите примеры соединений, где степень окисления фосфора -3, +3, +5. 12. Изменяются ли степени окисления элементов при образовании углекислого газа из углерода и кислорода? А при образовании карбоната кальция из углекислого газа и оксида кальция? ш. Вопросы и задания: 1. Как определяется валентность элемента? 2. Что такое степень окисления? 3. Чему равна степень окисления атомов простых веществ и почему? 20 I глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ 4, Найдите степень окисления каждого элемента в нижеприведенных веществах: Fp, Нр, КМпО, Kfrp^ Шр, Ca/POJ, Np^ Кр, Н, FeS, СЮ^ 5. В чем разница между степенью окисления и валентностью? § 6. / Теория электролитической диссоциации 3 Вещества, растворы или раслзавы которых способны проводить электрический ток, называются электролитами. Вещества, растворы или расплавы которых неспособны проводить электрический ток, называются неэ-чектролитит. Разработанные в ХЖ веке теории растворов (теория гидратов Д.И.Менделее-ва и ионизации С. Аррениуса), на первый взгляд, давали противоречивые объяснения. Если теория гидратов Д.И.Менделесва не могла объяснить способность растворов кислот, щелочей и солей проводить электрический ток, то теория ионизации С. Аррениуса не могла объяснить появление ионов в растворах электролитов. Впервые русский ученый И. А.Каблуков предложил рассматривать эти две теории как теорию электролитической диссощащи. Согласно электролитической диссоциации при растворении электролита в поляризованном растворителе происходит взаимодействие электролита с полярными молекулами растворителя. Электролиты - это вещества с ионной или полярной ковалентной связью. В процессе диссоциации ионы переходят в гидратированное состояние. К каждому иону присоединяется несколько молекул растворителя (воды). Обычно молекулы растворителя не з^аствуют в химической реакции электролитов; в этом случае они не учитываются при составлении уравнений химической реакции. Неэлектролиты, являясь соединениями с неполярной или со слабой полярной ковалентной связью, под воздействием растворителя не ионизируются, и поэтому их растворы не способны проводить электрический ток. Распад электролитов при растворении в воде или в другом полярном растворителе, а также при расплавлении под воздействием высокой температуры на ионы, называется электролитической диссоциацией. Каждый электролит образует положительно и отрицательно заряженные ионы, и эти ионы отличаются от нейтрального атома или молекулы зарядом или другими свойствами. В растворе ионы совершают беспорядочное движение, однако при пропускании электрического тока отрицательно заряженные ионы перемещаются к аноду, а положительно заряженные ионы - к катоду. ^ <*1 Ti’oj>u>i ) и‘кт1Ю.штичс(. кой Лш (nuiioiaiu 21 Электролитическая диссоциация - обратимый процесс, притяжение катионов и анионов в растворе приводит к образованию молекулы. В растворе ионы и молекулы находятся в динамичном (подвижном) равновесии. Поэтому в уравнениях элежтролитической диссоциации ставится знак обратимости ^5. NaCl t; Na"+Cl- Мо\г?лы волы % - с. Ионы мтрмя Ofc 'v ”5 / * ?9о -О-а-О ^ . , 0-в-в-О^ ( -В-в-Ы «Ь V ? Гнароксид-ионы *Ь о?* Рис. 1. Распад в водном растворе молекулы гидроксида натрия на ионы. КОН кэ-он HNO, №+NO, Г Отношение числа молекул, диссоциированных при определенной температуре к исходному числу молекул растворенного вещества, называется степенью электролитической диссоциации (О.); Степень электролитической диссоциации зависит от природы электролита, кощснтрации раствора и температуры; Диссоциированная и межмолекулярная константа равновесия называется константой диссоциации; Константа диссоциации зависит от природы электролита и температуры, но не зависит от концентращш. Задачи и упражнения для сашстоятельной работы BaSO^; 1. Растворенный в бензоле хлорид водорода не пропускает электрический ток и не взаимодействует с цинком. Как вы можете это объяснить? 2. Напишите уравнения электролитической диссоциации FeClj, FeClj и минерала кариаллита KMgCly6HjO. 3. Как можно осуществить химические реакции, представленные ниже в виде сокращенного ионного уравнения? Представьте несколько вариантов ответов. а) Ag^ + Cl =AgCl; б) Ва^* + SO/ в) + 20Н = СиСбН)^. 4. Если считать, что человек за сутки употребляет 15 грамм поваренной соли, то сколько ионов натрия поступает в организм за сутки? За I месяц? 5. В раствор, который в своем составе имеет 16 гр CuSO^ добавили железные опилки. В результате выделилось 3,4 гр меди в свободном виде. Определите массу ионов меди и железа, вьщелившихся из раствора. 6. Покажите все способы превращения атомов железа в ионы железа и, наоборот, ионы железа в атомы железа. Напишите соответствующие молекулярные, ионные и сокращенные ионные уравнения. 22 I глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ. ПРОЙДЕННЫХ В 8 КЛАССЕ ш Вопросы и задания: 7. На схеме электрической цепи, представленной на рис. 2., постоянно горит лампочка. Почему? В сосуд с раствором гидроксида бария по каплям добавляется раствор серной кислоты. Что при этом наблюдается? Что произойдет, если продолжить добавление раствора? Объясните причины всех происшедших изменений. Будут ли наблюдаться такие же изменения, если в место серной кислоты будет азотная или соляная? 8. Крестьянско-<3^рмерское хозяйство ввело 160 кг аммиачной селитры на 10 гектаров площади, где бьши посевы пшеницы. Какое количество аммиачной селитры необходимо в перерасчете на азот? 9. Для получения высокого урожая с посевных площадей сельского хозяйства используют минеральное удобрение следующего состава; Са-29,7%, Н-0,74%, Р-22.77%, 0-47,05%. Определите формулу этого удобрения. 1. Приведите примеры электролитов и неэлектролитов. 2. Почему электролиты пропускают электрический ток? 3. Чем ионы отличаются от атомов и молекул? 4. Приведите примеры катионов и анионов. 5. Что такое электролитическая (тссоциаиця? 6. Что такое степень диссоциации? 7. Почему растворы кислот обладают общими свойствами? S. Почему растворы щелочей обладают обицши свойствами? Тесты по теме: Периодическая систе.ма и периодический закон 1. Как с возрастанием порядкового номера элемента в периоде изменяется его электроотрицательность? А) вшрастает; В) возрастает только в больших периодах; Д) не изменяется. Б) уменьшается; Г) возрастаеттолько в малых периодах; 2. Атом какого элемента легче всего отдает электрон? А) Са; Б) Ва; В) Fe; Г) Rb; Д) К. 3. У какого элемента металлические свойства выражены сильнее? А) Си; Б) А1; В) Ag; П Mg; Д) Са. 4. У какого элемента неметаллические свойства выражены сильнее? А) S; Б) F; В)Si; ON;да О. § 6. Теория электролитической диссоциации 23 5. У какси-о элемента электроотрицательность больию? А)В;Б)С;В)К;ПО;Д)Р. 6. У какого элемента электроотрицательность меньше? А) Li; Б) Na; В) К; Г) Rb; Д) Cs. 7. Если строение атома показано нижеследующим образом, то у какого элемента ашьнее выражены металлические свойства? А) ...2s'; Б) ...3s'; В) ...4s'; Г) ...5s'; Д) ...6s'. 8. Определите, какое из соединений водорода, встречающееся в природе, самое устойчивое? А) СаНу Б) H,S; В) H^Se; Г) HJe; Д) Н,0. 9. Определите среднюю молекулярную массу природной меди, если она состоит из 73% “Си и 27%“ Си изотопов. А) 64,5; Б) 64; В) 63,5; Г) 63,2; Д) 63. 10. В каком соединении больше азота (%)? А) МНр; Б> NjH^; В) NHpH; Г) NaNO,; Д) CaCNOj)^. Химические соединения 1. В каком ряду приведены вещества, имеющие только ионную связь? A) Ka;Naa;NH,; B) CuO;MgO;HCl; B)FeS;HLO;CuO, r)KCl;RS;MgO; ^0H,;N,;O,. 2. В каком ряду приведены вещества, имеющие только полярную ковалентную связь? А)Н-Вг-Oj; Б) НС1; НВг; MjS; B)Naa;NaF;NaBr; r)Na;H,0;CuO; ----- Д)1д5;Н^;80з. 3. В каком ряду приведены вещества, имеющие только неполярную ковалентную связь? A)Naa;H-SO,; Б)80з;0^;Са8; B)N3;CuO;a.; CuO;Ca8;NaCl; 4. В каком соединении у азота самая высокая степень окисления? А) аммиак; В) сульфат аммония; Б) хлорид аммония; Г) гидроксид аммония; Д) во всех одинаково. 5. Чему равна степень окисления кислорода в перекиси водс^ода? А)+2;Б)-2;В)+1;П-1;Д)0. 6. Какие вещества имеют доноро-акцепторную связь? 1. HjO; 2. СО; 3. КНр; 4. NH^NO,; 5. Cu80, А) 1,2,3; Б) 2,3,4; В) 3,4,5; П W; Д) 2,3,5. 24 7. Какие связи имеются в молекуле NH С1? А) 3 ковалентные и 2 ионные; Б) 4 ковалентные и i ионные; В) 2 водородные и 3 ионные; Г) 2 металлические и 1 ионная; Д) 3 ионные и 2 ковалентные. 8. Сколько с- и л- связей имеет молекула К^Сг^О,? А) 8а и 7л; Б) 9о и 5л; В) 7о и 2л; Г) 10о и 4л; Д) 12а и 2л. II глава НЕМЕТАЛЛЫ § 7. В Общая характеристика неметаллов Неметаллы расположены в главных подгруппах в конце больших и малых периодов периодической системы (таблица 5). Расположение неметаллов в периодической системе Таблица 5 Периоды Группа элементов ША IVA VA VIA VIIA VIHA 1 Н Не 2 В С N О F Ne i 3 Si Р S С1 Ar 4 As Se Вг Кг 5 Те "I ' Xe 6 At Rn Формула высших оксидов RO, т: RO, RA RO, Формула летучих водсфодных соединений RH, КНз RHj RH Свойства атома. Все неметаллы являются Р-элементами (Н и Не s-элементы). При химических реакциях эти атомы, проявляя свойства окислителей, присоединяют электрон. Способность присоединять электроны возрастает с увеличением порядкового номера элемента в периоде, а в группах с увеличением порядкового номера эта способность уменьшается. Способность присоединять электроны в нижеследующем ряду уменьшается следующим образом: а Si S 7. Общая характеристика иемепиалое 25 Физические свойства. При нормальных условиях некоторые неметаллы находятся в газообразном (водород, азот, кислород, фтор, хлор), жидком (бром) и твердом (сера, углерод, йод, фос^юр и.т.д.) состоянии. Неметаллы плохие проводники тепла и электрического тока. Химические свойства. Типичные неметаллы, соединяясь с металлами, образуют соединения с ионной связью (NaCl, СаО, FeS). При взаимодействии неметаллов образуются соединения с ковалентной связью (Н^О - полярная, NHj -полярная). Неметаллы с кислородом образуют кислотные оксиды, а с водородом -летучие водородные соединения. Инертные элементы. Элементы главной подгруппы УШ группы - гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон относятся к неметаллам, но образуют отдельную группу - группу инертных газов. Инертные элементы имеют на внешнем энергетическом уровне 8 электронов (у гелия 2) и их заполненные энергетические уровни очень устойчивы. Поэтому эти элементы химически неактивны. Они не взаимодействуют друге другом, водородом и металлами. И только в 1962 году было получено соединение тетрафторид ксагона XeF^. На сегодняшний день получены фтористые и кислородные соединения криптона, ксенона и радона. Молекулы инертных элементов имеют только I атом. i 1. 2. 3. 4. 5. Вопросы и задания: Что общего в строении атомов неметаллов? Какой неметалл легко присоединяет электроны: а) углерод или аэот; б) сера или фосфор; в) селен или теллур; г) кислород или хлор; д) азот или сера? Почему? С какими элементами неметаллы взаимодействуют? Какие связи при этом образуются? Что вы знаете об инертных элементах? Чем отличаются атомы инертных элементов от атомов других неметаллов? Тесты по теме: Неметаллы 1. Какой газ хорошо растворяется в воде? А) водород; Б) хлор; В) хлорид водорода; Г) сульфид водорода; Д) кислород. 2. Какое вещество является сильным окислителем? А) НС1; Б) НСЮ; В) HClOj; Г) НСЮ^; Д) НСЮ^. 3. Какая из реакций протекает при нормальных условиях? А) Clj + Hj В) Си + Clj Д) Sb + С\ Б) Na + Clj -*•: Г) Fe + Cl^ 4. В каком из соединений азот имеет степень окисления -3? A)Nj; Б)Мр; В) N0; П NH3: Д) Np,. 26 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ 5. Сколько атомов в 0,25 молях водорода? А)6,02*1(Р^ Б) 12,02-1(Р; В) 3,01-1(РП Г) 1.505-KF; Д) 9,03-1(Р. 6. С какими веществами водород при нагревании образует нелетучие соединения? А) Р и Nj; Б) S и Se; В) С1^ и Вг^; П Са и Ва; Д) С и Si. 7. Какое вещество взаимодействует с раствором щелочи? А) О^; Б) СО^; В) СО; Г) NO; Д) Н,. 8. В каком из нижеприведенных соединений сера имеет степень окисления -2? А) S; Б) H,S; В) SO,; D SO,; Д) H,SO,. 9. Какая группа элементов обладает более выраженными электроотрицательными свойствами? А) U, К, Na; Б) Mg, Са, Ва; В) В, А1, Си; П F, Cl Вг, Д) С. SI. Р. 10. Сколько молей водорода образуется при разложении 72 г воды под действием электрического тока? А) 2; Б) 3; В) 4; Г» 6; Д) 8. ГРУППА УГЛЕРОДА § 8. J Общая хараюгеристика элементов qiynnu углерода | Что общего в свойствах элементов, входящих в группу углерода? • В группу углерода входят С, Si, Ge, Sn, Ph. • Эле.ненты группы углерода являются р-элемептами. Их валентность равняется II и IV, Высшая степень окисления равна +4, Элементы группы углерода расположены в главной подгруппе четвфгой группы периодической системы (являются рьэлементами) и на внешнем энергетическом уровне имеют четыре э;юктрона. В периодической системе они расположены в ряду элементов, которые легко отдают и легко присоединяют электроны. В соединениях с водородом они четтлрехатлентны (СН^- метан, SiH^- силан). В кислородсодержащих соединениях (СО,, Н,СО,, SiOj, HjSiOj), они проявляют высшую степень окисления, равную +4. Элементы группы углерода имеют близкие значения электроотрицательности (в основном, соединения водорода с углеродом и кремнием); в р>езультате неполярности молекул метана и силана и слабой полярности водород-углеродной и водород-кремниевой связей они не проявляют ни кислотных, ни основных свойств. ^ & Общая характеристика элементов подгруппы углерода 27 В таблице приведенной ниже, даны некоторые характеристики элементов подгругшы углерода. Свойства элементов группы углерода Таблица 6 Элемент Химический символ Порядковый номер и заряд H/ipa Относительная электроотри- цательносзъ Радиус атома, нм Электронная конфигурация Углерод С 6 (+6) 2,5 0,077 (He)2s'2p^ Кремний Si 14 (+14) 1,8 0,134 (Ne)3s^3p^ Г^>маннй Ge 32 (+32) 1,8 0,139 (Ar)3d'®4s4p2 Олово Sn 50(+50) 1,8 0,158 (Kr)4d'«5s^5p2 Свинец Pb 82 (+82) 1,9 0,175 (Xe)4f'''5d‘%s26p2 Элементы ЗУН: необходимо знать элементы группы углерода, их валентность, степень окисления, электронную конфигурацию. Вопросы и задании: 1- Какова валентность и степень окисления летучих водородных соединений эле~ ментов группы углерода? 2. Напишите формулы высших оксидов элементов группы углеродов. 2- Одно из летучих водородных соединений элементов группы углерода относительно гелия имеет плотность равную 8. Определите формулу этого соединения. 4. Сколько неспаренных электронов имеется в атомах элементов группы углерода? § 9. Расположение углерода в периодической системе, строение его атома Каково строение атома углерода, его биологическое значение? • Углерод - основа живой природы • Углерод встречается в природе в чистом виде и виде карбонатсодержащих минералов • Алмаз и графит - алютропные модификации углерода • Карбин - искусственная аллотропная .модификация углерода 28_ // глав.,. ИЕМЕТА.1.1Ы Расположение в периодической системе и строение атома. Углерод в периодической системе размещен в главной подгруппе четвертой группы второго периода под порядковым номером 6 и относится к р-элементам. Относительная атомная масса равна 12,011. На внешнем энергетическом )фовне имеется 4 электрона. C(+6)2-41s22s^2p2 Алмаз Графит Открыт Тк,°С D, г/см^ Тк,°С D, г/см^ Известен с древних времен 3550 3,513 3300 2,26 Сода NajCO'lOHp Магнезит MgCO^ Доломит MgCO^-CaCOj ' CaCOyBaCO^FeCOj - . Алмаз, графит, уголь, органические вещества Древесина Применение^ СО, COj сн,, ср, CS„ (CN),, СаС, Водяной газ При получении искусственного ажназа В качестве адсорбента При получении метилового спирта При получении СаС^ При изготовлении электродов ------- -- ----------Л' В периодической системе углерод размещен среди элементов, которые легко отдают и легко присоединяют электроны. В соединениях с водородом (CHJ он четырехвалентен. Степень окисления равна +2 и +4 (СО и СО^). В природе углерод встречается в свободном состоянии и в составе соединений. В составе минералов, в основном, встречается в виде солей угольной кислоты. § 9. Расположение углерода в периодической системе, строение его атома 29 .Г;Г:Г:Г:Г:Г:Г:Г. Рис. 3. Электронное строение алмаза. Рис. 4. Алмазный бур. например, кальцит (известняк) СаСО, и доломит CaCOj- MgCOj - соли угольной кислоты. В воздухе углерод встречается в виде углекислого газа - COj (TV). Угперод составляет основу живой природы, растительности, а также угля, нефти, ттрфа. В свободном состоянии углерод встречается в виде графита и алмаза, ^и вещества имеют атомную кристаллическую решетку. Они отличаются друг от друга строением кристаллической решетки и физическими свойствами.^ ^Алтз - самое твердое вещество в природе. Чистый алмаз - бесцветное прозрачное вещество с сильным лучепреломляющим свойством и кристаллическим строением/ В кристаллах алмаза все атомы углерода находятся на одинаковых расстояниях друг от друга и каждый атом с четырьмя соседними атомами образует ковалентную связь, направленную к вершинам тетраэдра. Алмаз хорошо проводит тепло, однако плохо проводит электрический ток. Отшлифованные прозрачные кристаллы алмаза называются бриллиантами. Они применяются при изготовлении ювелирных изделий. Технический алмаз получается искусственным путем. В технике алмаз используют для изготовления абразивных материалов, приборов для резки стекла, обработки металлов и других материалов. Графит - темно-серое мягкое кристаллическое вещество со слабым металлическим блеском. В графите атомы углерода расположены в параллельных плоскостях. Вследствие того, что связь между атомами углерода, расположенными на параллельных плоскостях слабее, чем между атомами, расположенными на одной горизонтальной плоскости, графит при поверхностном трении разъедается. Он применяется для изготовления сухих смазочных материалов, электродов, карандашей. Древесный уголь, кокс, костяной уголь состоят из мелких кристаллов сухого графита. Карбии - являются искусственной аллотропной модификацией углерода, в которой атомы образуют линейные цепочки. Карбин бывает двух типов: полиин, где атомы углерода связаны друг с другом чередующейся тройной и одинарной связью: d 6 d + + + + с J i ^ + + + + Ж^ Ж^ л* • Ж^ • • • Рис. 5. Электронное строение графита. 30 и глава. НЕМЕТАЛЛЫ -C^-C^-CsC-CsC-(-C^); и лолыуиеишчен, где атомы углерода связаны друг с другом двойной связью; =c=d:=c=c=c=c=c=c= (=с=с=) плотность карби-на выше плотности графита, а также он тверже графита, но мягче, чем anMaa-iKap-бин - химически инертный черный порошок, проявляющий свойства полупроводника. Фуллерены - аллотропная модификация углерода, открытая в конце 80-х годов. Состоит из 20 шестигранников и 12 пятигранников более ^ углеродных атомов. Он образуется в небольшом количестве при переходе газообразного углерода в твердое состояние. Углекислый газ, имеющийся в составе воздуха, усваивается растительными организмами в процессе фотосинтеза. При этом образуются органические вещества и вьщеляется кислород. Углерод, имеющийся в составе растений, переходит в организм животных. Такие полезные ископаемые, как древесный уголь, нефть, природный газ образовались в результате гниения остатков растений и животных. В результате жизнедеятельности растительного и животного мира, горения древесного угля, нефти, газа, извержения вулканов и разрушения минеральных ископаемых, углерод возвращается в атмосферу в виде углекислого газа. При разложении горных пород в некоторых случаях образуются оксиды с основными свойствами, и углекислый газ из воздуха постепенно присоединяется к оксидам и вновь образуются минералы. Таким образом совершается круговорот углерода в природе. Элементы ЗУН: углерод, его жсто в периодической системе, строение атома, алмаз, графит, карбин, природные соединения углерода, валентность, степень окисления. Вопросы и задания: f В каком состоянии углерод встречается в природе? 2- Какие свойства алмаза, графита и карбина вы знаете? Что образуется при взаимодействии графита и железа? Где применяются графит и алмаз? § 10. Физические и химические свойства углерода 31 §<0.) Физические и химические свойства углерода Какие важ11е|1пте свойсгва, 11рис>щие у|'лероду, вы iiiaei e? Распространенность в природе. Углерод составляет основу живого организма. Такие полезные ископаемые как нефть, природный газ, торф, уголь, горючие сланцы являются различными соединениями углерода. Каменный уголь, богатый углеродом - полезное ископаемое. Самые распространенные на земном шаре известняк CaCOj и доломит CaCOj- MgCOj также представляют собой природные соединение углерода. В земной коре углерода содержится 0,023%. В атмосфере углерод встречается в виде углекислого I'asa. В зеленых листьях, под воздействием фотосинтеза, образуются различные углеродные соединения. бСОз + бНр = + 6О2 Из образующегося в результате фотосинтеза который составляет основу растений (стебель, древесина), образуется целлюлоза, крахмал (пшеница, рис, картошка), дисахарнды (сахарный тростник, сахарная свекла), глюкоза и фруктоза (фрукты, виноград). Углерод - один из основных элементов для жизни. • По j(ucMca4 угля Узбекистан стоит иа втором месте. • Уголь добывается из Аигрсиского, II/аргунского, Бойсуискогоместоромсдсиаи. • Геологические запасы угля в Узбекистане составляют свыше 2 мнг шард ов тонн. Физические свойства. Любая аллотропная разновидность углерода представляет собой трудно сжижаемое, нерастворимое в обычных растворителях вещество без запаха и вкуса. При температуре 3550°С плавится (алмаз), при 4830°С кипит (сублимируется); плотность равна 3513 кг/м^ (алмаз), 2260 кг/м’ (графит); число изотопов 8 (9-) 16). Адсорбция. Углерод, в виде графита и древесного угля обладает высшими адсорбционными свойствами. Адсорбция - поглощение одного вещества поверхностью другого. \ Адсорбент - вещество, на поверхности которого происходит поглощение. Поглощение молекул, атомов, ионов другого вещества мсидкостыо или поверхностью другого вещества называется абсорбцией. Пог. ющсние веществом других веществ из внешней среды называется сорбциеН Вещество, способное на своей поверхности поглощать другое вещество, называется абсорбентом, поглощас-ное .нее вещество называется абсорбтивом. > 32 П глава. НЕМЕТАЛЛЫ Адсорбционная способность зависит от площади поверхности. Усиление адсорбционной способности угля происходит при нагревании его острым водяным паром. При этом вещества, заполнившие пустоты угля, вытесняются, и тем самым увеличивается активная поверхность. Активированный уголь применяется для поглощения летучих веществ из воздушно-газовой смеси (противогазы); при очистке организма (крови, органов пищеварения) от отравляющих веществ; дтя очистки продуктов пищевой промьшшенности (масложировые продукты) и в химической промышленности в качестве катализатора. В начале первой мировой войны Н.Д.Зелинский создал противогаз, использовав активированный уголь как сорбент против ядовитых химических веществ. Это открытие Зелинского сохранило жизнь более ста тысячи солдатам. Уголь используется в химической промышленности в качестве катализатора. Химические свойства. При обычных условиях углерод инертен. При нагревании взаимодействует с кислородом, серой, азотом, металлами и с оксидами металлов; углерод взаимодействует с фтором (с другими галогенами он не взаимодействует). 2F^ + С=СР^[фтористый углерод (TV)]. С кислородом образует дватипа оксидов. С + Oj = COj + 412 кДж; СО^ + С = 2СО-160 кДж При температуре 900-1000°С взаимодействует с серой: С + 2S = CSj В атмосфере азота при пропускании между двумя графитовыми электродами электрического разряда образуется дициан (CN)j: 2С + Nj = (CN)2 Металлы с углеродом образуют карбиды: Са + 2С = CaCj Карбиды образуются также при взаимодействии углерода с оксидами металлов: 2ALO, + 9С = ALC + 6СО 2 3 4 3 СаО + ЗС = СаС2 + СО Некоторые карбиды металлов, взаимодействуя с водой или кислотами, образуют различные водородные соединения: CaCj + 2HjO = Са(ОН)2 + (ацетилен) А1,Сз + 12НС1 = 4А1С1з + ЗСН, (метан) Карбиды таких металлов, как титан, вольфрам, железо, никель и т.д. хорошие проводники электрического тока, твердые, тугоплавкие и химически устойчивые вещества. § и. Важнейшие соединения углерода 33 При восстановлении SiO^ графитом в электрической печи образуется карбид кремния - очень твердое, не плавящееся, химически устойчивое вещество -карборунд: SiO^ + ЗС = SiC + 2СО Углерод сильный восстановитель. При взаимодействии с оксидами восстанавливает элементы до свободного состояния: FeO + С = Fe + СО SiOj + 2С = Si + 2СО Элементы ЗУН: известняк, доломит, углеводы, природные соединения углерода, угольные залежи Узбекистана, физические свойства, адсорбция, карбиды, углерод еосстанавитель. ш Вопросы и задания /. Напишите формулы соединений, которые образуются при взаимодействии углерода с Si, Mg, Fe. 2. Напишите реакции взаимодействия Fefif SnO, CaO с углеродом, 3. Сколько тепла выделится при сгорании 5 кг углерода? 4. Сколько необходимо углерода для восстановления 20 гр оксида меди (U) ? Определите количество меди, которое образуется в результате реакции. Важнейшие соединения углерода О Какая продукция получается из известняка при его химической переработке? Неорганические соединения углерода широко распространены в природе и встречаются у множества минералов, горных пород, углекислого газа в составе воздуха. Некоторые из неорганических соединений углерода являются важнейшим сырьём для различных отраслей народного хозяйства. Трудно представить себе жизнь человека без органических соединений углерода. Важнейшие из них -соединения, образованные углеродом и водородом, называемые углеводородами, которые обладают различным составом. Мы их будем изучать в курсе органической химии. Углерод образует с кислородом два оксида: оксид углерода (II) СО и оксид углерода (IV) СО^. Они имеют линейную структуру (С=0 и 0=С=0). Оксид углерода СО (угарный газ) - бесцветный газ, без вкуса и запаха, чрезвычайно ядовит, легче воздуха и мало растворим в воде. Относится к индифферентным оксидам. 3 - Химия, 9-класс. 34 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ Окись углерода получается при взаимодействии с двуокисью углерода с раскаленным при 450°С углем и недостатке кислорода; СО2-ьС = 2СО-160кДж Окись углерода горит синим пламенем: 2СО + Oj = 2COj + 572 кДж Окись углерода также как углерод является восстанавителем. При температуре 300-1500°С он восстанавливает оксвды металлов до металлов: FeO + СО = Fe + СО^ 2СО + SnO^ = 2СО2 + Sn Рис. 7. Прибор для получения углекислого газа. СО в присутствии активированного угля в качестве катализатора взаимодействует с хлором, образуя ядовитый газ 0осгеи: CO+Clj=COClj Угарный газ, по сравнению с кислородом, легко соединяется с гемоглобином, имеющимся в составе крови. В результате ухудшается кислородное снабжение организма Длительное вдыхание угарного газа приводит к летальному исходу. Вышеназванная окись углерода применяется при восстаноатении металлов, в качестве составной части искусственных горючих, при органическом синтезе. Углерода оксид (IV) СО„ называемый углекислым газом, бесцветный газ, без запаха тяжелее воздуха Углекислый газ имеет плотность равную 1,52 кг/м’. При даатении 5,76' 10*Па и t=20®C сжижается в бесцветную жидкость. При испарении этой жидкости поглощается так много теплоты, что остающийся углекислый газ затвердевает, превращаясь в белую твердую массу {сухойлед). Получение. В лаборатории двуокись углерода получают при взаимодействии карбоната кальция (мел, известняк, мрамор) с соляной кислотой: CaCOj+ 2На CaClj-B СО^Т-в Н^О В промышленности углерода оксид (ГУ) получают при прокаливании известняка: СаСОз-»СаО + СОД § и. Важнейшие соединения углерода 35 В природе углекислый газ образуется при дыхании животных и растений, гниении остатков органического происхождения, при горении. Углекислый газ проявляет свойства кислотных оксидов. Растворяясь в воде, он образует угольную кислоту: со^ + нр = нро, Взаимодействуя с оксидами металлов и основаниями, образует соли: 2NaOH + COj = NapOj + Нр NaOH + СО^ = NaHCO, CaO + CO^ = CaCOj При пропускании углекислого газа через известковую воду наблюдается сильное помутнение (качественная реакция на COj). Са(ОН>2 + СО, = CaCOji + Нр Он не поддерживает горения. Лишь некоторые вещества, например, магний горит в присутствии углекислого газа: 2Mg + COj = 2MgO + С Применение. Двуокись углерода в промышленности применяется при производстве соды (пищевой, бытовой, технической), синтезе органических кислот; в качестве огнетушителя, газировании напитков. Сухой лед применяется в пищевой промышленности в качестве хладогента. Элементы ЗУН: углерода окись, углерода двуокись, угарный газ и физические свойства углекислого газа, угарный газ как восстановитель, фосген, сухой лед, получение СО^ химические свойства СО^ качественная реакция. Вопросы и задания 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Каковы физические свойства оксидов углерода? Каково воздействие угсцтого газа на организм человека? Какие меры предосторожности необходимы при использовании угля в качестве топлива? Как в пргфоде образуется оксид углерода (IV)? В каких областях применяются оксиды углерода? Сколько тепла выделяется при горении 5,61 л (при н.у.) оксида углерода (II)? Завершите нижеприведенные уравнения реакций. КОН + СО,-* MgO + COj-* NafO, + нр + COj- 36 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ § 12Л Угольная кислота и свойства карбонатов Каковы специфические химические свойства угольной кислоты и карбонатов? Угольная кислота H^COj - неустойчивое соединение, может существовать лишь в водном растворе. Нр + СОз=Н,СОз НЮ: Его электронная и структурная формула: С=0 Н-О' Н.-0: СЮ HjCOj - слабая, двухосновная кислота. В водном растворе она диссоциируется в две стадии: Н^СОз = НСО3-+ Н^* НСОз-= и* + СО3-2 Угольная кислота реагирует только с оксидами и гидроксидами щелочных и щелочно-земельных металлов. Средние соли угольной кислоты называются карбонатами: KjCOj - карбонат калия, CaCXDj - карбонат кальция; кислые соли -гидрокарбонаты: КНСО,- гидрокарбонат калия, Ca(HCOj)j - гидрокарбонат кальция. RCO3 + СаО = CaCOji + IEO Н3СО3 + 2NaOH = КазСОз + 2Нр 1 моль кислоты взаимодействуя с щелочью образует кислую соль. Н2СО3 + NaOH = NaHCOj + Нр Карбонаты аммония, щелочных металлов, а также все его гидрокарбонаты, растворяясь в воде, гидролизуются; остальные карбонаты нерастворимы в воде. При взаимодействии сильных кислот с карбонатами и гидрокарбонатами происходит бурное вьщеление углекислого газа; Ка,СОз + та 2NaQ + СО Т -ь Пр Са(НСОз>з + 2НС1 -» CaQ^-i- 2СбзТ+ 2Нр Сокращенное ионное уровнение: COj-^ + 2Н* СОД + Н3О; НСО3-+ Н* COjT + нр § 12. Угольная кислота и свойства карбонатов 37 Реакции между солями угольной кислоты и сильными кислотами отличают карбонаты и гидрокарбонаты от других солей. Так как при взаимодействии карбонатов с кислотами происходит связывание ионов водорода, карбонатами можно пользоваться для нейтрализации кислот. В сельском хозяйстве для уменьшения кислотности почвы и улучшения ее структуры применяют размолотый известняк (уравнение реакции напишите самостоятельно). Все карбонаты, кроме карбонатов щелочных металлов, при нагревании расщепляются с вьщелением углекислого газа: СаСО,^СаО + СОД Эта реакция протекает до конца только при своевременном отводе углекислого газа из реакционной зоны. Гидрокарбонаты при нагревахгаи переходят в карбонаты: 2КНСО3 К3СО3+cOjt + нр При пропускании через водный раствор карбоната натрия углекислого газа образуется гидрокарбонат натрия (пищевая сода): Na3C03 + СО3 + Нр 2NaHC03 Карбонат кальция CaCOj является одной из самых распространенных солей угольной кислоты. Известняк, мел, мрамор, сталагмиты, сталактиты - вот некоторые минералы, в состав которых входит СаСОз. В горах в основном имеются залежи известняка СаСОз. Под воздействием воды и СО3 известняк превращается в растворимую соль Са(НСОз)з. СаСОз + COj + Нр = Са(НСОз)з Образовавшаяся соль Са(НСОз)з под воздействием воздуха вновь превращается в CaCOj. Са(НСОз)2 -> СаСО, + СО^ + Нр Из искусственно полученных карбонатов большое значение имеет сода -которая применяется в стекольной, бумажной, мыловаренной, текстильной, нефтеперерабатывающей промышленности, а так же в быту. Гидрокарбонат натрия - NaHC03 - пищевая сода применяется в медицине, пищевой промышленности при выпечке хлебобулочных изделий, при огнетушении. 38 И глава. НЕМЕТАЛЛЫ Упражнения для самостоятельной работы 1. При освещении темы «Важнейшие карбонаты и их практическое значение» в качестве примера приводится огнетушитель. Учитель объясняет, когда и как его можно использовать. В тетраде нарисуйте как устроен огнетушитель и напишите химическую реакцию процесса. Что вы можете предложить для усовершенствования огнету'шителя. Поясните свои предложения с помощью схем. 2. В природе существуют так называемые «собачьи пещеры». Их называют так потому, что, когда в эти пещеры входит человек, то с ним ничего не происходит, а когда туда входит собака, то она начинает подпрыгивать. Почему? Объясните причину. 3. Некая молодая женщина, выполнявшая домашнюю работу, вдруг почувствовала приближающееся землетрясение и побежала к пещере, где остался ее малыш. Прижав ребенка к груди, она подняла руку, чтобы защититься от падающей скалы и тогда произошло «чудо» - она и ее ребенок превратились в каменное изваяние. И с тех пор, как гласит легенда, эта пещера называется «пещера матери». Как может появиться каменное изваяние, напоминающее женскую фигуру, которая как бы поддерживает пещеру? Обоснуйте свои ответы химической реакцией. Выскажите свои предположения, как появились пещеры. Элементы ЗУН: угольная кислота, диссоциация, карбонаты, гидрокарбо-иаты, пищевая сода, бытовая сода, известняк, мел, мрамор, сталагмиты, сталактиты. 0 Вопросы и задания 1. Какш соли образует угольная кислота? 2. Как определить угольную кислоту и ее сот? J. Какие соли угольной кислоты имеют практическое значение и в какой области их применяют? 4. Какой объе.н газа может выделиться при нагревании 1,5 кг гидрокарбоната натрия и взаимодействии с избыточным количеством кислоты? 5. Напишите формулы гидрокарбоната аммония и магния. 6. Напишите соответствующие реакции для осущ/ествления иижес.зедующих превращений: СаСО^-*СО^- iNafOj-*NaHCOj-^NaCl § 13. Кремний. Расположение кремния в периодической системе и строение его атома 39 § 13.Л Кремний. Расположение кремния в периодической^ системе и строение его атома Как объяснить, что кремний относится к р-элементам? Si (+14) 2-8'4 Is22s22p*^3s^3p2 Т.™,°С Тк,°С Дк, г/см^ Да, г/см^ Открыт 1420 2355 3,3 2,33 I. Берцелиус, 1823 песок ЖГ каолин Al/?j2SiO^-2Hfi полевой шпат Kfi-A ip/eSiO^ SiH, P SiC ^ SiO^ li Na,SiO, SiCl, -> (.■Si:;-; -> ^ ^ P SiBr, SiJ, S t:':: SiS, ^ K^SiF, MgjSi ! Примени me h ^ Кремниевые стали Электронные схемы Фотоэлементы Карборунд Керамика Кремний расположен в главной пошруппечс! верч ой группы под номером 14 и относится к числу р-элементов. Относительная атомная масса равна 28,086. На внешнем энергетическом уровне имеется четыре электрона. Si 14 +14 -14 Is^ 2s2 2p^ 3s^ 3p2 за® 3d“ 3s^ 3p2 1 , , 1 T ....[T ' 1' 1 1 ‘ ' 1 ' В периодической системе он расположен среди элементов, которые легко отдают и легко принимают электроны. В соединениях с водородом SiH^ кремний четырехвалентен. Высшая степень окисления +4 (SiO^). В результате близкой электроотрицательности Si и Н, связь Si-H слабополярная, и неполярность 40 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ молекулы является причиной того, что водородные соединения кремния, в отличие от элементов главной подгруппы пятой, шестой и седьмой группы, не проявляют ни кислотные, ни основные свойства. Распространенность в природе и биологическое значение. Массовая доля кремния, который по распространенности в земной коре занимает второе место после кислорода, составляет 27,6%. В природе кремний встречается только в виде соединений. Кремний - основной элемент природы. Основная масса горной породы {гнейсы, граниты, базтьты) и минералы {кварц, полевые шпаты, песок и глина) состоят из соединений кремния. Кремний входит в состав стебля и листьев растений, перьев птиц, шерсти животных. Получение и применение. Кремний получают при взаимодействии кремния оксида (IV) с магнием, алюминием или углеродом: SiO,+2Mg=2MgO+Si Si02+2C=2C0+Si Кремний применяется для получения многих сплавов. Сталь, содержащая в своем составе 4% кремния, обладает магнитными свойствами. Из такой стали (электротехническая сталь) изготавливают двигатели, генераторы. Сталь, содержащая 16% кремния (кислотоупорная сталь), используе-гся для изготовления химических аппаратов и приборов. Кристаллы чистого кремния используются для изготовления полупроводников, применяемых в радио - и электротехнике. Такие полупроводники обладают способностью превращать энергию солнечного излучения в электрическую. Кремниевые солнечные батареи применяются для космических целей как источники энергии. Элементы ЗУН:1^^<^’^оположение кремния в периодической системе, строение атома, распространенность в природе, получение, применение. ш. Вопросы и задания Объясните местоположение кремния в периодической системе. 2, Покажите отличие и сходство в строении атома углерода и кремния. Распространенность кре.нния в природе? 4^ Способы получения кремния? § 14. Свойства кремния. Важнейшие соединения 41 § 14./ Свойства кремния. Важнейшие соединения I I W 1 Как вы с научной точки зрения объясните отличие в агрегатном состоянии SiOj и СО^? Физические и химические свойства. По внешнему виду кремний похож на металл. Кристаллический кремний вещество стального цвета с металлическим блеском. Точка плавления равна 1420°С; кипения 2355°С; его плотность 2329 кг/м^; чж:ло изотопов 11(24->34). В отличие от углерода, у кремния слабо выражены неметаллические свойства, так как он имеет больший радиус атома и электроны на внешнем энергетическом уровне удалены от ядра дальше. При сильном нагревании кремний сгорает в воздухе, превращаясь в двуокись кремния; Si+0=SiO^ При нагревании кремний взаимодействует с хлором, бромом и серой: Si+2Cl2=SiQ^ Si+2Brj=SiBr^ Si+2S=SiS2 кремний хлористый (IV) кремний бромистый (IV) кремний сернистый (IV) Соединения кремния с галогенами и серой при взаимодействии с водой гидролизуются: Sia,+2H-0= SiO-+4HCl SiS2+2H^O= При высокой температуре кремний взаимодействует с углеродом, образуя твердое соединение карборущд (карбид кремния): Si + С = SiC Из карборунда изготавливают шлифовальные и точильные камни. При нагревании кремний реагирует со многими металлами (Mg, Са, Сг, Мп, Fe и др.) с образованием силицидов: Si+2Mg=Mg2Si При воздействии на силициды кислоты образуется водородное соединение кремния - силан: Mg,Si+4HCl=2MgCL+SiH. 42 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ Силан - бесцветный газ, сильный восстановитель, в воздухе самовоспламеняется: SiH4-b202=Si02+2H20-b 1427,2 кДж Кроме силана имеется еще целый ряд водородных соединений кремния, и их общую формулу можно представить в следующем виде; где п<8. Силаны аналогичны углеводородам ряда метана, однако у кремния неметаллические свойства выражены слабее, чем у углерода. В результате происходит ослабление Si-Si, Si-H связи и усиление реакционной способности силанов. Кислоты не действуют на кремний. Однако он реагирует с расплавами и растворами щелочей: Si+2Na0H-fH20=Na2Si03-f2H2t Si-f20H-+H20=Si03-42H2t Важнейшие соединения. Оксид кремния (IV) твердое, тугоплавкое вещество, нерастворимое в воде и обладающее атомной кристаллической решеткой. В природе встречается в виде минерала кварца. Прозрачный, бесцветный кристалл кварца еще называют горным хрусталем. Кремень, агат, яшма, песок - разновидности кварца. Обладая свойствами кислотного оксида, при сплавлении взаимодействует с щелочами, карбонатами щелочных металлов, основными оксидами и образует соли кремниевой кислоты - силикаты: Si02+2Na0H=H20+Na^Si03 510з+НазС0з=С02+Наз8Юз 8Ю2-ьСаО=Са5Юз Кислоты, за исключением плавиковой, не взаимодействуют с кремнеземом. Плавиковая кислота взаимодействует с SiO^, образуя газообразный фторид кремния SiF^: Si02-i4HF=2H20+SiFj Из расплавленного кварца получают кварцевые стекла, пропускающие ультрафиолетовые лучи и обладающие малым коэффициентом расширения. Температура плавления кварца равна 1500°С. Поэтому кварцевые стекла применяются в условиях высокой температуры. Из кварца изготавливают ртутные лампы и химическую лабораторную посуду. Метакрем1шевая кислота и ее соли. Метакремниевая кислота HjSiOj - двухосновное, неустойчивое соединение, являющееся слабее угольной кислоты. Поэтому угольная кислота или углекислый газ вытесняют ее из растворов солей: На28Юз-ьН20-ьС02=На2С0з-ьН28Юз>1 Метакремниевая кислота не растворима в воде и образует студенистый осадок, который растворяется только в щелочах с образованием солей метакремни-евой кислоты: l5-§. Сшшкатная промышленность 43 2Na0H+H2Si03=Na2Si03+2H20 При нагревании метакремниевая кислота легко распадается на воду и оксид кремния (IV): Н2510з=8Ю2+Нр Метакремниевую кислоту можно получить, воздействуя другими кислотами на ее соли. Ее соли называются силикатами. Только силикаты щелочных металлов растворимы в воде. Силикаты калия и натрия (Na^SiOj и K^SiOj) называются жидким стеклом. Жидкое стекло применяется для изготовления кислотоупорного цемента, бетона, клея, мазей, им пропитывают ткани и известняк, используют в строительстве. Силикаты-сложные природные соединения. Например алюмосиликаты входят в состав полевого шпата (К^О-А1з0з-68102), каолина (А120з-28102*2Н20). Элементы ЗУН: физические свойства кремния, его химические свойства, сшициды, оксид кремния (IV) (кварц), горный хрустть, силан, кремневая кислота, сшшкаты, жидкое стекло. Вопросы и задания________ 1. В каком виде кремний встречается в природе? 2. Как можно получить кремний? 3. Где применяется кремний? 4. Расскажите о физических и химических свойствах кремния, 5. Напишите уравнения реакций, характеризующие его химические свойстви 6. Напишите ионное уравнение реакции гидролиза сичиката кичия и объясните свойства кремниевой кис.чоты, 7. Напишите химические реакчщи следующих превращений: Si —¥ Mg^i —> SiH^ —¥ SiOj —> NaJSiOj —> H^iOj —> SiO^ 15./ Силикатная промышленность, Что вы знаете о предприятиях, вырабатывающих стекло, цемент, керамику и же.лезобетон? Природные силикаты и кремнезем применяются для изготовления стекла, фарфора и фаянса, керамических изделий, а также вяжущих материалов. С Вместе с углем в Ангрене вырабатывается и каолин. Каолин является важнейшим сырьем в силикатной промышленности 44 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ СИЛИКАТНАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ \ Производство керамических изделий Производство цемента Производство стекла Стекло. Обычное или бутылочное стекло получают сплавлением оксида кремния (IV) (в виде кварца, песка), карбоната кальция (в виде известняка и мрамора) и карбоната натрия (в виде соды): СаС0з+8102=Са810з+С02 Na2C03+Si02=Na2Si03+C02 Полученное стекло является сплавом силикатов кальция и натрия с кремния оксидом (IV). Химический состав такого стекла можно выразить примерно такой формулой; Na20-Ca0-6Si02 Свойство стекла зависит от его состава. Если при варке стекла в состав шихты вместо карбоната натрия добавить карбонат калия (погаш), то можно получить тугоплавкое стекло, применяемое для изготовления химической посуды, а при добавке поташа и свинца - тяжелое, сильно лучепреломляющее стекло -хрусталь. Для получения окрашенных стекол специально прибавляют некоторые вещества Окись кабальта придает стеклу синюю окраску, хром окисный - зеленую, окись железа - темно-зеленую; закись меди - красный цвет. При добавке небольшого количества золота получается рубиновое стекло, которое пропускает только инфракрасные лучи. Из стеклянных волокон изготавливаются тепло- и электроизоляционные, кислотоупорные материалы. Цемент. Для производства цемента в качестве сырья используется известняк и глина, которая подается во вращающуюся печь, где температура доходит до 450°С. При такой температуре из состава сырья испаряется вода и вьщелятся углекислый газ. В результате образуется твердеющая масса - клинкер. Размалывая клинкер в порошок получают цемент, растворяя цемент в воде получают твердеющее тесто. Отвердение происходит даже под водой. Цемент применяется в качестве связующего материала при строительстве подводных и надводных сооружений. Бетон и железобетон. При смешивании цементного раствора с гравием, щебнем, песком получается масса, которая называется бетоном. Сооружения из бе- § 15. Силикатная промышленность 45 тона с основой из железных балок и стержней называются железобетоном. Бетон и железобетон широко применяются в различных отраслях народного хозяйства. Керамика. Изделия, изготовленные из глины, называются керамическими. Сырьем дтя глиняных (керамических) изделий может быть глина, каолин, песок, мел, доломиты. В настоящее время керамические изделия применяются в электронике, радиотехнике. Для этой цели используется тонкая керамика. Основным сырьем тонкой керамики является тальк, глинозем, оксид магния, соединения титана, из котхэрых изготовливают специальные смеси. Узбекский народ издревне занимался гончарным производством. В таких городах как Самарканд, Бухара, Хива произведенные из керамики орнаменты зданий веками поражает нас своим изяществом. Местное гончарное производство и крупные заводы по производству керамических изделий работают по следующей схеме: Изготовление целевого сырья приготовление глины (керамической массы) -> формование (придание определенной формы) сушка—> обжиг. Керамика I________ Строительные материалы: кирпич, кафель, черепица, канализационые трубы__________________________ Керамические изделия: бьпговые керамические, фарфоровые изделия, фаянс___________________________________________ Электроизоляционные материалы Различные детали для технических целей Чтобы поры керамических изделий не пропускали воду и не забивались, их покрывают глазурью, для чего в печь бросают поваренную соль (испаряясь, поваренная соль взаимодействует с оксидом кремния), в результате изделия покрываются гладким стеклообразным слоем, не пропускающим влагу. Элементы ЗУИ: различные силикаты, стекчо, цветное стекло, цемент, бетон, железобетон, керамика, фарфор, глина, фаянс, черепица. 1^ Вопросы и задания 1. Как получается обыкновенное стекчо, и где оно применяется? 2. В чем разница между обычным и цветным етекчом? 3. Какие разновидности стекча вы знаете? 4. Как получается це.мент, и где он применяется? 5. Что такое керамика? Каковы ее свойства? 6. Что такое же.чезобетон, и чем он отличается от бетона? 46 П глава. НЕМЕТАЛЛЫ Образцы решения задач Пример 1; При сильном нагревании 50 гр известняка получается 22 гр СаО. Сколько процентов CaCOj в составе известняка? Решение; 1) При нагревании известняка СаСО^, имеющийся в его составе, образует известь (СаО) и газ СО^. Из какого количества CaCOj образуется 22 гр СаО? X гр 22 гр CaCOj —> СаО + СО^ 100 гр 56 гр х = - 100 22 56 = 39,3 гр СаСО^ 2) В составе 50 гр известняка имеется 39,3 гр СаСО^. Сколько процентов составляет 39,3 гр CaCOj от 50 г известняка? %СаСОз=^ = 78,5% ' 50 Ответ: 78,5% СаСО,. Пример 2; Сколько необходимо воды, чтобы приготовить 10% раствор карбоната натрия из 54 гр кристаллической соды NajCOj-lOH^O? Решение; 1) Сколько Na^COj имеется в 54 гр кристаллической соды? NajCOj lOHjO = 46+60+180=106+180=286 в 286 гр Na^COj • ЮН^О имеется 106 гр Na^COj в 54 гр Na^COj • IOH2O имеется х гр Na^COj х=20 гр Na^COj 2) Если в 54 гр кристаллической соды имеется 20 гр Na^COj, то сколько необходимо воды, чтобы приготовить 10% раствор NajCOj? Для приготовления 10% раствора 10 гр NajCOj необходимо растворить в 90 гр воды. 20 гр NBjCOj необходимо растворить в х гр воды х=180грводы. 3) В 54 гр кристаллической соды имеется 34 гр воды. 180-34=146 гр воды. Если растворить 54 гр кристаллической соды в 146 гр воды (54+146), образуется 200 гр раствора. Ответ: в 146 гр воды Проверка правильности решения. 1) Растворимая масса: 54 гр + 146 гр = 200 гр 2) В 200 гр раствора растворено 54 гр кристаллической соды. В 54 гр кристаллической соды имеется Na^COj и вода: Na^COj • ЮН^О. 47 3) Определение растворимой массы (Na^COJ в составе 54 гр кристаллической соды в 286 гр Na^COj • IOH2O имеется 106 гр NajCOj в 54 гр Na^COj • ЮН^О имеется х гр Na^COj х=20 гр Na2COj (растворимое вещество) 4) В 200 гр раствора имеется 20 гр растворенного вещества. Процентное соотношение раствора: С% - — • 100% = 10% ный 200 Упражнения для самостоятельной работы 1. При разложении 200 г известняка образуется 33,6 л оксида углерода (н.у.). Сколько % карбоната кальция было в составе известняка? Ответ: 75%. 2. Какой объем оксида углерода (IV) (н.у.) образуется при сгорании 4,5 г каменного угля, если в его составе имеется 20% пустой породы? Ответ: 6,721. 3. При прокаливании 60 г гавестняка получается 32 г оксида кальция. Определите массовую долю карбоната кальция в известняке. Ответ: 0,953. 4. Сколько молей и грамм кислорода образуется при нагревании 44,45 г перманганата калия, если в его составе 10% примесей? 5. При взаимодействии 4 кг карбида кальция с водой образуется 1120 л (при н.у) ацетилена. Сколько процентов CaCj было в карбиде кальция, взятого для реакции? 6. При разложении 2 т известняка, имеющего 10% пустой породы, сколько взвешенного при н.у. COj образуется? 7. Сколько образуется угарного газа, взвешенного при н.у., из 4 т угля, имеющего в своем составе 92% С? Считать потери при производства равными 15%. 8. В составе кристаллической соды имеется 62,94% кристаллической воды. Напишите формулу кристаллогидрата. 9. При пропускании через раствор Ba(OH)j 1 м’ воздуха образуется 2,64 гр осадка ВаСО,. Сколько процентов углекислого газа в составе воздуха? 10. Рассчитайте необходимое количество известняка, соды и оксида кремния (IV), необходимое для получения 1 тонны стекла, учитывая, что обычное стекло имеет состав NapCaO-eSiOj. Тесты по темам Углерод и кремний 1. Какая из формул соответствует общей электронной формуле атомов р-элементов IV группы периодической системы? А) ns4ip^; Б) ns^p^; В) пр*; Г) ns^np*; Д) ns^p'. 48 II глава. НЕМЕТАЛЛЫ 2^ При восходе солнца растение высотой 1 м поглощает около 5 г оксида углерода (IV). Сколько граммов углерода за сутки может накопить подсолнух высотой 1,8 м? А) 0,245; Б) 2,45; В) 24,5; Г) 12,25; Д) 1,225. 3. Какой объём COj (н.у.) образуется из 96 г сажи? А) 179,2; Б) 1,792; В) 17,92; Г) 0,179; Д) 1792. 4. Определите массу одной молекулы карбоната кальция: А) 1,66-lO-^'’; Б) 11,2-10-23; g) 2,3-10-23; р) 6,02-Ю-зз; Д) 3,0М0-зз. 5. Сколько граммов воды необходимо взять, чтобы приготовить 10% раствор Na^COj из 54 г кристаллической соды? А) 146; Б) 240; В) 250; Г) 300; Д) 350. 6. Укажите форму гибридизации валентной орбитали атома кремния в силане SiH^: А) sp; Б) sp3; В) sp^; Г) (ЗЗ-врЗ; Д) s-spl 7. Определите массовую долю (в пересчете на %) оксида кальция в составе стекла Na,0-CaO-6SiOj. А) 11,7; Б) 15,6; В) 13,4; Г) 24,4; Д) 50,4. 8. Укажите формулу стекла, представленную в виде соединений оксидов, если в составе нормального стекла имеется 13% оксида натрия; 11,7% оксида кальция, 75,3% оксида кремния (IV): А) NajO-CaO-4SiOj; В) NajO-CaO-2SiOj; Д) На^О-ЗСаО-ЗЗЮ^. Б) NajO-CaO-6SiOj; Г) NajO-2CaO-4SiOj; 9. Как изменяются неметаллические свойства элементов в ряду: С -» Si —> Се Sn -» РЬ? А) усиливаются; В) не изменяются; Д) ослабевают, затем усиливаются. Б) ослабевают; Г) усиливаются, затем ослабевают; 10. Какая масса соли образуется при взаимодействии 15 г SiOj с избытком NaOH? А) 30,5; Б) 21,2; В) 18,4; Г) 26,3; Д) 44,2. 49 глава I МЕТАЛЛЫ § 16.1 Распространенность металлов в природе, получение и применение Какие металлы вы знаете, когорые применяются в быту каждый день? Из 109 элементов периодической сиаемы 87 металлы. Все элементы I, II, III трупп (кроме Н и В) металлы. В главной подгруппе IV группы кроме С и Si все элемеш ы металлы. В главной подгруппе V группы имеется только два металла Sb и Bi. В главной подгруппе VI группы имеется только один металл Ро. Все элементы побочных подгрупп IV, V, VI, VII, VIII групп металлы. В древние века человечество считало, что существует только семь металлов: золото, серебро, медь, железо, свинец, олово, ртуть. В настоящее время трудно представить настоящую жизнь без металлов. Металлы, их сплавы охватили почти все области народного хозяйства. Грузовые и легковые мащины, сельскохозяйственные машины, тепловозы, паровозы, обычная игла, гвоздь, ручка и т.д. изготовлены из металла, или же основную часть составляют металлы. Такие металлы, как железо, медь, цинк, никель, кобальт, алюминий, магний, вольфрам, молибден, тантал, ниобий, а также сплавы - сталь, чугун, боббит, дюралюминий, нихром имеют огромное практическое значение. Распространенность в природе С Распространенность металлов в природе втттяаятзташш^тш^^^штшттттятттттшштятшттвшш»0Я I Активные металлы 1 —'— Металлы средней актив- Неактивные металлы встречаются в виде солей: Сульфаты: CaSO^, BaSO^ Хлориды: NaQ, KCl Карбонаты: СаСО, Фосфаты: Са,(РО^), Нитраты: NaNOj, KNO, ! ности встречаются в виде: Оксидов: FCjOj, FCjO^ Сульфидов: PbS, CuS, ZnS, FeSj Сульфатов: FeSO^ • 7HjO встречаются в свободном состоянии: Си - медь Hg-ртуть Ag-серебро Аи - золото Pt- платина 4 - Хиктя. 9-класс. 50 III глава. МЕТАЛЛЫ Получение. Металлургическая промышленность выделяет металлы из соединений. Основная задача металлургии - это восстановление металлов из их соединений и выделение их с помощью других соединений. Для вьщеления металлов из соединений применяются различные способы. В промышленности все способы вьщеления металлов основаны на окислительновосстановительных реакциях и в настоящее время применяются следующие способы: Пирометаллургичестй. Гидрометшиургический. Электротермический, Пирометаллургический способ основан на прямой термической переработке соединений металлов (получение пассивных металлов) или восстановлении металлов из оксидов (сульфиды переводят в оксиды, затем восстанавливаются) с помощью углерода, оксида углерода (II), алюминия, кремния или водорода: ZnO + С —> СО + 2!л Сг-О, ч- 2А1 —> ALO, + 2Сг РСзО^ + 4СО З^е + 4Щ ЗВаО ч- Si -> BaSiOj ч- 2Ва WO3 ч- ЗН^ W ч- ЗН^О 2Hg ч- О, 2HgO . Этим способом, в основном, производят сталь и чугун, гидрометаллургический способ основан на переводе металлов и их соединений в раствор, а затем восстановление, без воздействия высокой температуры, с помощью электролиза или другого металла: СиО + HjSO^ -» CuSO^ ч- М CuSO^ ч- Fe —> FeSO^ ч- СиФ Этим способом извлекают такие металлы, как золото, серебро, цинк, уран и другие. Электротермический способ получения металлов основан на электролизе расплавов солей, гидроксидов и оксидов металлов. Na+ ч- е”-^ Na Са^^ ч- 2е"-^ Са AF^ ч- Зе“-^ А1 § 16. Распространенность металлов в природе, по.чучеиие и пушменение 51 На сх:нове этого способа получают щелочные, щелочно-земельные металлы и алюминий. Применение. Металлы применяются во всех отраслях народного хозяйства. Для жизнедеятельности человека металлы по степени использования стоят на первом месте. На рисунке 8 указаны металлы, которые использовались при изготовлении лампочки. По отраслям применения металлы условно подразделяются на черные и цветные. ^ • Черные мета.ъш - это железо и основные продукты его переростки - чугун и сталь. • Цветные металлы - все другие меписиы, кроме железа, и продукты их переработки. Цветные металлы относительно плотности железа (7874 кг/м^) подразделяются на: • Легкие .металлы (литий, натрий, кальций, алюминий, магний, титан, цинк, сурьма и т.д.); • Тяжелые Mcma. vm (технеций, кадмий, никель, ртуть, олово, свинец, медь, кобальт и т.д.).__________ _________________ _____________________^ По внепшему виду и по применению в производстве ювелирных изделий металлы подразделяются на: Драгоценные металлы (серебро, зо.чото, платина, радий, палзадий и пид,). По распространенности в земной коре (редко-земельные) и по свойствам, резко отличающим их от других металлов (проводимость, радиоактивность, тугоплавкость и т.д.), они подразделяются: ■ — ■ ....-.......- '^л • Редкие .металлы (актиноиды, лантаноиды, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, тантаз, радий, торий и др.). Индий и серебро хорошо отражают световые лучи и поэтому они применяются в изготовлении прожекторов, рефлекторов. С давних времен из таких металлов, как золото, серебро, медь изготавливались денежные единицы. • В настоящее время в Узбекистане найдено 40месторождений драгоценных металлов. 52 III глава. МЕТАЛЛЫ По запасам золота Узбекистан стоит на 4 месте в мире. Золотые прииски имеются в Кызылкумских Мурунтау, Аджибугуте, Булуптше, Базкантау, Аристантау, Торбое и других местах. Серебряные рудники имеются в Высоковольтном, Акжетпесе, Космонавпк Навоийской области; в Актепе Наманганской области. Алналыкский горно-металлургический шнбинат является одним из крупных предприятий по переработке цветных металлов, работающих на основе колмакирской руды. А также в Узбекистане имеются месторождения А и, Ац, Си, Re, Мо, РЬ, Zn, W, Cd, Л7, Os, V, Sc, Те, Se и многих других металлов. Сплавы Что вы Tiiaeie о значсшш сплавов в быту? Электро- и теплопроводность сплавов высокая. Свойства сплавов зависят от свойств веществ, входящих в его состав. Твердость сплава, состоящего из 99% меди и 1% берагзия, в 7 раз больше твердости меди. Сплав, состоящий из 50,1% висмута, 24,9% свинца, 14,2% олова, 10,8% кадмия, и.иеет температуру плавления, равную 65,5°С (тогда как висмут плавится при 271,3"С, азово - 231,9°С, кадмий - 320,9°С, свинец - 327,4°С). Такие метаны, как цинк, медь, алюминий не реагируют с водой, тогда как став, состоящий из 5% цинка, 50% меди, 45% алюминия при нормальных условиях взаимодействует с водой и вытесняет водород. Сплавы, также как и металлы, имеют кристаллическое строение, и их свойства зависят от него строения. При кристаллизации в некоторых сплавах происходит образование химических соединений, в некоторых же сплавах, с химической точки зрения, атомы металлов связь не образуют. Такие сплавы называются твердыми растворами. § 16. Распространенность металлов в природе, получение и применение 53 Гомогенные сплавы - это сплавы, состоящие из мета, злое, зшезощи.х близкие величины атомного радиуса, в узлах кристалническои решетки которых воз.можен обмен атомов (Си-Аи, Ag-Au, Na-K, BiSb). Гетерогенные сп:швы - это сп.швы, состоящие из металлов, имеющих различные величшзы атомного радиуса и в узлах кристал,зической решетки которых невозможен обмен атомов (Sn-Al, Zn-Al). Ишпермепшлзические (межмепшллические сп.завы - это сп.завы, состоящие из металлов, электроотрицательность которых резко оппичается друг от друга. В этих сплавах металлы соединяются в раз.гичных эквиваленпшых соотношениях, образуя химические соединения (CuZn, Cu/il, Си^п^). Сведения о некоторых сплавах Таблица 7 Название сплавов Процентный состав сплава, % - y. Область прюгенення Дюралюминий А195, Си 4, Mg, Мп, Fe. Si. 0.5 Самолётостроение Магаезийная сталь Fe83,Mnl2,Cl Изготовление UHcrqpH и при измельчении Хромовая сталь Fe83,7, Crl2, C0,3 в качестве нериса веющей стали Болт.фрамовая сталь Fe 70-85, W12-23, Cr 2-6, CO,5-0,6 При изготовлении скоростных ножей Свинцовый баббит Pb 80-82, Sn 16-18 При изготовлении подшипников Оловянный баббит Sn 82-84, Sb 10-12, Cu6 Машиностроение Смешанные баббиты Pb 64-66, Sn 15-17, CuO.3 Машиностроение И при ^ изготоалении различных сплавов Нихромовая сталь Ni67,Fel6,Crl5, Mnl5 При изготовлении электрообогревателей Типографские сплавы Pb 55-75, Sb 15-25, Sn 10-20 ^ В типографии В отдельных случаях металлы не растворяются друг в друге и не могзт образовывать сплавы (железо и свинец). В быту практически не применяются изделия, изготовленные из чистого металла. При изготовлении сплавов их свойства заранее должны быть известны. Кристаллическая решетка сплавов сильно отличается от кристалли- Рис. 9. с >0 54 III глава. МЕТАЛЛЫ ческой решетки чистых металлов. На рисунке представлены кристаллические решетки цинка и меди, а также кристаллическое строение их твердого раствора. Разнообразие свойств сплавов обуславливает их широкое применение в быту. Например, бронза (олово + медь) использовалась еще 5000 лет назад. В настоящее время самым широко распространенными сплавами, приготовленные на основе железа и алюминия. Элементы ЗУН: место металлов в периодической системе, мепииты, встречающиеся в природе в свободном виде и в виде соединений, пирометаллургия, гидро-металчургия, электротермические методы. ш Вопросы и задиния 1. 2, 3. 5. 6. 7. & Как получают сплавы? От чего зависит свойство сплава? Где применяют сплавы? Определите формулу химического соединения, состоящего из 60% меди и 40% цинка. Сколько грамм 20%чиш азотной кислоты необходимо для полного растворения Юг сплава состоящего из меди (99%>) и бериллия (1%)? Объясните причину невозможности использования алюминиевых сплавов при изготовлении ичюминиевой посуды, используемой в быту? Спросите у преподавателя, что означает номера пробы на золотых изделиях 375, 583, 585, 750, 900 и запиште ответ в тетрадь. Соберите сведения о ставах, применяемых человеком издавна, и обсудите их на заседании химического кружка. § 17,| Физические и химические свойства металлов Что вы знаете о сходствах и оз личиях металлической связи с другими видами химической связи? Физические свойства. Металлы при нормальных условиях - твердые вещества (кроме франция и ртути). Металлы в кристаллическом состоянии хорошо отражают световые лучи и поэтому им характерен металлический блеск. Индий и серебро благодаря хорошему светоотражению используются при изготовлении прожекторов и рефлекторов. Все металлы, кроме алюминия и магния, в измельченном состоянии (порошкообразном) имеют темный и темно-серый цвет. Кроме золота и меди, все остальные металлы имеют белый или серый цвет. Все металлы хорошо проводят электрический ток и тепло. Медь и серебро в этом отношении стоят на первом месте. J17. Физические и хищнические свойсгпва металлов 55 Металлы ковкие и пластичные. Пластичность - это свойства вещества изменять форму под воздействием внешних сил . Самым пластичным металлом считается золото. Оно раскатывается и в тонкую фольгу и вытягивается в тонкую нить. Металлическая связь. Характерные свойства металлов объясняются особенностями их внутреннего строения. Узлы кристаллической решетки металлов заняты нейтрально заряженными атомами, положительно заряженными ионами, а в промежутке имеются свободные электроны, находящиеся в постоянном движении. В металлах постоянно происходит отделение электронов от атомов и присоединение их к ионам. Наличием этих свободных электронов и обусловливается хорошая электро- и теплопроводность металлов. Эти электроны считаются общими для всего кристалла. • Химическая связь, возникающая между положительными ионами и общими электронами в металле, называется металлической связью. Металлическая связь характерна только для металлов, независимо от того, в твердом или в жидком состоянии они находятся. Плотность, температура плавления и кипения, твердость являются особенностью атома и зависят от заряда ядра, массы и прочности металлической связи. По общей плотности металлы делятся на легкие, плотность которых меньше 5000 кг/м'* (литий, натрий, магний, алюминий и др.), и тяжелые, плотность которых выше 5000 кг/м^ (цинк, железо, медь, ртуть, платина, золото, осмий и др.). Есчи самая низкая температура плавления присуща ртути (-38,87°С), то самая высокая характерна вольфраму (3410°Q. Если самые твердые металлы - хром и вольфрам, то самые мягкие - натрий, калий и индий. Химические свойства. Химические свойства металлов определяются способ-нос1ъю атомов легко отдавать валентные электроны и превращаться в соответствующие ионы. В химических реакциях атомы металлов проявляют восстановительные свойства. Например, при горении в присутствии кислорода металл, отдавая валентные электроны, превращается в положительно заряженный ион -окисляется, кислород же, принимая электроны, превращается в отрицательно заряженный ион - восстанавливается: М-пе“-> nOj + 4пе--^ 2пО-2 4М -t- пО, 2М,0„ 2 2 п При взаимодействии натрия и хлора, натрий отдает электроны хлору, при взаимодействии цинка с серной кислотой, отданные цинком электроны, принимаются водородом (напишите уравнения реакций). Электрохимический ряд напряжений металлов. Металлы по разному демонстрируют свои восстановительные свойства. Цинк вытесняет свинец в реакциях взаимодействия: Zn -ь Pb(N03)j -> Pbi + Zn(NO,), 'з-'г 56 III глава. МЕТАЛЛЫ Однако свинец не может вытеснять цинк при таких же условиях. Следовательно, цинк по сравнению со свинцом является сильным восстановителем. В свою очередь свинец способен вытеснить медь из солей, следовательно, по сравнению с ней, свинец является более сильным восстановителем. Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые подробно было изучено русским ученым Н.Н.Бекетовым (1865 г). Он расположил металлы в “вытеснительный ряд” и указал место водорода в этом ряду. В настоящее время этот ряд носит название электрохимический ряд напряжения или ряд стандартных электродных потенциалов металлов. ТаблщаВ Усялеяие восставовнтедьиых свойств простых веществ, г-вг U о к Са Na Mg А1 Mn Zn Cr Fe Ni Sd Pb Cu Afi Hr Au -3,04 -3.01 -2,92 -2,87 -2.71 -гзл -1,66 -1,18 -0,76 -0,74 -0,44 -0,25 -0,14 -0,13 0.00 +034 +0.80 +0,85 +130 U* Cs* К' Са** Na* Mg’* Al” Mn** Zn** Cr** Fe** №** Sn** Pb** 2H* Cu** H^* Au*> Усиление окисл1ггельных свойств гидратированных ноиов, пе~- Каждый металл вытесняет все следующие за ним металлы из растворов их солей. Металлы, расположенные слева от водорода, способны вытеснять его из разбавленных растворов кислот (металлы, расположенные между литием и магнием, вытесняют водород из воды при нормальных условиях). Металлы, расположенные справа от водорода, не способны вытеснять его из разбавленных растворов кислот. Насколько атом металла легко отдает свои валентные электроны, настолько сильным он считается восстановителем. Элементы ЗУН: физические свойства металлов, металлическая связь, металлы - восстановители, электрохимический ряд напряжений металлов. ш Вопросы и задания 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. II. Где расположены металлы в периодической системе? В каком виде металлы распространены в природе? Какие способы получения металлов вы знаете? Приведите примеры. От чего зависит хорошая теплопроводноапь и электропроводность металлов? Какие тяжелые и легкие металлы вы знаете? Какой металл самый твердый, а какой самый пластичтяй? Чем объясняются химические свойства металлов? Может ли ртуть вытеснить медь из раствора ее сЬ.ли? Какая связь характерна металлам и в чем ее сущность? В че.м сущность электрохимического ряда напряжений металлов? При взаимодействии меди с раствором нитрата серебра выделилось 4,3 г серебра. Сколько грамм нитрата серебра было в исходном растворе? § 18. Коррозия металлов 57 § 18.1 Коррозия металлов Почему металлические предметы ржавеют? Как можно предотвратить негативные явления, которые возникают в результате ржавления металлических предметов (различных деталей)? Металлические предметы под влия]ши[ем окружающей среды окисляются, образуя оксиды, гидроксиды, соли и подвергаются разрушению. Встречаются следующие виды коррозии; химическая, биохимическая или биокоррозия, электрохимическая. По протеканию коррозионного процесса различают атмосферную, жидкостную или электролитическую, надпочвенную или подпочвенную, электрокоррозию, вынужденную коррозию, и коррозию возникающую в результате напряжения металла. Коррозия-это разрушение металла под воздействие.» окружающей среды. Химическая коррозия - это разрушение металла в результате взаинодей-ствия его со средой, не пропускающей электрический ток. Э.лектрохит ческая коррозия - это разрушение металла при непосредственном соприкосновении с другими металлат, электро.читом, водой. В качестве примера химической коррозии можно привести окисление натрия и кальция в воздухе или разрушение металла при взаимодействии в газовой среде: сероводорода, галогена, оксида серы (IV) и др. с непропускающими электрический ток жидкостями, такими, как нефть, бензин, толуол. При этом электроны из металлов переходят к окислителям. Электрохимическая коррозия - это сложный процесс. В технике используются смеси металлов. Поэтому при соприкосновении металлов с раствором электролита образуется непременно действующий гальванический элемент и при этом ^лее активный металл разрушается. В воздухе на поверхности любог о металлического изделия происходит конденсация воды. При этом атмосферные газы растворяются и образуется электролит. Если два металла соприкасаются друг с другом или в его составе имеются примеси, то образуется гальваническая пара, которая подвергает металл электрохимической коррозии. Чистые металлы не подвержены электрохимической коррозии. Коррозия приносит большой ущерб народному хозяйству. Автомобили, приборы и оборудование химической промышленности, трубы и другие металлические изделия, больше всего подвержены коррозии. Казалось бы, металлы, расположенные левее в ряду напряжений и являющиеся активными, легче должны были бы коррозироваться. На самом деле не всегда 58 III глава. МЕТАЛЛЫ происходит так. Например, алюминий, расположенный в начале электрохимического рада напряжений металлов, несколько защищен от атмосферной коррозии. ЗЙго объясняется тем, что на поверхности алюминия образуется оксид алюминия, который тонкой пленкой покрывает поверхность и тем самым защищает его от атмосферного воздействия. Если эту пленку убрать, то алюминий быстро начинает коррозироваться. В народ ном хозяйстве для защиты металлических конструкций от водной или почвенной коррозии применяются электрохимические способы. Для защиты металлов и металлических конструкций от коррозии на практике щироко применяются следующие способы: Создание защитного слоя; Уменьшение активности коррозионной среды (ингибирование); Изменение свойств металлов (очистка от примесей или добавление примесей); Электрохимическая защита; Применение химически устойчивых металлов. Защита металлов имеет больщое значение, так как коррозия наносит большой ущерб народному хозяйству. Рассмотрим самые основные способы защиты, которые указаны выше. Создание защитных слоев. Для защиты от коррозии на поверхность металлов наносятся различные покрытия из лаков, красок, эмалей, смол, пластмасс, оксидов (окисление), солей (фосфатирование) и др. Фосфатирование - это получение на поверхности черного и цветного металла фосфатного слоя. Этот способ основан на взаимодействии металла с фосфорной кислотой и растворами ее солей с последующим образованием на поверхности металла слоя нерастворимых солей - фосфатов. Вещества, применяемые для получения фосфатного слоя, входят в рад анодных ингибиторов. Фосфатные покрытия обладают электроизоляционными свойствами, поэтому они применяются в изготовлении частей электромапшн, в электротехнике, а также для создания электроизоляционных покрытий на поверхности сталей. Фосфатировать можно любой предмет, обладающий размерами и формой, используя фосфатириющие растворы, которые имеют различные температурные режимы, и при этом затрачивается мало времени. Фосфатирование, которое производится перед покрытием, обеспечивает прочное соединение стали и покрытия, а также защиту поверхности от коррозии. Образование фосфатного покрытия сопровождается вьщелением водорода. Атомы железа постадийно замещают атомы водорода в составе кислоты: § 18. Коррозия металлов 59 2Н3Ю, + Fe = РеСН^РОД + Fe = гРеНРО^ + 2FeHP0^ + Fe = Рез(Р0^2+ В большинстве случаев поверхность металла покрывают другами, более устойчивыми к коррозии металлами (никель, цинк, хром, алюминий, золото, серебро). При разрушении защитного слоя, т.е. если поверхность металла обнажается, защищаемый металл попадает в агрессивную среду, образуется гальваническая пара и металл начинает коррозироваться. Если металлическое покрытие состоит из более активного металла, чем защищаемый металл, например на поверхности железа имеется цинковое покрытие, то металл, образующий защитный слой, становится анодом и такое покрытие называется анодным. Защищаемый металл является катодом, и он будет защищен, пока не разрушится весь цинковый слой. Металлы с меньшей, чем защищаемый металл активностью образуют катодные покрытия. При разрушении катодного покрытия защищаемый металл быстро ржавеет. Воздействие на коррозионную среду. Чтобы ликвидировать вредные примеси, а также уменьшить количество растворенного кислорода и солей, способствующих коррозии металлов, пряшеняют ингибиторы, которые замедляют процесс коррозии металлов. Ингибиторы - это особые вещества, добавление небольшого количества которых (КН-10'^ моль/л) в коррозионную среду способствует замедлению или прекращению процесса коррозии. В качестве ингибиторов применяются различные органические и неорганические вещества или их смеси. Ингибиторы применяются для защиты металлов от коррозии в атмосферной, кислотной среде, от коррозии под воздействием морской воды, охладителей, окислителей, смазочных материалов и др. Защитные способности ингибиторов основаны на абсорбции его на поверхности металла,что замедляет катодные и анодные процессы. Химическая электрозащита. Сущность электрохимической защиты в том, что защищаемый объект присоединяется к катоду. В результате сам этот объект превращается в катод. Такая защита от коррозии называется катодной. При этом в качестве анода используется металлический лом, который коррозируется, а зищищаемый объект сохраняется. Протекторная защита - это присоединение к защищаемому объекту пластинки - протектора из более активного металла. Из образованной гальванической пары протектор является анодом, а защищаемый объект - катодом. При этом протектор разрушается, а коррозия металлического объекта приостанавливается. В настоящее время создаются не только новые способы защиты, но и новые пластмассы, которые способны заменить металлы, кислотоупорные цементы и Т.Д. 60 Ш глава. МЕТАЛЛЫ Элементы ЗУН: Коррозия, химическая коррозия, электрохимическая коррозия, защитные слои, электрохимическая защита. Вопросы и задания 1. Что такое коррозия? 2. Какие виды коррозии существуют? 3. Как можно защитить металлы от коррозии? 4. В чем сущность фосфатного способа защиты? 5. Предложите свой проект защиты металчов от коррозии. 6. Железо под воздействием кислорода и воды образует “ржавчину”: 4Fe + бНр + 30^= 4Fe(OH)j. Сколысокислорода вл. (н.у.) необходимо для “ржавления”2,24 гр железа? 7. Сколько ржавчины Fe(OH) ^образуется в результате коррозии 28 гр железа и какой объем кислорода необходим, чтобы реакция протекала при нормальных условиях? 8. Напишите необходимые уравнения реакций д.чя осуществ-чения следующих превращений: Fe —> FeO —> FeSO^ —> Fej(SOJj —> Fe(OH)^ —> ^ 9. Какой объем кислорода отмеренного при нормальных условиях необходим для полного окисления 12,8 гр меди и сколько гр оксида меди образуется в результате этой реакции? § 19. J Электролиз и его практическое значение С помощью какого процесса из раствора поваренной соли можно получить 3 вида сырья, которые очень важны в народном хозяйстве? Сущность электролиза в том, что на катоде протекает процесс восстановления, а на аноде - окисления. При пропускании электрического тока через раствор электролита положительно заряженные ионы направляются к катоду и, принимая электрон, превращаются в нейтральные атомы, отрицательно заряженные ионы направляются к аноду и, отдавая электроны, становятся нейтральными. Чтобы подтвердить это утверждение, рассмотрим электролиз водного раствора медь хлористая - CUCI2. При пропускании через раствор электрического тока и С1‘ ионы раствора двигаются к соответствующим электродам, на которых протекают следующие процессы: g 19. Электролиз и его практическое значение 61 Катод Си^* + 2 ё= Си°; анод 2С1’-2 ё = Clj При пропускании электрического тока через раствор соли металла, электродный потенциал которого меньше -0,41V, то на катоде должны восстанавливаться молекулы воды. Для доказательства этого рассмотрим электролиз водного раствора NaQ: катод <— Na^ Q’-^ анод (Анод) 2Н,0 + 2 ё= Hj + 20Н-; 2С1-2ё = Cl^ При этом молекулы воды восстанавливаются только при электролизе раствора соли того металла, который расположен перед алюминием в ряду стандартных электродных потенциалов. Это объясняется гем, что процесс восстановления воды усложняется из-за сильного напряжения и для их восстановления необходима дополнительная сила тока. Самая низкая разница потенциалов в процессе электролиза назьшается напряжением распада и сила электропроводности (с.э.п.), соответствующего гальваническогоэлемента, всегда больше Е, т.е. > Е: Т| = Ер^^-Е Т) - сильное напряжение. Аноды бывают двух видов - растворимые и нерастворимые. Растворимые аноды - это электроды, которые в процессе электролиза разрушаются, т.е. переходят в раствор в виде ионов. Например, если при пропускании через раствор CuClj электрического тока в качестве анода взять медную пластюжу, то на катоде происходит выделение меди, а на аноде вьщеление хлора не будет наблюдаться. При этом условии атомы меди по сравнению с ионами С1‘ легко отдают электроны. В результате сам анод растворяется, т.е. медь из анода переходит в раствор в виде ионов. В электрической промьипленности растворимые аноды применяются для получения чистых веществ, покрытия одних металлов другими и т.д. Например, при никелировании изделий анод изготавливается из никеля, изделие, которое необходимо никелировать является катодом. Оба электрода погружаются в раствор соли никеля. Нерастворимые аноды обычно изготавливаются из золота, платины или графита. В процессе электролиза нерастворимые аноды не переходят в раствор в виде ионов. При этом на поверхности анода окисляются или ионы кислотного остатка или молекулы воды. Если электролит концентрированный, то ионы бескислородной кислоты, например Q", Вг, Г, S^', легко теряют заряды. Анионы же кислородосодержащих кислот, например SO/', Ю/', NOj' не теряют заряды. При электролизе кислородосодержащей кислоты или раствора соли этой кислоты, на аноде окисляются молекулы воды и выделяется газообразный кислород. 62 III глава. МЕТАЛЛЫ Если пропустить электрический ток через раствор соли кислородосодержащей кислоты, например Na^SO^, то и катионы и анионы соли не заряжаются. На катоде вода восстанавливается, а на аноде окисляется. Поэтому на катоде выделяется водород, на аноде - кислород. Na^SO^ + HjO -» 2Na* + SO/- + Нр (№ + ОН ) (Катод) 2Н^ -ь 2 ё Hj® (Анод) 40Н- - 4 ё 2Й2О + О/ В результате в процессе электролиза происходит разложение воды и увеличение концентрации соли. Чаще процесс электролиза протекает, если раствор электролита не концентрированный. Электролиты подобно NaCl при разбавлении разрушают свою ионную кристаллическую решетку. Образовавшийся разбавленный раствор содержит в себе беспорядочно двигающиеся ионы. Так как в растворе NaCl ионы Na"^ заряжены положительно, то при электролизе на катоде именно эти ионы разряжаются: Na* -ь ё = Na° В настоящее время многие металлы (А1, Mg, Са, Na и другие) получают путем электролиза из расплавленных соединений. Водород, кислород, фтор, хлор, щелочи также получают путем электролиза. Электролиз широко применяется для получения чистых металлов, для нанесения металлических покрытий (никелирование, хромирование, покрытие золотом). Никелевое, хромовое, золотое покрытия придают предметам не только эстетичный вид, но и предохраняют их от химического разрушения (коррозии). Законы электролиза. Законы электролиза были получены на основе исследований английским физиком М. Фарадеем. • 1 закон Фарадея: масса вещества, выделяющегося на электроде, прямопро~ порциональна количеству пропускаемого электричества. • II закон Фарадея: массы веществ, выделяющихся на электродах, прямопропорциональны электрохимическим эквивалентам этих веществ. Для вьщеления одного грамм-эквивалента любого вещества потребуется 96500 кулонов электричества. Это число называется числом Фарадея. Электролиз - удобный способ для получения точной копии рельефных изделий. Получение копий рельефных изделий называется гальванопластикой (В.С.Якоби, 1837). 1. Соединения металлов, расположенных в металлическом ряду напряжений левее алюминия, при электролизе вьщеляют водород. § 19. Электролиз и его практическое значение 63 Катод 2Н*+2ё =ТН, СаС1, и Са^*+2С\- 2НЧ20Н Анод 2Cl--2i=TCL 20Н- +20HCa(0H)j 2. Соединения металлов, расположенных в металлическом ряду напряжений правее алюминия, при электролизе вьщеляют металл на катоде. Катод Си^*+2ё=Си" 2Н" . CuCl, Cu^^+ 2С1-2Н" + 20Н-2Н"+ 20Н-=2Н20 Анод 2С1--2ё=ТС1° 20Н- 3. При электролизе бескислородных кислот и растворов солей, содержащих бескислородный кислотный остаток, на аноде происходит окислеше кислотного остатка. Смотрите верхние два примера. - 4. При электролизе кислородсодержащих кислот и растворов их солей на аноде окисляются ОН' ионы и вьщеляется кислород. 40Н- - 4ё = 2Нр+02-электролиз раствора MnSO,. MnSO^+Hp = Мп^ЧЗО^^+Нр (Н"+ОН ) на катоде Мп^*+2ё~Мя'’ на аноде ЮН' - + (У 200-^02 2Н^ + т.е. остаётся H2SO4. 5. При электролизе в качестве нерастворимого анода используются пластинки инертных материалов или графит. При использовании в качестве растворимого анода Си, Ni, Ag, Fe и др. именно эти материалы при электролизе окисляются. В промышленности, где проводится процесс электролиза, обезвреживание выделяющихся различных газообразных продуктов или их рациональное использования в др. процессах позволяют решить появившиеся экологические проблемы. Сегодня по эффективному использованию соединений, допольнительно образующихся в процессе электролиза проводятся соответствующие исследования в ряде научных лабораторий. Из нижеприведенной таблицы можно определить, какое вещество выделяется при электролизе определенной соли. 64 HI глава. МЕТАЛЛЫ Таблица9 No Электролиты Продукт электролиза на катоде на аноде 1 Соли, образованные из активного металла и киоюродсодержащих кислот 2 Соли, образованные из активных металлов и бескислородных кислот Н, Я^5, галоген 3 Соли, образованные из малоактивных металлов и кислородсодержащих кислот Металл, если повышенная концентрация ионов Н* 4 Соли, образованные из малоак- , тивных металлов и бескислородных кислот Металл, иногда Н, (если концентрация ионов Н ’^высокая) Н^, галоген Элементы ЗУН: Электролиз, катод, анод, анион, законы электролиза. ^ I Вопросы и задании I- Что такое электролиз? Объясните процесс, протекающий на аноде и катоде при электролизе нитрата меди (II), хлорида натрия, I, В каком порядке будут выделяться металлы при электролизе раствора, содержащего ионы цинка, железа, свинца? 4, Каково практическое значение электролиза? Примеры решения задач Пример 1. Объясните процессы, протекающие на электродах при электролизе расплава иодита натрия. Решение. 1) В расплаве иодита натрия протекает следующее: NaI=Na^+r 2) Процесс, протекающий на катоде. Катод, имеющий отрицательный заряд, отдает электрон положительно заряженному металлу. Na* притягивается к катоду, принимает электрон и восстанавливается. Катод (-) Na* + ё Na° 3) Процесс, протекающий на аноде: На аноде электроны положительно заряжены и притягивают к себе отрицательно заряженные ионы. Анионы йода, отдавая электрон, окисляются. Анод (+) 21' + 2ё-э Ij §19. Электролиз и его практическое значение 65 4) Молекулярное уравнение процесса электролиза: Пример 2. Объясните процесс электролиза водного раствора сульфата меди (II) на инертном электроде. Решение. 1) В водном растворе сульфата меди (П) имеются следующие ионы. CuSO^ = + SO/- 2) Процесс, протекающий на катоде: Катод (-) Си^'^ + 2ё ^ Си® 3) Процесс, протекающий на аноде: Анод (+) 2HjO - 4ё-э 4Н* + О^ Следовательно, при электролизе раствора CuSO^: 2CuSO,+2Hfi 2Си Пример 3. При электролизе раствора натрия на инертном электроде при н.у. на катоде выделяется 11,2 л водорода. Определите объём кислорода, который вьщеляется в это же время на аноде. Решение. 1) Напишим электролиз раствора натрия на инертном электроде. NaOH = Na^ + ОН- На катоде (-) 2HjO + 2ё-> Hj + 20Н' На аноде (+) 40Н' - 4ё-> 2Н2О + О2 Следовательно, при электролизе раствора натрия вода подвергается электролизу. 2Н2О 2Н2+О2 2) Определите объём вьщелившегося кислорода. При выделении на катоде 2 л водорода на аноде выделится 1 л кислорода. Следовательно: I: л Н2 -э \л О2 11,2л Н2 —> хл О2 л Oj. 11,2л х = —-— = 5,6л Задачи и упражнения для самостоятельного решения 1. Покажите схематично процесс электролиза раствора солей CalNOjlj, FeClj, Na^S, ZnClj, NaCl, Мп80^,если анодом является графит. 2. Какой процесс протекает при электролизе раствора AgNOj если в качестве анода применяется серебро, графит? 3. Сколько серебра вьщелится на катоде и какое вещество, в каком количестве выделится на аноде, если в течении 30 мин. пропускать через раствор AgNOj ток силой 6 А? 5 - Химия, 9-класс. 66 III глава. МЕТАЛЛЫ 4. Какое вещество будет выделяться на аноде при электролизе расплава NaQ? А при электролизе раствора? 5. Объясните процесс, который будет протекать при электролизе раствора нитрата никеля (II) с участием инертного электрода. 6. Какие вещества будут выделяться на электродах при электролизе с помощью инертных злектродов водных растворов следующих солей: AuCl,, KjPO^, Pt(N03)j? 7. Рассчитайте массу вьщелившегося на катоде серебра, если при электролизе с помощью инертного злектрода раствора нитрата серебра на аноде выделяется 12 гр кислорода. Тесты по теме: 1. Какие из нижеследующих металлов вступают в реакцию с концентрированной серной кислотой? A)Ti; Б) Mg; B)Zn; Г)Ре; Д)Си. 2. Сколько атомов имеется в 13,5 гр алюминия? А)7,02-1(р5; Б)5,0М0“; B)6,02-1(F; Г) 3,01-10»; Д)4»01-1025. 3. Сколько Си вытеснит 2,8 гр Fe из раствора CuSO^? А) 3,2; Б) 6,4; В) 3,02; Г) 0,64; Д) 1,28. 4. Какому элементу соответствует ls^2s^:^*3s^3p' химическая электронная конфигурация? А) Си; Б)А1; B)Fe; Г) Mg; Д)Са. 5. При электролизе какого раствора соли на катоде не будет выделяться металл? A)CuSO,; Б)А§КОз; B)NaCl; Г)СиС1з; Д)Au(NO)з. 6. Сколько литров водорода выделится при взаимодействии 2 гр гидроксида кальция с водой при н.у.? А) 44,8; Б) 11,3; В) 22,4; Г) 66,8; Д)5,6. 7. Определите металлы, которые будут выделяться при взаимодействии с раствором соли меди. А)А1, Zn,Fe; Б)А§, РЬ, Zn; B)Fe, Hg, Sn; F)Ag, Pb, Fe; Д)7п, Hg,Cu. 8. Какую из нижеследующих реакций нельзя осуществить? А)Си-ьНС1-э В)Ре-нС1з^ Д)Са-ьНр-э Б) Mg + HjSO, -> Г) CuO + Нз 9. Укажите ряд, где представлены только металлы. A)B,Zn,Al; Б) Be, В, С; B)Zn,Mg,Si; F)Ca,Sr,Po; Д)Ре,Си,Р. 10. Укажите вещество, которое вступает во взаимодействие с цинком и образует цинкаты. А)Нз80,; Б)НзО; B)NaOH; Г)Оз; Д)СОз. § 20. Щелочные металлы 67 § 20. в Щелочные металлы щ в чем причина усиления мета.’1лических свойств щелочных мета-члов при увеличении их атомной массы? Главную подгруппу I группы периодической системы составляют такие эле-мееты, как литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr. Литий Li, натрий Na, калий К, рубидий Rb, цезий Cs, франций Fr являются щелочныш металлами. Термин щелочной металл связан с разъедающим свойством гидроксидов этих мета.1лов. Строение атомов. На внешнем электронном слое щелочных металлов имеется по одному s-электрону и поэтому они входят в семейство s-элементов. Свойства щелочных металлов ТаблщаЮ Элемент Химический символ Относительная атомная масса Порядковый номер, заряд ядра Электронная конфигурация Температура плавления, ®C Плот- ность кг/м* Литий Li 6,939 3 [He]2s‘ 180,52 534 Натрий Na 22,989 |Ц ' [Ne]3s‘ ! 97,79 971 Калий К 39,102 19 (Ar]4s‘ 63,63 862 Рубидий Rb 85,47 37 [Kr]5s* 39,03 1532 Цезий Cs 132,905 55 pCe]6s‘ 28,36 1873 Франций Fr 223 87 [Rn]7s> 26,83 2480 В химических реакциях щелочные металлы легко отдают свои валентные электроны и превращаются в +1 заряженные ионы. Щелочные металлы являются сильными восстановителями и во всех соединениях демонстрируют степень окисления, равную +1. С увеличением заряда атомного ядра увеличивается число электронных слоев и радиус атома, сила притяжения внешних электронов к ядру и энергия ионизации уменьшается, активность металла растет. Франций не встречается в природе - это искусственный радиоактивный элемент и поэтому среди имеющихся металлов цезий является самым активным. 68 III глава. МЕТАЛЛЫ Биологическое значение щелочных металлов и их применение Среди щелочных металлов литий обладает стимулирующими, тератогенными и антидепрессантными свойствами. В клетках мускулов содержится 0,23-10"^% лития, в крови его содержание достигает 0,004 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 0,1-2 мг лития. Отравляющая доза - 92- 200 мг. Содержание лития составляет в организме человека (на 70 кг веса) в среднем 0,67 мг. Количество натрия в клетках мускулов составляет 0,26-0,78%, в костном мозгу 1%, в крови 1970л<г^. Ежедневно с пищей должно поступать 2-15 г этого элемента. Неядовит для организма. В организме человека (на 70 кг веса) в среднем составляег 100 г. Количество калия в клетках мускулов составляет 1,6%, в костном мозгу 0,21%, в крови 1620 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 1,4-3,4 г. Отравляющая доза составляет 6 г. В организме человека (на 70 кг веса) в среднем составляет 140 г. Для жизнедеятельности человека натрий и калий являются важнейшими элементами. Для жизненно важной биохимической деятельности (нормализация давления крови, стимулягщя работы сердечной мышцы) калий-натриевый обмен в клетках живых организмов (доставка раствора солей от корня к листьям, обеспечение интенсивности фотосинтеза) является необходимым процессом. Хлорид натрия NaCl, известный как поваран1ная соль, является необходимым веществом для живых организмов. Он широко применяется в медицине (физиологический раствор), пищевой, химической промышленности. Глауберова соль Na^SO^- ЮН^О применяется в медицине (слабительное средство) и химической промышленности. Чилийская селитра NaNOj применяется в больших количествах в сельском хозяйстве как удобрение. Обезвоженная сода Na^CO, и криста.тлическая сода Na^COj • ЮН^О применяются в производстве стекла, мьша, в получении натриевых соединений, для смягчения воды в паровых котлах, в производстве красок, бумаги, а также в быту. Для растений калий имеет большое значение. Нехватка калия приводит к снижению урожайности, качества сельскохозяйственной продукции. Такие соединения калия, как хлорид КС1, нитрат KNOj, сульфат K^SO^, карбонат K^COj (имеется в растительной золе) применяются в качестве удобрений. Рубидий обладает стимулируюпщми свойствами. В мышечной ткани он составляет 20-70-1(И%, в костном мозгу 0,1-5-10^/о, в крови 2,5 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 1,5-6 мг. Малотоксичен. В организме человека (на 70 кг веса) в среднем составляет 680 мг. Количество цезия в мышечной ткани составляет 0,07-1,6-10^/о, в костном мозгу 1,3-5,2-10^^, в крови 0,0038 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 0,004-0,03 мг элемента. Нетоксичен. Элементы ЗУН: Литий, натрий, калий, цезий, франций, щелочные металлы, строение атома, биологическое значение. 2L Сеойства иатвия и катя и их вaж^frr^fШlf смп)1/яе>тм м [9| Вопросы и задания 1- Какие элементы являются щелочными? 2. Почему цезий считается самым сильным восстановителем по сравнению с другими металлами? Объясните биологическую значимость калия для организма человека. 4. Объясните биологическую значимость натрия для организма человека. 21. J Свойства натрия и калия и их важнейшие соединения Какие соединения натрия и калия, используемые в быту, вы знаете? Применение] Медицина Процзеодснто тщера^льных удобрений Охладитель в атомных реакторах 70 III глава. МЕТАЛЛЫ К (-fl9) 2-8-8-1 Is22s22p<^3s23p*4s‘ Т.„ °С Тк,°С D, г/см^ E°,v Открыт 63,63 774 0,862 -2,92 Г. Деви, 1807 сильвинит KCl-NaCl, карналшп KCl-MgCl^'eHfi каинит KCl-MgSO^-SH^O ортоклаз К.Р’А1^0^-68Ю^ электролиз КС1 КС1 кн КО,+КА кон К,0 КНа! Применение Медгщина Изготовление черного пороха Производство минеральных удобрений Производство спичек Получение титана Охладитель в атомных реакторах Распространенность в природе. Натрий и калий широко распространены в природе, однако они находятся только в виде соединений и входят в состав горных пород и минералов. Хлорид натрия {поваренная соль) входит в состав озерной, морской и океанской воды, в отдельных случаях он встречается в виде каменной соли в подземных слоях толщиной до 100 м. Глауберова соль Na2SO^- ЮН^О^ и чилийская селитра NaNOj также натриевые соединения, которые широко распространены в природе. Калий входит в состав таких соединений, как сильвинит KQ • NaCl, карналит КС1 ■ MgCl^ ■ бН^О, а также входит в состав растений. В Узбекистане калийные соли добываются на рудниках Тубокат в Кашка-дарьинской области и Хожайкан Сурхандарьинской области. Каченная соль (хлорид натрия) добывается на рудниках Хожайкан, Тубокат, Барсакелмес, Бойбичакан, Окказа. В Кунграте из каченной соли, добываемой в Барсакелмесе, вырабатывается сода ^ 21. Свойства натрия и калия и их важнейшие соединения 71 Получение. В промышленности натрий и калий получают путем электролиза из их расплавленных солей. Например, расплав хлорида натрия диссоциирует на соответствующие ионы: NaCl = Na* + Cl ' При пропускании постоянного тока ионы натрия направляются к катоду и, принимая электрон, выделяются в свободном виде; ионы хлора притягиваются анодом и, отдавая электрон, вьщеляются в виде свободного хлористого газа. Na" + ё Na° CI - ё ^ СГ; С1 + С1 ^ С!^ Физические свойства. Калий и натрий - мягкие металлы серебристого цвета. Подобно типичным металлам натрий и калий обладают высокой электро-и теплопроводностью, металлическим блеском, пластичностью. Ионы натрия и калия окрашивают пламя в характерные цвета: натрий в желтый, калий в бледно-фиолетовый. Эти свойства применяются для определения соединений. Химические свойства. Также, как и все щелочные металлы, натрий и калий сильные восстановители. Они вступают во взаимодействие со всеми неметаллами. В соединениях проявляют степень окисления +1. При горении натрия и калия в присутствии кислорода они образуют пероксиды NBjOj и надпероксиды КО^ (или К^О^), а в качестве побочных продуктов образуются NBjO, К^О (чистые оксиды получают при нагревании пероксида с металлом): 2Na + О2 -> Na202 4Na + О2 ^ 2Нар Na-O-O-Na Na-O-Na На воздухе образуется оксидный слой. Поэтому они хранятся в керосине. При взаимодействии натрия и калия с другими неметаллами образуются солеобразные продукты: 2Na + CI2 —» 2NaCl хлорид натрия 6К + N2 —> 2K,N нитрид калия 2К —> 2КН гидрид калия При взаимодействии натрия и калия с серой образуется сульфиды состава. 2Na + S —> Na^S сульфид натрия 2Na + 2S —> Na^Sj дисульфид натрия 2К + 5S —» пентасульфид калия Соединения калия и натрия с неметаллами - твердые соединения с ионной связью. 22_ III глава. МЕТАЛЛЫ Натрий и калий бурно реагируют с водой: реакция может протекать с горением или взрывом. В результате образуется гидроксид натрия или калия и водород: 2Na -I- 1ЩО -> 2NaOH + Н2Т; 2К + 2Н2О 2КОН + НД Они также бурно реагируют с кислотами. При взаимодействии с НС1, НВг, HI, HjS, H^SO^ (разб.) и с другими выделяется водород и образуется соль; 2К + 2НС1 2КС1 + НД Важнейшие соединения. Имеется множество соединений калия и натрия, которые имеют большое практическое значение. Г и/фоксиды щелочных мета.члов. NaOH, КОН, LiOH, RbOH, CsOH. Хорошо растворимы в воде. Вступают во все реакции присуицие основаниям. Окрашивают лакмус в синий, а фенолфталеин в розовый цвет. Гидроксид натрия NaOH. Гидроксид натрия еще называют каустической содой. Чтобы получить NaOH в лабораторных условиях проводят реакцию взаимодействия металлического натрия, оксида натрия или пероксида с водой. 2Na + тр = 2NaOH + Н^; Na^O + Нр = 2NaOH; В промышленных условиях для получения NaOH проводят электролиз раствора поваренной соли. INaCl+2Нр 2МаОН + С1^ Л- в растворе на аноде на катоде Гидроксид калия в лабораторных условиях также получают при взаимодействии металлического калия и оксида калия с водой, а в промышленных условиях при электролизе раствора хлорида калия. Гидроксиды натрия и калия с практической точки зрения имеют большое значение и применяются в различных областях промьшшенности. NaOH t- Производство искусственных волокон Текстильная промышленность Производство бумаги Очистка нефтепродуктов Производство мила Органический синтез Получение других соединений натрия $ 2/. Свойства натрия и калия и их важнейшие соединения Л гидроксид калия применяется для получения различных солей калия, жидкого мыла, в изготовлении щелочных аккумуляторов. Перекись натрия (Na^O^), которая образуется при горении металлического натрия, обладает способностью поглощать углекислый газ. Именно это его свойство применяется в подводных лодках для поглощения углекислого газа. 2Na202 + 2СО2 2Ыа2СОз + Для получения перекиси водорода также используется перекись натрия. Для этого необходимо осуществить реакцию перекиси натрия с холодной серной кислотой Ыа^Оз + H^SO^ = Na^SO^ + Напитните необходимые реакции, чтобы осуществить следующие превращения и скажите свои мнения о генической связи между соединениями натрия. NaCl ^ NaOH ^ NaHCO, Na,SO, ^ NaNO, 2 4 3 Na Na^Oj Na2C03 Элементы ЗУН: Поваренная соль, каменная соль, сильвинит, глауберовая соль, карнапит, электролиз поваренной соли, перекиси, едкий натрий и едкий калий. ^ Вопросы и задания 1. Расскажите о физических и хатческих свойствах натрия и калия. 2. Сколько л водорода (при и.у.) можно получить при взаимодействии 46 гр натрия с водой? 3. Сколько металлического калия необходимо, чтобы приготовить 700гр 8% раствора КОН? 4. Можно ли получить натрий и калий путем электролиза соответствующих растворов солей? 5. Напишите формулы и названия важнейших со.чей натрия и калия. 6. Для каких целей используются соединения натрия и калия? 7. Определите массу 20% серной кислоты и гидроксида калия, которые необходимы для получения 34,8 кг сульфата калия. 8. Напишите уравнения реакций получения NaOH, используя Na, Nafi и поваренную соль. 9. Напишите уравнения реакщй взаимодействия NaOH с СО^, PjO^, Н^О^, CuClj. 74 Ш глава. МЕТАЛЛЫ § 22. Производство соды Что вы знаете о таких соединениях, как “безводная сода”, “кристаллическая сода”, “питьевая сода”, “каустическая сода”? В чем между ними разница? Сода Na^COj явл51ясь одним из важнейших соединений натрия, имеет важное практическое значение для народного хозяйства. Многие отрасли народного хозяйства используют соду в качестве сырья, в частности, она является основной составной частью шихты в производстве стекла, применяется в изготовлении бумаги из целлюлозы, в текстильной промьшшенности, в получении мыла путем нейтрализации жирных кислот, входящих в состав жиров и масел, а также синтетических жирных кислот, для облегчения 6>TX)Bbix работ при добьие нефти, в производстве моющих средств из нафтеновых кислот, получаемых при гюреработке не(^и, для синтеза других солей натрия. Сода мало распространена в природе и эти запасы не могут удовлетворять потребности промышленности. Поэтому большое значение имеет синтез соды из дешевого сырья. В этом направлении первой технологической схемой, предложенной в XVIII веке французским врачом Лебланом, бьш сульфатный способ, сущность которого заключается в том, что поваренная соль, взаимодействуя с серной кислотой, переходит в сульфат натрия. Na^SO^ при нагревании с углем переходит в сульфид натрия, который при нагревании с порошкообразным известняком, образует соду; NaCI-»Na,SO,->Na,S^Na,CO, 2 4 2 2 3 1) 2NaCl + H^SO^ ^ Na^SO^ -»- 2HClT 2) Na^SO^ + 2C Na^S 2C02t 3) Na^S -I- СаСОз -> Na^COj CaS Чтобы отделить соду, которая образовалась при нагревании с известняком, твердую массу размельчают в специальных мельницах и растворяют в воде. CaS плохо растворяется в воде, раствор отделяется, упаривается, в результате чего сода кристаллизуется. Из-за дороговизны эта схема бьша заменена на другой, более экономичным “аммиачным” способом. “Аммиачный способ”, предложенный Сольвэ, заключаются в насыщении концентрированного раствора поваренной соли аммиаком, образующимся при обработке хлорида аммония гашеной известью, затем (под давлением) обрабатывается углекислым газом и насыщенным раствором поваренной соли. Раствор охлаждается, и при этом плохо растворимый гидрокарбонат натрия выпадает в осадок, который при нагревании образует соду: ^ 23. Кальций и магний 75 1) 2NH^C1 + Са(ОН)2 ^ 2NH^ + CaCl^ + ЩО 2) NH3 + СОз + Ир NH^HC03 3) NH^HC03 + NaCl КаНСОз + NH^Cl 4) 2НаНСОз -> Ка^СОз + СО^ + Н^О Сода в виде Na^COj- ЮН^О является кристаллогидратом и используется как “моющее средство”. При высокотемпературном нагревании она переходит в кальцинированную (обезвоженную) соду - Na^COj (железная сода). NaHC03 называется пищевой содой и в различных целях используется в быту. Элементы ЗУН: безводная сода, кристаллическая сода, питьевая сода, способ Леблана, аммиачный способ. Вопросы и задания /. Назовите отрасли, где применяется сода, 2. Почему аммиачный способ (Со.зьеэ) экономичнее, чем сульфатный (Леб.чана)? Объясните свою мысль. 3. Какой способ вы можете предложить для получения соды? 4. Рассчитайте расход всех веществ, которые используются для получения 15 кг калыщнированной соды аммиачным способом. 5. Какое количество 96% го раствора серной кис-зоты (d = 1,84 г/мл) необходимо для получения 15 кг бытовой соды? Кальций и магний Какие соединения кальция, производимые в Узбекистане, вы знаете? В какиХуОб.ластях они применяются? Расноложсиие элементов в периодической системе элементов. Магний (Mg) и кальций (Са) являются элементами главной подгруппы II группы и входят в группу щелочно-земельных металлов. • Элементы г.завной подгруппы II груты являются щелочно-земельными. • Тер.мин *ицелочно-земе.1ьный ” связан с разъедающими свойствами гидроксидов и с тем, что раньше трудиорастворимые оксиды назывались земли. J Строение атома. На внешнем электронном уровне магния и кальция имеется два s-электрона и поэтому эти элементы входят в семейство s-элементов. ж III глава. МЕТАЛЛЫ Свойства магаия и кальция Таблица 11 Элемент Химиче- ский символ OxHOCHTfclb-иая атомная масса Порядковый номер, заряд ядра Электронная конфи-г}'рация Температура плавления, °С Плот- ность, кг/м^ Мапшй Mg 24,305 12 [Ne]3s^ 648,8 1738 Кальций Са 40,08 20 [Ar]4s^ 838,8 1550 В химических реакциях эти металлы как восстановители отдают два электрона, превращаясь в 2* заряженный ион. Во всех соединениях проявляет степень окисления +2. Са (н-20) 2-8-S-2 1822822р"3823рМ82 т„.°с Тк,°С D, г/сьд Е°, V Открыт 838,8 1480 1,55 -2,82 Г. Деви, 1808 Извесптяк, мел, мрамор СаСО^ Гипс, алебастр CaSO^- пН/) Апатит Са/POJ ^ Фторапатит (m/POJjF CaCl Применение Цветная металчургия Строительство Сшикатная промыгиленность Медицина Распространенность в природе. Кальций и магний считаются одними из самых распространенных элементов в природе. В коре земного шара магний составляет 3,35%, кальций - 3,5%. Многие минералы, такие как магнезит MgCO^ кальцит СаСО^ доломит CaCOyMgCO^ гипс CaSO^ горькая соль MgSO^-7Hfi, § 23. Кальций и магний 77 силикаты - гтлт 3Mg0-4Si0, H,0, асбест 3MgO HJO-4SiO, являются природными источниками этих элементов. В Узбекистане около 20 мраморных карьеров, которые находятся в Казга-не, Нурате, Зирбанде. Запасы фосфоритов и.неются на рудниках Карагата, Центральных Кызылкумов и на рудниках Северного Джетитау. Получение. В промышленности кальций и магний получают путем электролиза расплавов солей. Свойства. Магний и кальций легкие металлы серебристо-белого цвета. На воэ^цухе они быстро окисляются, образуя пленку, которая защищает металл. Кальций более активный металл, чем магний, и он хранится в керосине, так как его щелочные свойства выражены сильнее. Mg (+12) 2-8-2 Тп, °с Тк, °с D, г/см^ Е°, V Открыт 650 1090 1.74 -2,36 Дж. Влэк, 1755 Магнезит MgCU^ Горькая соль MgSO/7H/) Карналит KCiMgCl^-бНр Олевин Mg^iO^ Кизерит MgSO^-7H/) MgH, MgO«CaO Mg(N03), MgO Mg MgO Mg(OH>2 Mg3N, MgCI, MgHalj, MgS Применение\ MgSO, Иятерметаллические соединения Ракетная техника Силикатная промышленность Текстильная промышленность Получение квасцов п 78 Ш глава. МЕТАЛЛЫ Металлические свойства кальция и магаия выражены слабее, чем у щелочных металлов, потому что на внешнем электронном слое у атомов этих металлов на один электрон больше, чем у щелочных. Магний горит ярким белым пламенем, взаимодействует с галогенами, азотом, он также горит в атмосфере двуокиси углерода и водяных паров. 2Mg + О2 2MgO 3Mg + N2 Mg3N2 Mg + ВГ2 MgBf2 2Mg + CO2 ^ 2MgO + C Mg + H2O -Э MgO + H2 Кальций при нормальных условиях легко взаимодействует с кислородом воздуха, галогенами: 2Са + ©2 —> 2СаО оксид кальция Са -f СЦ —» CaCl2 хлорид кальция При нагревании взаимодействует с азотом, фосфором, серой, углеродом и водородом: ЗСа -ь N2 СВзЫ2 нитрид кальция ЗСа -h 2Р —> фосфид кальция Са S CaS сульфид кальция Са -ь 2С —> СаС2 карбид кальция Са -ь П2 СаН2 гидрид кальция Также, как и щелочные металлы, кальций бурно реагирует с кислотами: Са 2НС1 CaCl2 + Реагируя с водой при нормальньк условиях, он образует гидроксид кальция: Са + Шр ^ Са(ОН>2 H2t Применшне. Кальций, магний и их соединения используются во многих отраслях народного хозяйства. Металлический магний и кальций применяются в изготовлении легких и твердых сплавов. Магний широко используется в осветительных ракетах, маяках, фотографии. Кальций и магний составляют основу таких строительных материалов, как асбест, алебастр, гипс, известь, мрамор, простой и силикатный кирпич, цемент. Соли магния и кальция широко применяются в медицине. Это магнезит, жженая магнезия, хлорид кальция, глюконат каль- § 23. Кальций и магний 79 ция, тальк. Соединения кальция, такие как известь, широко используются в производстве стекла, стали, чугуна; карбонат кальция и гашеная известь - для уменьшения кислотности почвы, а также в производстве резины, зубных паст (карбонат кальция), оптических приборов (исландский шпат), и в борьбе с сельскохозяйственными вредителями. Прозратаый раствор гидроксида кальция называется известковой водой, а белый водный раствор - известковым молоком. Гашеная известь широко применяется в строительстве. Известковое молоко используются для очистки сока сахарной свеклы в производстве сахара. Биологическое значение. С биологической точки зрения кальций и магний являются важными элементами: Известно, что жизнь на нашей планете возникла благодаря кислороду, а его историком являются растения. Кроме того, растения занимают важное место в цепи питания. Они под воздействием солнечных лучей превращают углекислый газ, имеющийся в воздухе, в органические молекулы, являющиеся запасными питательными веществами. В клетках растений этот процесс в качестве центрального атома осуществляют магний содержащие комплексы хлорофилла. Соединения кальция в живой природе составляют основу опорно-двигательной системы животных и обладают защитными функциями. Дисбаланс кальция в организме приводит к аллергическим заболеваниям, а также к заболеваниям костной ткани. Свертываемость крови, активность некоторых ферментов также напрямую связаны с кальцием. В мышечной ткани содержание магния достигает 0,09%, в костном мозгу 0,07-0,10%, в крови 37,8 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 250-380 мг магния. Содержание кальция в мьшиечной ткани достигает 0,14-0,7%, в костном мозгу 17%, в крови 60,5 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 0,6-1,4 г кальция. В организме человека (в пересчете на 70 кг) в среднем около 1 кг кальция. Соединение “Аскальций”, разработанное профессором И.Р.Аскаровым и разрешенное Министерством здравохранения Республики Узбекистан, имеет в своем составе кальций и магний, а также свыше 20 микроэлементов. Соединение “Аскальций” усиливая имм)шитет организма, применяется при лечении заболеваний опорно-двигательной системы, крови, астмой, полиомиелитом. 80 III глава. МЕТАЛЛЫ В составе хлорофила, с помощью которого осуществляется фотосинтез в растениях, имеется 3% магния. Нехватка солей магния приводит к обесцвечиванию зелёных листьев растений, нарущению фотосинтеза, резкому снижению урожайности. Соединения: оксид кальция СаО. Окись кальция - одно из щироко применяемых соединений, его называют гашеной известью. В промышленности окись кальция получают путем обжига известняка в цехах “варки извести”. СаСО. ■^СаО+СО^ t . Оксид кальция (негашеная известь) белое твердое вещество, которое в большом количестве встречается на строительных площадках. При длительном хранении на воздухе взаимодействуете COj и водяными парами воздуха, теряя свои свойства. СаО + COj = СаСОз СаО бурно реагирует с водой. Реакция протекает в вьщелением тепла. СаО -f Н3О = Са(ОН)з + Q Гидроксид К'альция Ca(OH)j. Окись кальция в основном применяется для получения гидроксида кальция. Его также называют гашеной известью. Он представляет собой белое пористое вещество, плохо растворимое в воде (в 1 литре растворяется 1,56 гр Са(ОН)2). Гашеная известь вместе с водой, песком и цементом применяется в строительстве в качестве вяжущего вещества. Гидроксид кальция участвует во всех реакциях, которые характерны для оснований. Известковое молоко Изготовление вяжущих смесей в строительстве Изготовление хлорной извести —j В производстве сахара В производстве препаратов для борьбы с сельскохозяйственными вредителями Для получения известковой воды § 23. Капырлй и маг/шй 81 Известковое молоко - водная суспензия гашеной извести, молочнообразный мутный раствор. Известковая вода - фильтрат известкового молока, насыщенный раствор гашеной извести. Известковая вода является качественным реактивом для углекислого газа и растворимых в воде карбонатов. При пропускании углекислого газа через известковую воду происходит её мутнение. Са(ОН)2 + СО2 = СаСОз + Н^О При прекращении доступа СО^ раствор вновь становится прозрачным. При этом СО^, взаимодействуя с СаСХ)з, образует водорастворимую соль Са(НСОз)з. СаСОз + СО2 + Н^О ^ Са(НСОз)з Хлорная известь Са(00)з является окислителем и имеет большое народнохозяйственное значение. Она широко используется в текстильной и в целлюлозно-бумажной промышленности в качестве отбеливателя. Она также применяется как дезинфицирующее средство. Получается при взаимодействии гашеной извести и хлора. 2Са(ОН)з + 2С1з = Са(аО)з + СаС\ + 2Н3О Гипс. 1) Природный гипс - CaSO/2H20 2) Обожженный гипс - (Са§04)2-НзО 3) Безводный гипс - CaSO^ Обожженный гипс называется также алебастром. 2CaSO^ • IH^O- 150-!70“C ^{CaSO^\ Н^О+ЗН^О Алебастр широко применяется в строительстве, медицине. При растворении с водой образует быстротвердеющую массу. (CaS04)2-H20 + ЗН2О 2[CaS04-2H20] Элементы ЗУН: щелочно-земельные метал-ш, строение атома, известняк, мел, мрамор, доломит, гипс, горькая соль, гашеная известь, негашеная известь, биологическое значение. 6 - Химия, 9-класс. 82 Ш глава. МЕТАЛЛЫ Втросы и задания 1. Расскажите об основных физических свойствах кальция и магния. 2. В виде каких соединений кальций и магний встречается в природе? 3. Как в промышленности получают кальций? 4. Напишите уравнения, характеризующие химические свойства магния и кальция. 5. Почему в природе нет оксида кальция? 6. Сколько необходит взять негашеной извести, если в ее составе имеется 90 % оксида кальция, чтобы получить 2 т 20% известкого мо.зока? 7. Расскажите о биологической значимости кальция и магния, S. Как можно воздействовать на кислотность почвы? 9. Составьте таблицу применения кальция и магния в народном хозяйстве. 10. Напишите реферат о значении магния и кальция для человека Жесткость воды и способы её устранения ; Чем отличаются друг от друга “мягкая” и “жесткая” вода? Известно, что 2/3 поверхности нашей планеты покрыто водой. Жизнь человека невозможно представить без воды. Вода, употребляемая в повседневной жизни, на производстве, должна обладать определенной степенью чистоты. В составе природной воды имеются хлориды магния и кальция, сульфаты, гидрокарбонаты и другие примеси. • Жесткая вода - вода, имеющая в своем составе большое количество ионов Ca*^uMg*^ • Мягкая вода - вода, которая в своем составе не имеет ионов Са*^ и Mg*^ или имеет в небольшом количестве Жесткая вода для технических целей не пригодна. При использовании жесткой воды стенки паровых котлов отопительной системы покрываются накипью, состоящей из карбонатов кальция и магния и других солей. Накипь затрудняет процесс обогрева, увеличивает расход топлива, является причиной выхода из строя котлов. В жесткой воде мыло плохо пенится, потому что ионы кальция и магния, соединяясь с мылом, образуют в воде нераствор!шые соединения. В жесткой воде плохо проваривается мясо, овощи, зерновые, нельзя приготовить качественный чай. Различают временную (карбонатную), постоянную, кальциевую, магниевую и общую жесткость воды. § 24. Жесткость воды и способы её устранения 83 Временная жесткость связана с наличием в воде гидрокарбонатов магния и кальция [Ca(HCOj)^ Mg(HCOj)J Постоянная жесткость связана с наличием в воде сульфатов и хлоридов магния и кальция [CaSO^ CaClj, MgSO^ MgClJ Кальциевая жесткость связана с наличием в воде солей кальция Магниевая жесткость связана с наличием в воде солей магния Общая жесткость обусловливается суммой солей кальция и магния Для снижения жесткости воды или ее ликвидации применяют дистилляцию (перегонка воды), а также химические способы. Химические способы основаны на превращении ионов кальция и магния в нерастворимые соединения, которые затем выводятся из воды. Для э^гого: 1. Временную жесткость можно устранить путем кипячения. СаСНСОз)^ Mg(HC03>3 СаСОз>1 + up +СОзТ ->MgC03i+H,0+C0,t Чтобы заварить чай необходимо вскипятить воду. Обратите внимание на дно посуды, где постоянно кипит вода. Вы увидите камнеобразную нерастворимую накипь - это соли СаСОз и MgCOj. 2. Жесткость можно устранить добавлением известковой воды. Са(НСОз>2 + Са(ОН>2 -> 2СаСОз1 + 2Up М§(НСОз>2 + Са(ОН)з -э СаСОз М§СОз1 + 2НзО 3. Воздействием щелочи. Са(НСОз>2 + 2NaOH -> СаСОзХ + Na,C03 + 2Up М§(НСОз)з + 2NaOH MgC03>l + Ка^СОз + 2Нр 4. Добавляя соду, ионы Mg^* и Са^^ выпадают в осадок. СаСНСОз)^ + На^СОз -> СаСОзХ + 2НаНСОз Mg(HC03)2 + На^СОз MgC03i + 2КаНСбз При этом ионы кальция и натрия выводятся из раствора в виде нерастворимых карбонатов. Постоянную жесткость нельзя устранить путем кипячения. Она устраняется при добавлении соды или фосфата натрия: CaSO, + Na3C03 -> CaCOji + Na^SO, 3MgSO, + 2НазЮ, -> Mg3(TO,)3i + ЗНа^ЗО, 84 III глава. МЕТАЛЛЫ В производстве для смягчения воды применяется ионообменный способ. /Г. Катиониты - твердые, нерастворимые в воде вещества, содержащие в своем составе катионы, способные обмениваться на катионы внешней среды (Са*\ а также подвижные катионы (No*). Аниониты-твердые, нерастворимые в воде вещества, содержащие в свое.» составе анионы, способные обмениваться на анионы внешней среды (SO'\ С1~), а также подвижные анионы. Ионы Са*^, Mg^^, имеющиеся в составе воды, проходя через катионитную колонку, обмениваются на ионы Na^ и оседают в колоргке, а ионы натрия переходят в воду: Na^R + Са*2 ^ 2Na* -ь CaR R в катионитах - органический радикал сложного строения. Если катионы способствуют очищению воды от ионов магния и кальция, то аниониты выводят анионы. Элементы ЗУН: “Жесткая вода”, “Мягкая вода”, временная жесткость, постоянная жесткость, устранение жесткости, иониты, катиониты, аниониты. ш Вопросы и задания 1^ В чем разница между временной и постоянной жесткостью? 2, Какова степень жесткости морской, океанской и дождевой воды? 3, Как можно ликвидировать жесткость воды, обусловленную гидрокарбонатом магния и сульфатом кальция? Алюминий Насколько активен металл, настолько он быстро окистяется. Алюминий акт ивнее железа, однакч) почему он устойчив к воздействию окружающей среды? Расположение элементов в периодической системе. В периодической системе алюминий расположен под номером 13 в главной подгруппе III группы. Химический символ - А1. Относительная атомная масса равна 26,9815. Алюминий входит в семейство р-элементов. Строение атома. Алюминий на внешнем электронном уровне имеет три электрона. А1 13 -ь13 • -13 Is^ 2s2 2р« 3s^ Зр‘ за'’ л ? Зр‘ , 3d® тп ....[тГ-iJ—1— ^ 25. Алюминий 31 В химических реакциях алюминий, отдавая три электрона, превращается в 3* заряженный ион. Во всех устойчивых соединениях он демонстрирует степень окисления, равную +3. Распространенность в природе. Алюминий - один из самых широко распрост-ранедных элементов в природе, его массовая доля в земной коре составляет 7,45%. В свободном виде он не встречается. Известно свыше250 минералов, в состав которых входит алюминий. Основная часть алюминия встречается в виде алюмосиликатов. А1 (+13) 2-8-3 Is22s22p‘-3s^3p* Т„. X т., °с D, г/см^ Е°, V Открыт 660 2500 2,7 -1.66 Х.К.Эосгед, 1825 Alfi, AICL Кар/шн Alfi^-2Si02-2Hfi Корунд Alfij Боксит Alfi^ nHjO Ортоклаз Kfi-Al^O^-dSiO^ Нефелин Nap-Al20y2Si0^ А1 —i АШз Na[Al(OH)J А1,Оз А1(ОН)з А1,8з AlHalj, A1N А1з(80Д Изготовление легких сплавов В электротехнике В быту В алюминотермии Для покрытия поверхности стали и чугуна Алюмосиликаты - это соли, в состав анионов которых входит алюминий] и кремний, а в состав катионов - щелочные и щелочно-земельные металлы. 86 III глава. МЕТАЛЛЫ К алюмосиликатам относятся полевые шпаты Kfi Al,Oj-6SiO^ или К(AlSifi^, слюды 6SiO^ или KAlJAlSijOjJ (OH)^. b результате разложения алюмосиликатов образуются глины, например белая глина - каолин, состоит из Alfi^ ■ ISiO^ 2Нр. Обычно глины содержат пртмеси. В состав корунда алюминий входит в виде AI2O3. Горные породы бокситы - Al^Oj-nH^O также содержат алюминий. В качестве побочных элементов в их составе имеются железо, марганец, окиц кремния. Для получения алюминия используют оксид алюминия, бокситы, нефелины (Ыа,К)20 А1з0з-8Юз или (К, Na)[AlSiOJ. В составе мышечной ткани содержание алюминия составляет 0,07-2,8 • 10Л4, в костном мозту 4-24 • 10"*%, в крови - 0,39 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступать 2,45 мг алюминия. В организме человека (в пересчете на 70 кг) содержание алюминия в среднем доходит до 61 мг. Получение. Чистый алюминий получают электротермическим способом. При этом в расплавленном криолите (NajAlF^) электролитом является растворенный алюминий. В этот расплав добавляется небольшое количество фторида кальция. Такой электролит хорошо пропускает электрический ток. Электролиз протекает при температуре 950°С. Через расплав пропускается постоянный ток силой до 80000 ампер и напряжением 5-8 Вольт. При этом на катоде вьщеляется алюминий, а на аноде кислород, который начинает взаимодействовать с углеродом, из которого изготовлен анод. А\*^ + Зе-> А1« 20-2-4е -> 0\; 0^ + С-^ СО^ Электролизер, применяемый в промышленности, изготавливается из стали, изнутри покрыт углем, через стальные стфжни подключен к отрицательному полюсу и вьшолняет роль катода. Опускаемые сверху в расплав толстые угольные пластинки выполняют роль анода. Со временем анод разрушается и поэтому он периодически опускается. Электролизер работает непрерывно. Оксид алюминия также непрерывно подается в электролизер. Через каждые 2-3 суток накопившийся алюминий с помощью вакуума отса-сьшается. Полученный алюминий загрязнен железом, кремнием, газообразными и другими примесями неметаллического происхождения; на следующей стадии он очищается повторным расплавлением и электролизом. При получении алюминия электролизом из расплава криолита (NajAlF^) в качестве побочного продукта вьщеляется фтор и его соединения. Это загрязняет атмосферу вредными фтористыми соединениями. Рис. 10. Электролизф, применимый в промышленности для получения алюшшия. § 25. Алюминий 87 Производство алюминия требует большого расхода электроэнергии; для получения 1 тонны алюминия расходуется 20000 кВт/ч энергии. Физические свойства. Алюминий - твердый металл серебристо-белого цвета. Алюминий хорошо раскатывается и вытягивается в проволоку, хороший проводник тепла и электричества. Температура его плавления равна 660,5°С, плотность 2698 кг/м^, число изотопов - 11 (22—>31). Химические свойства. При обычной температуре на воздухе алюминий не изменяется, так как он быстро окисляется и покрывается тонкой прочной оксидной пленкой, которая защищает от воды и других факторов: 4А1 + 30^ ^ 2AI2O3 Если удалить оксидную пленку, то алюминий легко реагирует с водой и при этом вьщеляется водород: 2А1 + бнр -> 2А1(ОН)з + ЗН^Т При нагревании алюминий легко реагирует с соляной и разбавленной серной кислотой, вытесняя водород. 2А1 + 6НС1 ^ 2AICI3 + ЗН^Т 2А1 + ЗН^ЗО^ ^ А12(80,)з + ЗНД Алюминий при комнатной температуре не реагирует с концентрированной азотной кислотой. Поэтому концентрированная азотная кислота обычно хранится в алюминиевой посуде. Алюминий легко взаимодействует с растворами щелочей с вьщелением водорода: 2А1 + 2NaOH + бН^О ^ 2Na[Al(OH)J + ЗИД При нагревании алюминий взаимодействует с галогенами, фосфором, серой, азотом, углеродом. 2А1 + N3 ^ 2A1N нитрид алюминия А1 + Р —> А1Р фосфид алюминия 2А1 + 3S —> AI3S3 сульфид алюминия 4 А1 + ЗС —> Al^CT, карбид алюминия 2А1 + ЗС1з —> 2/UCI3 хлорид алюминия Алюминий также реагирует со многими оксидами металлов. Если смешать алюминий и оксиды железа (II, III) и поднести раскаленную проволоку, то произойдет бурная реакция: ш. Ill глава. МЕТАЛЛЫ Рис. 11. Сварка железа. 8А1 + 3Fe,0^ 3 4 4AI2O3 + 9Fe + 3300 кДж В результате этой экзотермической реакции смесь нагревается до 3500°С. Продукты реакции оксид алюминия и железо находятся в жидком состоянии. Эта смесь называется термитом, и иногда ее применяют для сварки металлов. Алюминотермия - получение металла путем восстановления оксидов металла с помощью алюминия Алюминотермия была впервые предложена русским ученым Н.Н.Бекетовым. В металлургической промышленности алюминотермия применяется для получения хрома, марганца, циркония, титана из их оксидов. Применение. Ввиду своей легкости и легкости своих сплавов и сравнительной коррозионной стойкости алюминий получил широкое применение в народном хозяйстве. Например, дюралюминий (95% А1,4% Си, 0,5% Mg, 0,5% Мп) как и сталь прочный, но в три раза легче нее. Сплавы алюминия применяются в ракетостроении, авиации, кораблестроении, в создании железнодорожного транспорта, в строительстве и приборостроении. Из алюминия создаются линзы для телескопов, электрические провода, термитная смесь, осветительные ракеты, бытовая посуда. С помощью алюминия получают многие металлы и неметаллы. Из алюминиевого порошка изготавливается металлическая краска, которая предохраняет железо и железные изделия от коррозии. Из алюминия также изготавливается фольга, которая применяется для упаковки пищевых продуктов. В электротехнике применяется для изготовления конденсаторов. Соединения алюминия также применяются во многих отраслях. Оксид алюминия, распространенный в природе в виде корунда, применяется для различных целей: для технических целей из него производят наждак и точильные бруски; из прозрачных драгоценных кристаллов - красного рубина и сапфира - ювелирные изделия. Из рубинов изготавливаются подшипники, лазеры. Каолин используется для производства алюминия. Безводный хлорид алюминия применяется в качестве катализатора, а сульфат алюминия - в производстве бумаги, клея; алюминиевые квасцы КА1(80Д • - для окрашивания хлопчатобумажных тканей, в медицине. Элементы ЗУН: Алюминий, строение стома, распространенность в природе, получение алюминия электротермическим путем, физические свойства, алюшно-термия. S 25. Алюминий м Ш Вопросы и задания /. Какие природные соединения алюминия вы знаете? Что является электролитом в производстве алюминия? Сколько нужно алюминия для восстановления 39 г оксида хрома (Ш)? Расскажите, в каких отраслях применяется алюминий. Определите % состав сплава, если при взаимодействии 10 г сплава алюминия и меди с избытком соляной кислопил выделяется 6,72л (при н.у.) водорода. В 1827 году немецкий ученый Ф. Вёлер получил алюминий следующим способом: AlClj + ЗК -э ЗКС1 + А1. Чтобы получить таким путем 5,4 кг алюминия, сколько необходимо взять калия? Напишите уравнетя реакций, чтобы осуществить следующие превращения. А1 -э Aip, -Э АЩ -> АКОН)^ AI(NO)^ Тесты по теме: Щелочные, щелочно-земельные металлы и алюминий 1. В каком нижеследующем ряду приведены только щелочные металлы? А) К, Na, Rb; Б) К, Na, Са; В) Li, Fe, Са; Г) Fr, Cs, Au; Д) Ag, Си, Au. 2. В какой нижеприведенной реакции образ>ется кислород? А) Nap + Н^О -> Б) Na^Oj + Нр В) Napj + HjSO, -> Г) Na,Oj + COj Д) Во всех реакциях -э 3. Какой из металлов самый распространенный на земле? А) Fe; Б) Си; В) Са; Г) Mg; Д) А1. 4. Какое из нижеприведенных соединений яьляется гашеной известью? А) Са(ОН)^; Б) СаСО,; В) СаО; D СаСНСО,)^; Д) MgCO,. 5. Укажите металл, который при комнатной температуре реагирует с азотом. А)Са; Б)А1; В) Mg; Г) Fe; Д) Li. 6. Если производительность реакции составляет 90 %, то при электролизе 5,1 гр AJp, сколько гр алюминия можно получить? А) 2,43; Б) 2,7; В) 5,4; Г) 1,35; Д) 0,51. 7. Определите степень окисления алюминия к его массовую долю (в %) в соли КАЮ^. А) +2, 27 %; Б) +3, 27,55 %; В) +4, 32 %; Г) +1, 39 %; Д) +5, 25,77 %. 8. Каким веществом можно воспользоваться в 3* этапах для осуществления следующих превращений: CaClj -э Ca(OH)j -э CaCOj -> Ca^COj)^ -» CaCOj -> CaCl^? А)Са(ОН)з; Б) НрОз; В) Н,; D СаСЦ; Д) H^O^. 90 HI глава. МЕТАЛЛЫ 9. Какая соль составляет основную неорганическую часть человеческой кости? А)СаС1,; Б) Ca(NO,V, В) СаСО,; П CaS; Д) Са,(РО,)^. 10. Сколько Гр углерода вытеснит 2,4 гр тлеющий магний из углекислого газа? А) 0.4; Б) 0,6; В) 0,8; Г) U Д) 1,2. Как вы объясните то, что кровь имеет красный цвет и является основным транспортным средством? Разме1цсние в периодической системе. Железо находится в побочной подгруппе восьмой группы периодической системы, порядковой номер 26, химический символ Fe. Относительная атомная масса равна 55,847 г. Входит в семейство d элементов. Строение атома. Электронная конфигурация атома Fe. В химических реакциях атом железа отдает два электрона с внешнего 4s - уровня, превращаясь в +2 заряженный ион. Fe*^ - ион отдает еще один электрон с внешнего 3d - уровня и превращается в +3 заряжешшйион. Железо имеет степени окисления +2 и -ьЗ. Распространенность в природе. Железо - самый распространенный после алюминия металл на земном шаре. Если по некоторым данным железо составляет ядро земли, то оно считается самым распространенным металлом. Массовая доля железа в земной коре составляет 4,2%. Встречается железо в виде различных соединений. В породах небесного происхождения - метеоритах - железо всфечается в свободном состоянии. Основными минералами железа считаются: магнитный железняк Fe,0^, гематит - красный железняк FCjOj, лимонит - бурый железняк 2¥G.f).^ ■ ЗН2С), сидерит - железный шпат FeCOj, пирит - железный колчедан FeS^. Получение. Железо получается следующими способами: 1. Воздействуя на оксиды железа водородом или углекислым газом. FeO ч- ЕЦ = Fe -ь Fep^ + ЗСО = 2Fe + ЗСО^. § 26. Железо 91 2. Способом алюмотермии из оксидов железа; ЗРСзО^ + 8А1 = 9Fe + 4A\f>^ 3. Электролизом двухвалентных солей железа. Физические свойства. Чистое железо - металл серебристо-белого цвета, быстро окисляющийся на воздухе, достаточно мягкий, ковкий, обладаю1Ций сильными магнитными свойствами, хороший проводник т епла и электричества. Температура плавления 1534,83°С, плотность 7874 кг/м\ число изотопов 16 (49->63); ХиАшческие свойства. При нагревании на воздухе образуется смесь оксидов железа: ЗРе + 20^ Рсз04 или PeO Pe^Oj При нагревании железо взаимодействуете хлором, серой, углеродом, азотом: 92 Ш глава. МЕТАЛЛЫ 2Fe + Nj -» 2FeN нитрид железа (III) Fe + S —> FeS сульфид железа (II) 3Fe + С Fe^C карбид железа 2Fe + ЗС!^ —> 2FeCl3 трихлорид железа (III) Раскаленное железо взаимодействует с парами воды, в результате образуется железная окалина и водород, однако эта реакция считается обратимой: 3Fe + 4Нр = Во влажной среде и в воде железо коррозируется, ржавеет. Ржавчина-желто-бурое соединение, состоящее из гидрата окиси железа Fe(OH)j Пористый, легко пропускающий газ и водяной пар слой ржавчины, не может предохранять металл: 4Fe + бНр + 30^ 4Fe(OH)3 В ряду активности металлов железо расположено слева от водорода. Поэтому при взаимодействии с соляной и разбавленной серной кислотой вытесняет водород и образует соли, которые имеют степень окисления равную +2: Fe + 2НС1 -> FeCl^ + нД; Fe + H^SO^ ^ FeSO^ + НД. При обычной температуре железо вяло реагирует с концентрированными серной и азотной кислотами, т.к. на поверхности железа образуется нерастворимая в этих кислотах оксидная пленка. Поэтому концентрированные серную и азот ную кислоты можно хранить в железной посуде. Железо способно вытеснять из растворов солей металлы, стоящие за ним в ряду активности металлов: Соединения Fe + CuSO^ -> FeSO, + Cut 4 4 Fe соединения, имеющие степень окисления, равнуто +2: FeO, FelOH)^, FeQj смешанные соединения: {+2 и +3) FCjO^ [FeO, Fe^OJ магнетит соединения, имеющие степень окисления, равную -1-3: Fe^Oj, Fe(OH),, FeCl, При горении железа на воздухе образуется оксид FCjO.. Fe^O^ - смешанный оксид. § 26. Железо 93 Двухвалентные соединения железа образуются при взаимодействии железа и кислоты. Fe + 2На = FeCl^ + Из дихлорида железа можно получить двухвалентные гидроксиды и оксиды: FeCl^ + 2NaOH = Fe(OH>2 + 2NaCl Fe(OH>2 -> FeO + Ир Трехвалентные соединения железа образуются при взаимодействии концентрированной азотной и серной кислоты или хлора с раскаленным железом. 2Fe + ЗС1, = 2FeCl • 2Fe ч- 6H.SO, = FeJSOX + 3SO. + 6Н.О Из трехвалентных соединений железа можно полу^шть другие трехвалентные соединения железа. FeCl3 + 3NaOH ^ Fe(OH)3 + 3NaCl 2Fe(OH>3 ^ Fe^Oj + ЗНр Fe(OH)3 - осадок бурого цвета. Светло-зеленый Fe(OH)2 по прошесп'вию времени темнеет. 4Fe(OH>2 + 2Н2О + 02 = 4Fe(OH>3 Применение. Относительно других металлов, железо имеет большое значение для человека. Все отрасли современной техники тесно связаны с железом и его сплавами. На практике *шстое железо применяется мало, но его сплавы - чугун и сталь нашли широкое применшше. Био.югическое значение. С биологической точки зрения железо считается одним из важных элементов. В живой природе оно встречается в организмах растений, животных, входит в состав многих ферментов. Некоторые его соединения с белком имеют большое значение. Например, еще с курса биологии нам известно о роли крови в организме человека и животных и ее функции. Способность крови транспортировать кислород связана с эритроцитами. Основу этих эритроцитов составляют ионы железа и белок глобин. Одна молекула гемоглобина содержит четыре иона железа Fe"^^. Процесс, протекающий в растениях - превращение неорганического углерода в органическое соединение - фотосинтез - также протекает при участии железа. 94 /// глава. МЕТАЛЛЫ Недостаток железа в растениях приводит к такому заболеванию, как хлороз, а у человека- к анемии. Для предупреждения этого явления растениям необходимы удобрения, и.меющие в своем составе микроэлементы, а д ля человека - иметь постоянно в своем рационе железосодержащие продукты: яблоки, гранаты, айву, овснци, яйца, печень и.т.д. В составе мышечной ткани содержание железа составляет 0,018%, костном мозгу (0,03-3,8)-10 ^%, крови 447 мг/л. Ежедневно с пищей должно поступить 40-60 мг железа. Отравляющей дозой является 200 мг, смертельной 7-35 г. В организме человека железо составляет в среднем (в пересчете на 70 кг веса) 4,2 г. Наряду с неорганическими соединениями железа большое значение имеют его органические соединения. Так например, природное органическое соедшение железа, являющееся прототипом гемоглобина и получаемое искусственным путем ферротцен, считается для химии новой областью. На его основе получают свыше 100 химических соединений, которые на сегодняшний день имеют большое практическое значение. На основе соединений железа, ферротцена узбекские ученые А.Т.Максумов, И.Р.Аскаров, Ю.Т.Насридинов и их ученики синтезировали свыше 10 биологически активных препаратов, которые бьши рекомендованы при заболеваниях, связанных с нехваткой железа в организме человека. Элементы ЗУН: железо, строение атома, распространенность в природе, ржавчина, биологическое значение. Вопросы и задания f • Какие природные соединения железа вы знаете? ~ ■ К семейству каких элементов относится железо? Напишите уравнения реакций с участием железа в ионном виде. Знаете .чи вы физические свойства железа? Расскамсите о биологической роли железа в жизненных процессах. Почему железо в своих соединениях демонстрирует два вида степени окисления? 7- Напишите уравнения реакций, которые иллюстрируют следующие превращения: a) Ре -> Fe(OH)j -У FejOj -» Fe; b) Fe -» FeClj -» Fe(OH\ -> FeO Fe; d) Fe(OH)^ -» Fe/SO-J^ -> Fe(OH)^ Fe,0,; e) FeO -yFe-^ FeSO^ -y Fe(OH)^ Fe(NO)^ Сколько необходимо железного магнепшта, имеющего в своем составе 10% пршиесей, чтобы пачучить 7 тонн же.чеза? К. § 27. Металлургия в Узбекистане. Производство чугуна и стали 95 § 27. J Металлургия в Узбекистане. Производство чугуна и стали В чем разница между чугуном и сталью? Почему чугун хрупкий, а ста.1ь прочная? В Узбекистане металлургические заводы, в основном, находятся в Бекабаде, где вырабатывается продукция черной металлургии - сталь и чугун. • Чугун - сплав железа и углерода, где содержате углерода более 2,14%. • Сталь - сплав железа и углерода, где содержание углерода менее 2,14%. Выплавка чугуна. Чугун выплавляется в доменных печах из железных руд, состоящих, в основном, из оксидов железа. Доменные печи представляют собой башни высотой 27-31 м., выложенные огнеупорным кирпичом. С верхней части доменная печь загружается смесью железной руды, коксом, флюсами и песком. Через специальные отверстия - фурмы с нижней части домны вдувается горячий воздух с температурой 600-800"С. В большинстве случаев вместе с воздухом вдувается чистый кислород (кислородное дутье). Горение кокса обеспечивает высокую температуру в домне. Кислородное дутье ускоряет повышение температуры и плавление чугуна. В домне кокс является источником СО, который выполняет роль восстановителя и способствует поднятию температуры. В домне протекает следующий процесс: 1) Сгорание некоторой части кокса и образование СО^: С -4- О2 —> COj 2) Взаимодействие СО^ с коксом с образованием СО: СО2 + С 2СО 3) Восстановление железной руды до свободного железа в присутствии СО: ЗРе^Оз -ь СО 2РсзО^ + СО^ FCjO^ + СО —> ЗРеО -I- СО2 РеО + СО —> Ре •+• СО2 96 W глава. МЕТАЛЛЫ 4. Взаимодействие примесей руды с флюсом с образованием легкоплавятих и легких веществ - шлака: CaCOj —^ СаО + СО2 СаО + SiO^ CaSiOj В результате восстановления образующееся из руды пористое железо FeO взаимодействует с углеродом кокса, кремнием, марганцем, фосфором, серой и образуется жидкий чугун. Чугун и шлак стекают в нижнюю часть домны - горн. В горне образуется два слоя; верхний шлак, нижжй чугун. Слой шлака защищает чугун от окисленртя. Чугун и шлак периодически выпускаются из домны через особые отверстия. Доменная печь непрерывно эксплуатируется в течение 10 лет. Затем она ремонтируется. Производительность доменной печи равна 10000 тотш чугуна в сутки. В последнее время применяется газо-кислородное дутье доменной печи. Метан, входящий в состав природного газа, сгорает, образуя пары оксида углерода (IV) и воды, которые в свою очередь взаимодействуют с раскаленным коксом, образуя доменный газ - оксид углерода (П) и водород - обогащаясь при этом сильными восстановителями. СН^ + 20^ ^ СО2 + 2Н2О СО2 ч- С 2СО Н^О + С -» + СО Применение природного газа в этом процессе уменьшает расход кокса на 10- 20%. Свойства ч>туна. Выплавляемый чугун содержит 2-4,5% С и небольшое количество кремния, марганца, фосфора. Чугун тверже железа, но хрупкий и не ковкий. Чугун разделяется на литейный и передельный. Литейный чугун идет на изготовление различных изделий, а передельный - на производство стали. • Чугун, яв.1яясь сплавом железа и углерода, содержит в своем составе 2-4,5%углерода. Кроме того, в составе чугуна имеется до 1,5% Мп, 4,5% Si и в небольшом количестве S и Р. • В составе легированной стали имеются Сг, Ni, Si и Мп. § 27. Мета.члургия в Узбекистане. Производство чугуна и стали 97 Чугун выплавляют в доменных печах. Сырье-железнаяруда: Fefi^ FejO^ и кокс. Чугун - первичная продукция черной металлургии. Сталь выплавляется из чугуна. Литейный чугун серого цвета и содержит углерод в форме графита. Он идет на изготов.зение труб, решеток для мостов, деталей машин, химического оборудования. Легированный чугун белого цвета, содержит углерод в форме карбида железа. Он перерабатывается в сталь. J Производство стали. Процесс получения стали сводится к снижению содержания углерода, серы, фосфора, кремния и других пртмесей, имеюгцихся в составе чугуна. Снижение содержания углфода приводит к снижению прочности стали. Источником кислорода является воздух, а оксиды железа используются в виде специальных добавок, которые поступают с рудой или метатлол омс«м. Предварительно железо окисляется, затем FeO окиатяет кремний, марганец, фосфор и yi лерод: 2Fe + О2 -> 5Fe + Р О5 + Q 2Fe + S1O: -I- Q 2FeO + Q 5FeO + 2P 2FeO + Si ^ FeO + Mn —> Fe Ч- MnO + Q FeO -1- C Fe -I- CO + Q Из передельного чугуна сталь выплавляется в кислородном конверторе, мартеновской али электрической пе™. На Бекабадском металлургическом заводе сталь выплавляется мартеновским способом. Свойства стали. По химическому составу сталь подразделяется на углеродную и легированную. Для изготовления легированной стали и придания тех или иных специальных свойств в сослав стали вводят различные добавки: хром, никель, титан, молибден, ванадий, вольфрам. Все виды стали обладают прочностью и пластичностью. Сталь можно ковать, прокатывать, волочить, штамповать, вытягивать в проволоку. В зависимости от 7 - Химня, 9-класс. 98 III глава. МЕТАЛЛЫ отрасли применения сталь подразделяется на конструкционную, приборную и специальную. /Г Сталь - это сплав железа, содержащий до 2% углерода. Углеродистая спинь содержит в своем составе до 2% С, 0,1-1% Мп, 0,4% Si,SuP. Легированная сталь - сталь, обладающая особыми свойствами (механически прочная, коррозионно устойчивая, обладающая магнитныни и э-зект-ропроводящани свойствами) и амеющая в свое.» составе такие добавки как Сг, Ni, Мо, А1 и др. Сталь вьтлавляется в мартеновских печах в кислородных конверторах, Материаюм для мартеновских печей является чугун, стачь и отходы чугунных изделий. Изменение свойств стази закатвание.н, прокатванием, цементирование.м, азотированием, кованием были известны ремесленникам издавна Конструкционная сталь обладает высокой степенью прочности и пластичности, поэтому она применяется при изготов.чении детазей машин, различных конструкций и строительстве высотных зданий. Приборная сталь обладает высокой степенью прочности, твердости и устойчива к стиранию. Она идет на изготов.зение режущих и точизьных приборов, штампов. В отдельную группу объединены скоростные режущие стали, которые да.нсе при высокой температуре (600-700°С) сохраняют режущие способности. Отдельную группу состав.зяют специазьные стали (нержавеющие, жаропрочные, магнитные), которые устойчивы к коррозии в условиях высокой температуры, вла.жности, кисзотной среды и др., и праменяются для изготовления газовых турбин, реактивных двигателей, ракетных магнитных устшювок. — ------------------------------------ ------------- Ох(шна окружающей среды при производстве чугуна и стали. Производство чугуна и переработка его в сталь представляют собой сложный процесс, приводящий к загрязнению окружающей среды пылью, копотью, газами, шлаками, сточными водами. Поэтому внедряются новые технологии в производство железа и стали непосредственно из руды производства железа и стали непосред- § 27. Металлургия в Узбекистане. Производство чугуна и ста.т 99 ственно из руды. В этом процессе восстановитель - кокс не применяегся, а применяется водород и природный газ. Пористое железо, получаемое из руды, очень чистое (не содержит углерод и другие примеси) и широко применяется для получения стали и порошкообразной стали в мартеновских и электрических печах. Получение железа из руды без применения кокса является одним из примеров применения безотходной технологии в черной металлургии. При этом ощутима экономия воды, уменьшение количества сточных вод, твердых и газообразных выбросов в атмосферу. Элементы ЗУН: Металлургия, чугун, спить, доменная печь, мартеновская печь, конструкщюнная, приборная, специальная сталь. ш Вопросы и чадания 1. Напишите уравнения реакций, протекающие в домне. 2. Что такое флюсы и какова их задача? 3. Какие типы чугуна вы знаете. Приведите примеры из жизни. 4. Какие стальные предметы вы знаете? б Упражнения для самостоятельной подготовки 1. На основе таблицы, приведе1шой ниже, напишите уравнения реакций: Таблица 12 Na К Са Mg А1 Fe О 1 2 3 4 5 6 Н,0 7 8 9 10 11 12 на 13 14 15 16 17 18 H,SO, 19 20 21 22 23 24 ZnO, (растворы) 25 26 27 28 29 30 СЦ 31 32 33 34 35 36 а) сравните реакции 2 и 6, определите сходство и отличие, объясните причину; б) объясните условия протекания реакции 7 и 11; в) в реакциях 18 и 36 по разному проявляются восстановительные свойства железа, почему? г) выскажите свое мнение по поводу реакций 28 и 30. д) что происходит, если в реакциях 22,23,24 серная кислота используется в разбавленном и концентрированном виде. Поясните свой ответ. е) подробнее объясните процесс протекания реакции 25. Напишите уравнения реакций. 100 III глава. МЕТАЛЛЫ Тесты по теме: Железо 1. В котором из нижеприведенных ответов отражена правильная формула пирита? A)FeS; Б) FeS,; В) FeSO,; Г) Fe,(SO,>3; Д) Fe30,. 2. Сколько d-электронов имеется в атоме железа? А) 5; Б) 6; В) 7; Г) 8; Д) 9. 3. Сколько неспаренных электронов имеет атом железа в возбужденном состоянии? А)3; Б) 4; В) 5; Г) 6; Д) 7. 4. При взаимод ействии FeSO^ с перманганатом калия в кислой среде образуется Fej(SO^. Чему равна сумма коэффициентов этой реакции? А) 46; Б) 32; В) 25; П 28; Д) 35. 5. Рассчитайте сколько гр. железа имеется в 0,5 молях РСзО^. А) 48; Б) 162; В) 168; Г) 200; Д) 54. ч6. Из какого количества магнитного железняка, имеющего в своем составе 10 % примесей, образуется 1 т железа? А) 1,53 т; Б) 2,53 т; В) 0,53 т; Г) 3,53 т; Д) 5,53 т. 7. Определите степень окисления железа в соли желтой кровяной. А)+1; Б)+2; В)+3; Г)+4; Д)+6. 8. Чему равна сумма коэффициентов уравнения реакций Fe + Н^О + Hj? А) 20; Б) 22; В) 24; П 12; Д) 18. 9. Сколько углерода имеется в составе чугуна? А) 1; Б) 2; В) 3; Г) 1,7; Д) 2,7. 10. При горении 2 кг стали в токе кислорода образуется 44 гр СО^. Определите количество углерода в % в составе згой стали. А) 0,8; Б) 4,4; В) 0,44; Г) 0,6; Д) 1. а 29. Органическая химия - химия соединений углерода 101 IV глава 1 органические соединения Г§ 28. \ Органическая химия - химия соединений углерода | в чем отличие opt аиических соединений от неорганических? С древних времен люди пользовались не только минералами, но и возможно теми веществами, которые получали из растений и животных. Эти вещества человечество использовало для приготовления пищевых продуктов, одежды, столь необходимых в развитии человечества лекарственных, лакокрасочных, косметических препаратов. Человеку давно известны такие продукты растительного и животного происхождения, как сахар, масло, жир, эфирные масла, красящие и возбуждающие вещества. На основе того, что все выщеперечисленные вещества имеют растительное и животное происхождение или являются продуктами их переработки, появилось такое понятие, как “органические вещества”, а раздел, изучающий эти вещества, стал называться органической химией. Долгое время из-за отсутствия возможности определить строение веществ, являющихся продуктами жизнедеятельное! и живых организмов, и синтезировать их, среди ученых бытовало мнение, что органические вещества возникают в результате некой “жизненной силы” (виталистическое учение; vis, vitalis - жизненная сила). Однако впоследствии накопились факты, которые опровергли это ошибочное мнение. Органические вещества, издавна известные человеку: уксус, спирт, сахар, эфирные масла, красители. Элементы, содержащиеся в составе органических соединений: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера. Первые синтезированные органические вещества - щавелевая кислота и мочевина (немецкий ученый Ф.Велер, 1824-1828). Синтез анилина (русский ученый Н.Н.Зшшн, 1842). Сшипез уксусной кислоты (немецкий ученый Г.Кольбе и английский ученый Е.Франкланд, 1845). Синтез мсира (французский ученый М.Бертчо, 1854). Синтез сахаристого вещества (русский ученый А.М.Бутлеров, 1861). В результате ученые признали, что органические вещества возникают из неорганических. В настоящее время органическую химию можно назвать химией соединений углерода, а в качестве органических веществ принято считать соединения угле- 102 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ рода с другими элементами. Некоторым органическим соединениям (оксиды углерода карбиды, соли угольной кислоты) характерны свойства типичных неорганических веществ и поэтому они изучаются в курсе неорганической химии. Количество органических веществ исчисляется миллионами. Органические вещества считаются основным материалом, сосхавляющим основу растительного и животного организма. Органические вещества по сравнению с неорганическими неустойчивы и при нагревании легко меняются, а многие из них являются горючими. В их составе обязательно имеется углерод и водород и при горении образуется углекислый газ и вода. Химическая реакция между органическими веществами протекает медленнее, чем между неорганическими. В настоящее время многие вещества, имеющиеся в растительном и животном организмах (вита.мины, гормоны, красители), а также не встречающиеся в живой природе (искуссгвенное и синтегическое волокно, синюгический каучук, пластмассы, средства борьбы с вредителями сельского хозяйства, антибиотики и другие лекарственные препараты) синтезированы. Отличие органических и неорганичечких веществ таблица в № Органические вещества Неорганические вещества , При нагревании Расщепляется Превращается в уголь Расщепляется или не изменяется 2 При горении Образуется СО^ и вода Не горит. Некоторые образуют различные вещества 3 В составе Обязательно наличие С Входят атомы различных веществ По строению органические соединения бьшают: насыщенные (углерод може'г образовать связь четырьмя атомами других элементов), ненасыщенные (между двумя атомами углерода имеется двойная связь >С=С<) и ненасыщенные с тройной связью С^Н2„ 2 (между двумя атомами углерода имеется тройная связь - 2С1. Атом галогена взаимодействует с углеводородом и образует радикал углеводорода: СН^ + С1 —> НС1 + CHj. Свободный углеводородный радикал вновь взаимодействует с молекулой галогена и образует атом галогена. Подобные реакции, представляющие собой цепь последовательных превращений, называют цепными реакциями. Протекают они по свободнорадикальному механизму и в результате образуется смесь галогеновых производных: СН^ + Clj -э CRCl + НС1 метилхлорид CHjCl + CL —э CH-Clj + HCl дихлорметан CH2CI2 + Clj -» CHCI3 + HCl трихлорметан (хлороформ) CHCI3 + CI^ -э CCl^ + HCl тетрахлорметан Под воздействием ультрафиолетовых лучей метан взаимодействует с хлором со взрывом: СН^ + 2CI2 С + 4НС1 Получение. В производстве метан получают следующими методами: 1) при взаимодействии водорода и графита при температуре 500°С и в присутствии никелевого катализатора: С + 2Нз ^ СН, 2) из водяного газа (этим методом можно получить и другие алканы): СО + 3Hj сн^ + нр в лабораторных условиях метан получается следующими методами: 1) при взаимодействии карбида алюминия с водой: А1^Сз + 12H2O 4А1(ОН)з + ЗСН, 2) при нагревании смеси твердых ацетата натрйя и гидроксида натрия: CH3COONa + NaOH ^ СН^ + Na^COj 8 - Химия, 9-класс. 114 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Алканы можно получить также при взаимодействии металлического натрия и га-логенпроизводных углеводородов (реакция Вюрца): гсНз-СН^Вг + 2Na CHjCH^CH^CHj + 2NaBr Применение метана и других алканов. Метан имеет большое практическое значение. Он применяется в качестве сырья при производстве многих химических продуктов. Такие вещества, как ацетилен, метанол, формальдегид являются готовой продукцией и важнейшим сырьем химического производства. Особое место занимают окисление алканов, имеющих 20-25 атомов углерода. Таким путем получаются синтетические жирные кислоты с различной длиной углеводородной цепи, которые применяются для получения мыла, моющих средств, смазочных материалов, лаков, эмалей. Алканы применяются также и в качестве горючего. Преде.тьные циклические соединения (циклопарафины, циклоалканы, нафтены, полиметилены, цнкланы). С Циклоалканы - предельные углеводороды с замкнутой цепью Общая формула гомологического ряда циклоалканов - Их название образуется прибавлением к соответствующему алкану приставки-цикло. Например, CjHj - циклопропан, С^Н^- циклобутан, С^Ни~ циклогексан. Цикловлканы впервые были выделены русским ученым В.В.Марковниковым в составе бакинской нефти и изучены. По физическим и химическим свойствам циклопарафины близки к парафиновым углеводородам: их агрегатное состояние в зависимости от числа атомов углерода в молекуле бывает газообразным, жидким и твердым. Химически малоактивны, горючи и атомы водорода в них могут замещаться галогенами. Устойчивость кольца циклоалканов различна: до пяти членов растет, с увеличением числа членов - уменьшается (теория Байера). При определенных условиях происходит взаимодействие с галогенами и га-логенводородами с образованием галогенпроизводных углеводородов с открытой цепью; СЯ.+ CL -> С.нр, C^Hg + НС1 ОДС1 S 32. Непредельные углеводороды 115 Элементы ЗУН: Метан, горение природного газа, меры предосторожности при пользовании природным газом, расщепление, реакции замещения, получения, циклопарафины. ш Вопросы и задания /. 2. 3. 4. 5. Какие вещества называются алканами? Напишите формулы 2-мтшлбутана, 2,3-дшшпилбутана, 2-метил-3,3 дшчетилбутана. Напишите формулы изо.черов гептана и дайте их наименование. Почему при определении свойств вещества, нужно обратить вниматю не только на его состав, но и на его строение? Определите молекулярную формулу вещества, если при горении 16 г этого вещества с относительной плотностью по водороду, равной 8, образуется 44г углекислого газа и 36 г воды. Чем отличаются реакции замещения в органической и неорганической химии? Объясните явление гибридизации. § 32. J Непредельные углеводороды Отличаются ли непредельные углеводороды от предельных своим строением и химическими свойствами? Этилен. Ацетилен. Гомологический ряд. Номенклатура. Свойства ненасыщенных углеводородов. Правило Маркч)вникова. 1. Непредельные углеводороды - это углеводороды, в молекулах которых атомы углерода связаны друг с другом посредством двойной ти тройной связи. 2. Важнейшими представителями непредельных углеводородов являются ал-кены (ряд эти.1ена), алкадиены (ряд дненовых), алкины (ряд ацетилена). 3. Алкены-углеводороды, в молекулах которых одна двойная связь. 4. Алкадиены —углеводороды, в молекулах которых две двойные связи, 5. Алкины - углеводороды, в молекулах которых одна тройная связь. Алкены также называются олефинами, углеводородами этиленового ряда. Они образуют гомологический ряд с общей формулой 116 1Углава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Таблица 15 Формула Наименование Эмпирическая Структурная Тривиальное Международное СА СН,=€Н, Этилен Этен-1 сд, СН,=СН-СН, Пропилен Пропан-1 сд. СН,=СН-СН,-СН, Бутилен Бутен-1 сд.„ СН,=СН-СН,-СН,-СН, Амилен Пентеп-1 СДп СН,=СНЧСН,Х-СН. Гексилен Гексен-1 сд.. СН,=СН-(СН,),-СН, Гептилен Гетеи-1 сд,. сн,=снчаи-сн. Октилен Октен-1 СД„ сн,=снчсн,1-с:н. Нонилен Нонен-1 CJh, СН,=СН-<СН,Х-СН, Децилен Децен-1 Алкины - углеводороды ацетиленового ряда. Образуют гомологический ряд с общей фop^^yлoй 2. Таблица 16 Формула Наименование Эмпирическая Структурная Тривиальное Международное СД СН^ Ацетилен Эгин сд, сн=с-сн, Метитацетилен Пропин сд. CHsC-CH,-CH, Этилацетилен Бутин-1 сд, CHsC-CH,-CH,-CH, Пропилацетилен Пентин-1 сДо Бугалацетилен Гексин-! Электронное строение (на примере этена (этилена) и этина (ацетилена)). Алканы при сильном нагревании опдепляют водород, превращаясь в непредельные углеводороды. Н Н I I н-с-с- I I н н н н н I I н-с=с- •н + н. При этом, если расстояние между атомами углерода в этане составляет 0,154 нм, то в молекуле этилена оно уменьшается до 0,133 нм. Угол между связями соответственно увеличивается с 109°28' до 120°. Современная теория строения вещества объясняет это следующим образом. За счет отделившихся атомов водорода соответствующие 2р-электрона атома углерода в этилене образуют д-связь. Таким образом, атомы углерода связываются друг с другом посредством двойной связи, из которой одна а-, а другая тг-связь. §32. Непредельные углеводороды 117 За счет sp^-гибридизации угол изменяется до 120°. В отличие от этана в этилене происходит гибридизация между одной s- и двумя р- орбиталями (р^ и р^,). Третья орбиталь, образующая тс-связь и обладающая минимальной электроной плотностью на плоскости а-связи, в гибридизации не участвует. В результате у каждого атома углерода образуется три sp^ гибридных орбиталей, которые, удаляясь друг от друга, образуют на плоскости угол между осями 120°. Между >тлеродами гибридные орбитали образуют одну о-, а между водородами две о-связи. Поэтому 0-связи расположены на одной плоскости, а л-связь размещается на плоскости, перпендикулярной к первой. Такое размещение лч:вязи приводит к устойчивости молекулы этилена, но лишает ее свободного вращения. Поэтому в соединениях с двойной связью наблюдается геометрическая изомерия. (Г Геометрическая стереоизомерия возникает в резульЬгате различного пространственного расположения замещающих групп относительно двойной связи Структурная изомерия связана с разветвленностью углеродной цепи и расположением двойной связи Длина связи между атомами углерода в этине гораздо короче, чем в этене Н-ОС-Н (0,120 нм). Угол между связями равен 180° и молекула имеет линейное строение. Сближение атомов углерода этина объясняется образованием второй л-связи за счет Ру-электронов атомов углерода. Тройная связь этина состоит из одной 0- и двух п- связей. В результате sp- гибридизации угол оказывается равным 180°. В отличие от этена в этине участвуют в гибридизации одна s и одна р-орбиталь. В результате каждый атом углерода становится обладателем двух sp гибридных облаков. Эти гибридные орбитали участвуют в образовании одной s-связи между атомами углерода и одной 0-связи между s- орбиталями водорода. Молекула этина обладает пятью связями, из которых три 0- и две тс-связи. Изомерия. У алкенов, начиная с бутена, наблюдается структурная и геометрическая стереоизомерия, а у алкинов (начиная с бутина) - только структурная. Назва- 118 1Углаеа. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ние аженов образуется путш прибавления окончания -ен, а у алкинов —1Ш к наименованию соответству кяцего алкана, нумерация начинается со стороны кратной связи. Положение кратной связи обозначается номером после названия главной цепи. 0,120пп) Рис. 20. Количество изомеров ненасыщенных ут леводородов намною больше, чем у насыщенных. Потому что в структуре ненасыщенных углеводородов имеется л-связь, которая также может менять свое местоположение. Изомеры пентена и их номенклатура. 1) Изомерия за счет перемещения двойной связи: СН^ = СН - СН, - СН^ - СНз - пентен-1 СНз-СН = СН-СНз 2) Изомерия за счет разветвления цепи: СНг=С—СН2-СН3 I СНз СНз—С = СН-СНз I СНз СНг =СН-СН—СНз I СНз СН3 -пентен-2 2-метилбутен-1 2-метилбутен-2 З-метилбутен-1 Стереоизомеры. Если замещающие группы находятся по одну сторону плоскости двойной связи, то перед наименованием алкена ставится префикс tfuc-, если по разные стороны, то - транс-. Например, бутен имеет цис- и транс-изомеры. СН, с=с ,сн. «N. ,сн. н' цис-бутен-2 с=с СН, \ н транс-бутен-2 §32. Непредельные углеводороды 119 Физические свойства. Низшие алкены - газообразные вещества, начиная с С5Н и по это жидкости, высшие алкены - твердые вещества. Все алкены нераство- римы в воде и частично растворимы в спирте. У алкинов первые три представите.ля это газы, начиная с по - жидкости, а высщие представители - твердые вещества. Химические свойства. В отличие от алканов алкены и алкины химически активны. Рассмотрим их химические свойства на примере этилена - этена и ацетилена - этина. Образование р-электронами перекрывания за плоскостью молекулы приводит к уменьщению устойчивости тс-связи, что и является причиной химической активности ненасыщенных углеводородов. В химическую реакцию сначала вступают углероды при двойной или тройной связи. Поэтому для них характерны реакции присоединения. Присоединение галогенов (гачогенирование): При взаимодействии с бромной водой алкены и алкины ее обесцвечивают. Эта реакция применяется для качественного определения непредельных углеводородов. СН2=СН2 + Вг^ СН^Вг-СН^Вг СНнСН + Вг^ СНВг=СНВг СНВр=СНВг + ВГз -> CHBr^-CHBr^ 1.2- дибромэтан 1.2- дибромэтен 1.1.2.2- тетрабромэтан Присоединение водорода (гидрогенизация). Эта реакция осуществляется в присутствии платины, палладия, никеля или другого металла в качестве катализатора: сн=си^ + СН3-СН3 СН=СН + Hj -СН =СНз + Нз СН=СН2 > СНЗ-СНЗ Присоединение галогеноводородов (правичо Марковникова): 2-бромпропан СНз-СН=СНз + НВг СН3- СН3ВГ-СН3 Присоединение галогенводородов к алкинам происходит при температуре 120-180°С и в присутствии активированного угля или солей ртути (II): НС^Н + НВг ^ HCBi^CH, бромэтан Современная теори я строения вещества объясняет это следующим образом. Метильный радикал отдает электронную плотность {положительный индуктивный эффект), а винильный радикал СНз=СН- притягивает к себе электроны {отрицательный индуктивный эффект). В результате несимметричная двойная 120 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ СВЯЗЬ часгачно полярюуется. Поэтому Н* катион присоединяется к атому углерода с большей электронной плотностью, а Вг анион - с меньшей. СНз—►СН=СН2 б+ 6- Присоединеиие воды (гидратация): СН2=СН2 + нон -> СН3-СН2-ОН СНз-СН=СНз + нон ^ СН3-СНОН-СН3 этанол пропанол-2 Присоединение воды к алкенам происходит также по правилу Марковнико-ва. Эта реакция обратима. Получение спиртов протекает при высоком давлении, температуре в присутствии фосфорной кислоты в качестве катализатора. При нагревании спиртов в присутствии концентрированной серной кислоты образуются алкены. В промышленности присоединение воды к алкинам имеет особое значение: HCsCH -I- НОН —> СН3СНО - уксусный альдегид Эта реакция осуществляется в присутствии солей ртути - HgSO^, HgCNO,)^. Уксусный альдегид - важнейшее сырье для промышленности. Он применяется для получения пластмасс, этанола, уксусной кислоты. Эта реакция была осуществлена в 1881 году русским ученым М.Г.Кучеровым и носит его имя. Окисление. Алкены и алкины легко окисляются. Водный раствор перманганата калия окисляет этилен до этиленгликоля, а ацетилен - до щавелевой кислоты: 2КМпО^ + ЗСи=Си^ + 4НОН -» ЗСНрН-СН^ОН + 2КОН + 2Мп02 8КМпО^ + Зенен + 4НОН -4 ЗНООС-СООН + 8КОН -ь 8МпО, Эта реакция, также как и реакция с бромной водой, применяется как качественная реакция на ненасыщенные углеводороды. В присутствии кислорода и на воздухеаз1кенм-го{^т светло-желт-ыМг«^ ацетилен - ярким ослепляющим пламенем: §32. Непредс.ш1ые углеводороды 121 СН =СН2 + 30^ 2СО2 + 2Нр 2СНзСН + 50^ 4COj + 2Нр + 3200 кДж Реакция горения ацетилена применяется для резки и сварки металлов. Полимеризаг{ия. Алкенам и алкинам характерна реакция полимеризации. • Полижризация - это последовательное соединение молекул с образованием веществ с еще большим молекулярным весом • В результате полимеризации образуется высокомолекулярное соединение • Молекулу полимера называют макромолекулой • Низшие молекулярные соединения, образующие макромолекулы, называются мономерами При высокой температуре и давлении («15 1987 кПа) этилен превращается в полиэтилен. При этом двойная связь разрывается и образуются свободные связи: си=сщ + СН=СЩ + ... -CHj-CH^-CHj-CH^-псй=сн^ (-CH^-CH^-)^ п - степень полимеризации. Эта величина непостоянна. Поэтому молекулярная масса полимера, обычно, усредненная величина. В этой реакции этилен-мономер, полиэтилен - полимер. Более подробно полимеры рассмотрим в разделе высокомолекулярных соединений. Реакция полимеризации ацетилена в зависимости от условий протекания приводит к образованию различных соединений. При пропускании ацетилена над раскаленным до 800°С углем, происходит образование бензола; ЗСН = СН -э СН нс НС СН хн нс=сн НС хн СН в присутствии солей меди (I) ацетилен образует винилацетилен: НОСИ + носы -> СН =сн-ссн Винилацетилен является важнейшим сырьем в получении хлоропренового каучука. 122 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Кислотные свойства. В отличие от алканов и алкенов, ацетилен обладает кислотными свойствами, т.е. его водород способен замещаться металлом. Например, если через аммиачный раствор солей серебра или меди пропустить ацетилен, то образуемые ацетилениды выпадают в осадок: НСЫГН + 2AgOH ^ Ag-OC-Ag + 2Нр HCsCH + 2CuOH Cu-CsC-Cu -i- 2Н2О Ацетилениды меди и серебра при ударе взрываются. Карби,а кальция также считается ацетиленидом. Под воздействием кислот из ацетиленидов вьщеляется ацетилен: Ag-C=C-Ag + та ^ 2AgCl + HCsCH Кислотные свойства ацетилена объясняются сильной поляризацией С-Н связи по сравнению с этаном и этеном. Различие С-Н связи в алканах, алкенах и алкинах зависит от характера С-С связи. Согласно современной теории строения вещества, насколько больше s-орби-тали атома углерода участвуют в образовании о-связи, настолько сильнее притягиваются электронные пары и сильнее поляризуется С-С связь. Поэтому у ацетилена С-Н связь поляризована сильнее, чем у алканов и алкенов. В образовании а-связи доля s-орбиталей у алканов составляет 25% (р-орби-талей 75%), алкенов - 33% (р-орбиталей 67%), алкинов - 50% (р-орбиталей 50%). Получение. Соединения с двойной или тройной связью можно получить путем отщепления некоторых атомов у насыщенных углеводородов. Получение алкенов и алкинов основано именно на этом принципе. Соединения с двойной связью получаются при реакциях отщепления галогенов из дигалогенпроизводных [1]; галогенида водорода из галогенпроизводных [2]; вьщелении воды из спирта [3]; отщеплении водорода из алканов (дегидрогенизация) [4]. Нижеследующие уравнения реакций напишите сами. При протекании этих реакций водород отщепляется от наименее гидрогенизированного атома углерода (правило Зайцева): 1. 1,2-дибромпропан + металлический цинк -> 2.2-бромбутан + (спирт, щелочь) -> 3. 2-бутанол + (AljOj при 350-500°С или концен. H2SO4, ZnClj) 4. бутан + (СгРз, А1Рз при 450-600°С+КОН) -> При крекинге и пиролизе нефтепродуктов получаются газы, состоящие из ненасыщенных алкенов (при 700°С 43% алкенов): § 32. Ненасыщенные углеводороды 123 С.Н.0 ^ С,н, + с,н. в условиях производства этилен получается дегидрогенизацией этана, частичной гидрогенизацией ацетилена, а в лабораторных условиях дегидратацией этанола в присутствии концентрированной серной кислоты; Ацетилен же и в промышленности и в лабораторных условиях получают из метана и карбида кальция. 2СН, + ЗН^ СаСз + 2Нр -» Са(ОН)2 + Применение. Этилен и ацетилен являются важнейшим сырьем в современной химической технологии органических веществ. Большая часть этилена применяется в получении полиэтилена. Остальная часть - в синтезе таких органических веществ, как этанол, хлорэтан, винилхлорид, стирол и др. Свойство этилена способствовать дозреванию применяется при перевозке сельскохозяйственной продукции (в особенности фруктов) на дальние расстояния. Из ацетилена получают этиловый спирт, уксусную кислоту, синтетические каучуки, поливинил хлорид и полифторвинильные пластмассы. Элементы ЗУН: Ненасыщенные углеводороды, этилен, ацетилен, гомологический ряд, строение молекулы, sp^- гибритизация, с-связь, п-связь, структурная изомерия, геометрическая изомерия, цис- и транс-изомерия, реакция присоединения. Правило Марковникова, окисление, полимеризация, полимер, макромолекула, степень полимеризации, реакция полимеризации, кислотные свойства ацетичена. 3 Вопросы и задания 9 fi. V, 10. Объясните правта Маркоеткоеа и Зайцева. Объясните механизм образования О- и Tt-сеязей. Которая из них устойчивая? Осветите схожие и отчичитс-пные стороны алканов, ачкенов и алкинов. Напишите структурные формулы изомеров бутена и /шзовите их по международной номешаштуре. Напишите структурные формулы изомеров пеюпена и дайте им названия. При пропускании 3 л смеси этшш и этина через 250мл 3% водного раствора бромной воды (п.чотность 1220кгМ) образуется 4,7г дибромэтана. Опреде.читемассовые доли каждого уг.чеводорода в смеси и количество брома, не вступившего в реакцию. Напишите уравнения реакций, характерные для ацетичена. Почему количество изомеров а.чкенов и а.чкинов одного углеродного состава различно? Проанализируйте строечше молекулы этана и ацетичена. Предложите очичичительные реакции бутана, бутена, бутшш и иишаки 124 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Г § 33. J Углеводороды, имеющие в молекуле две и более двойных связей Знаете ли вы химические свойства упкводоролов, которые похожи на насыщенные или ненасыщенные углеводороды и которые имеют две или более двойных связей? • Строение и свойсгва >тлеводородов, которые имеют две и более двойных связей. • Природный кау'ч^'к, его строение, свойства и применение. • Алкадиены (диеновые углеводороды)—ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе две двойные связи • Полнены (алкатриены и др.)~ ненасыщенные углеводороды, имеющие в своем составе более двух двойных связей • Диены образуют гомологический ряд с общей формулой ^ При наименовании алкадиенов и полиенов к названию соответствующего алкана прибавляется окончание -диен и цифрой указьгеается местоположение двойной связи. _, ,, Таблица 17 Формула Наименование Эмпирическая Структурная Тривиальное Международное CHj=C=CH2 Иропадиен CH=C=CH-CHj Бутадиен-1,2 CH,=CH-CH=CHj Дивинил Бутадиен-1,3 СН=С=СН-СН^^Нз Пеетадиен-! ,2 CHj=CH-CH=CH-CH3 Пентадиен-1,3 CHj=CH-CHj-CH=CHj Пентадиен-1,4 CHj=C(CH3)-CH=CHj Изопрен 2 метилбутадиен-1,3 Изо1>1ерия. Для алкадиенов характерна структурная и стереоизомерия. Если в вышепредставленной таблице такие изомеры, как бутадиен-1,2 и бутадиен-1,3, пентадиен-1,2 и пентадиен-1,3, а также пентадиен-1,4 отличаются по месту расположения двойных связей, то 2-метилбутадиен-1,3 отличается разветвленностью углеродной цепи. Электронное строение. Из вышепредставленной таблицы видно, что местоположение двойных связей может быть различно. Большой практический § 33. Углеводороды, имеющие в молекуле две и более двойных связей 125 интерес преасгаатяют те алкадиены, в молекуле которых двойные связи чередуются. Наиболее важные из них дивинил и изопрен. У дивинила все атомы расположены на одной плоскости, и длина двойной связи в цепи -С=С~С=С- равна 0,133 нм, а длина Рис. 21. простой связи между ними 0,146 н.м. Отсюда видно, что длина этой связи равна средней величине длины простой (0,154 нм) и двойной (0,133 нм) связи. CHj = СН - СН = СН2<-------► СНг-СН - СН - CHj Физические свойства. Дивинил - бесцветный газ, кипящий при -5°С. Изопрен - бесцветная жидкость, кипящая при 34°С. Химические свойства. Алкадиены также как и алкены обесцвечивают бромную воду и присоединяют галогеноводороды. При этой реакции одновременно раз-р|ываются две двойные связи, присоединение происходит к первому и четвертому атому у лерода, а между вторым и третьим атомами углерода образуется двойная связь: СН2=СН-СН=СН, + Вг^ СН2Вг-СН=СН-СН,Вг Таким образом, у диеновых углеводородов реакция присоединения протекает с переносом двойной связи (миграция двойной связи). Полимеризацией алкадиенов (дивинила) получают полимерные каучуки (ди-виниловый каучук): пСНз=СН-СН=СН2 (-СН2-СН=СН-СН2-)„ Природный каучук. Каучук - высокоэластичный материал, получаемый из латекса млечного сока некоторых тропических растений, таких как гивея. Латекс -коллоидный раствор каучука в воде. При нагревании или воздействии кислоты каучук коагулируется. Затем он отделяется от жидкости и высущивается. Kayinic растворяется в сульфиде углерода, бензине и бензоле. Важнейщее свойство каучука это его эластичность и водонепроницаемость. Природный каучук 126 1Углат. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ считается полимером изопрена. При образовании молекулы каучука изопрен полимеризуется: пСН2=С(СНз)-СН=СНз (-CHj-C(CH3)=CH-CHj-)„ Молекула каучука имеет линейное строение. Метиленовые группы природного каучука -СН^-, располагаясь по одну сторону двойной связи, образуют молекулы стереорегулярного строения в цис-положении. Молекулы каучука сильно закручены и изогнуты, при его растягивании молекулы выпрямляются и образец каучука удлиняется. После прекращения воздействия на молекулу, в результате перемещения внутреннего тепла, звенья принимают исходное изогнутое положение и размеры каучука сокращаются. При нагревании каучук размягчается и становится липким, а при низких температурах - жестким и хрупким. Эти недостатки устраняются при нагревании его с серой. • Вулканизация - процесс получения резины при нагревании каучука с серой Сера присоединяется по месту двойных связей полимера и как бы “сшивает” молекулы каучука друг с другом. В результате образуется резина - сшитый полимер, имеющий пространственное строение. Резина, по сравнению с сырым каучуком, эластичнее, устойчива к температуре и не растворима в растворителях (например, в бензине она нерастворима), ^о объясняется тем, что в резине кроме межмолекулярных сил линейных макромолекул имеются силы химических связей. Если при вулканизации каучука добавляется до 32% серы, то полученный продукт называется збонитом. Эбонит - твердое вещество с изоляционными свойствами. Каучук имеет большое народнохозяйственное значение, он широко применяется в автомобильной, авиационной и электротехнической промышленности, а также в медицине. Элементы ЗУН: Алкадиены, изомерия, каучук, природный каучук,синте’ тический каучук, вулканизация. Вопросы и задания L Какие углеводороды называются диеновыми? 2. Напишите уравнения реакций следующих превращений: этилен -> ^этанол • бутадиен синтетический каучук. Определите молекулярную массу полиэтилена, степень полимеризации которого равна 2500. 3. В чем отличие между гексаном и гексадиеном? 4. Каково значение вулкатзати каучука? 5. Расскажите об областях применения каучука? ^ 34. Ароматические углеводороды 127 §34. ь Ароматические углеводороды ] Какими специфическими свойствами обладают ароматические углеводороды? Изомерия и номенклатура. В ароматических углеводородах наблюдаешя изомерия положения углеводородного радикала. Ниже приведены изомеры ксилола: орто-ксилол или 1,2-диметилбензол; мета-ксилол или 1,3-диметилбензол; пара-ксилол или 1,4-диметил бензол. Э.тсктронное строение. Самым простым представителем ароматических углеводородов является бензол С^Н^. По эмпирической формуле - это сильно ненасыщенное соединение. В 1865 году немецкий ученый А. Кекуле предложил для бензола циклическое строение с шестью членами, где двойные связи чередуются, Однако эта формула не полностыо отражает свойства бензола. Бензол не прояа'гя-ст свойства ненасыщенных углеводородов: не обесцвечивает бромную воду и раствор перманганата калия, ему характерны реакции присоединения. Кроме этого сила химической связи между атомами углерода в бензольном кольце одинаково сильная, строение их одинаково и расстояние между ними равно 0,139 нм (в простой связи зто расстояние равно 0,154 нм; в двойной - 0,133 нм). Эти факты подтверждены современной теорией строения атома. Согласно этой теории каждый атом углерода в бен- 128 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЗОЛЬНОМ кольце находится в состоянии sp^-гибридизации. С соседними атомами углерода и водорода углерод связан 3 мя простыми с<вязами. В результате образуется шестигранник, где С-С и С-Н связи расположены на одной плоскости. Четвертое гантелеобразное р-электронное облако, которое не участвует в гибридизации, расположено перпендикулярно к этому шестиугольнику и перекрывает эту плоскость и сверху и снизу, в результате возникает общая для всех атомов углерода шестиэлектронная жвязь. Современная структурная формула бензола изображается при помощи шестиугольника, внутри которого двойные связи представляются либо непрерывной линией - кругом, либо пунктиром, а также (^рмулой Кекуле. Физические свойства. Бензол-летучая, легковоспламеняющая, бесцветная, >ie-растворимая в воде жидкость со своеобразньш запахом. Пары бензола с воздухом образуют взрывоопасную смесь. Жидкий бензол и его пары ядовиты. Многие ароматические углеводороды, в нормальных условиях, бесцьетн ые жидкости, нерасгвори.мые в юде. Химические свойства. Бензол и другие ароматические углеводороды отличаются от насыщенных и ненасыщенных углеводородов. Им, по сравнению с насыщенными углеводородами, характерны легко идущие реакции замещения. Реакции замещения. Галогенирование - это замещение в бензольном кольце атома водорода в присутствии катализатора (AICI3, РеСЦ, Fe): CgHg + Br^ C^HjBr + HBr Полученный бромбензол - бесцветная жидкость, тяжелее воды и кипящая при 156°С. Нитрование - это замещение атома водорода в бензольном конце на нитро-группу в присутствии серной кислоты: + HONO2 ^ СДКО^ + Н^О Реакции сульфонирования - это замещение атома водорода остатком серной кислоты - SO2OH группу: CR + HOSO.H -э С^Н,80зН -I- Н,0 0 0 J о 5 i I § 34. Ароматические углеводороды 129 Реакции присоединения. Гидрогенизация - насыщение бензольного кольца водородом протекает в присутствии никелевого или платинового катализатора, при 200°С и 5066,25 кПа: сл + зн, ^ с,н„ циклогексан Эта реакция обратима и при 300°С и атмосферном давлении происходит дегидрогенизация. Присоединение галогенов - галогены присоединяются к бензолу под воздействием света, например хлор. Под воздействием ультрафиолетовых лучей образуется гексахлорциклогексан: CR + ЗС1, ^ едок 6 6 2 6 6 6 гексахлорциклогексан Реакции окисления. Бензол устойчив к воздействию окислителей. При взаимодействии с кислородом горит сильно дымя: 2СЛ + 30, 12С + 6Н,0 Получение. Бензол и его гомологи выделяются из каменноугольной смолы, которая образуется при коксовании каменного угля. В настоящее время арены выделяют и из нефти (см. Химические свойства ацетилена). Применение. Бензол и его гомологи применяются для получения нитробензола, высокомолекулярных соединений, хлорбензола, красок, лекарств, препаратов, применяемых для борьбы с сельскохозяйственными вредителями. Элементы ЗУН: Ароматические углеводороды, бензол, формула Кекуле, реакция замещения, реакция присоединения. Вопросы и задания___________ /. Какие угчеводороды называются {рематическими? 2. Какая изомерия херактерна для ароматических углеводородов? 3. Напишите уравнения реакций, херактерные для бензола. 4. Кеш можно отличить ароматические углеводороды от насыщенных и ненасыщенных? 5. Напишите уравнения реакций для осуирствпения следующих превраирний: а) СаСО, ->СаО СаС^ -* б) С СаС^ C/f, ед в) А/ А/,С, СН^ енр 6. Сколько можно получить бензола, если производите.зьность реакции из 44,8 л ацетилена составляет 40 % ? О — 0.1 130 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ § 35. J Природные источники углеводородов Каменный уголь, нефть и природный газ, а также продукты их переработки требуют при их ежедневном применении определенной безопасности. Основными природными источниками углеводородов считаются каменный уголь, нефть, природный газ. Каменный уголь. Кроме топлива уголь применяется в получении кокса, который необходим для плавления железа в металлургической промьппленности. Получение кокса осуществляется на специальных предприятиях по производству кокса. Каменный уголь нагревается в специальных коксовых печах до 1000°С без доступа воздуха, что называется сухой перегонкой (коксованием), в результате образуется пористое соединение (субстанция) - кокс, состоящее из смеси летучих веществ, углерода и пепла. При охлаждении этой смеси до 25-79°С образуются такие вещества, как каменноугольная смола, аммиачная вода и коксовый газ. До недавнего времени каменноугольная смола выбрасывалась как отход газовой и коксохимической промышленности, сейчас она используется в качестве сырья для получения целого ряда органических веществ. Для этого она направляется на фракционную перегонку, в результате образуется несколько фракций: 1) при температуре кипения 170®С - легкое масло, состоящее из аренов и его производных (бензола, толуола, ксилолов и т.д.); 2) в интервале температур кипения 17б-230®С - средте масло, состоящее из фенола нафталина; 3) в интервале температур кипения 230-270°С - тяжелое масло, состоящее из нафталина и его гомологов; 4) при 270-350°С - антраценовое масло, состоящее ю антрацена, фенантрена и т.д; 5) пек (гарь) черная остаточная масса. § 35. Природные источники углеводородов 131 Аммиачная вода, являясь водным раствором, состоящим из хлорида аммония и карбоната, используется в производстве азотных удобрений. В состав коксового газа входят бензол, толуол, ксилолы, фенол, аммиак, сероводород, цианистые соединения и другие вещества. Из коксового газа отдельно отделяют аммиак, сероводород, цианистые соединения, затем бензол и другие ценные вещества. Сжигание каменного угля - это не самый эффективный способ его использования. Самый эффективный путь с точки зрения экологии и экономики - это переработка в газообразные и жидкие виды топлива, извлечение ценных примесей и т.д. В настоящее время разработаны технологии, способные перерабатывать уголь в жидкие топлива - бензин, дизельное топливо, мазут. Нефть - маслянистая жидкость, от желтого или бурого до темного цвета, состоящая из смеси газообразных жидких и твердых углеводородов, со своеобразным запахом, легче воды, и с плотностью от 730 до 860 кг/м^. Кроме углеводородов из нефти получают нафтеновые кислоты, серу и соединения азота. Состав нефти различных месторождений неодинаков. Нефть, являющаяся основным источником жидкого топлива для двигателей внутреннего сгорания и ценным сырьем химической промышленности, используется для получения синтетического каучука, пластмасс, химических волокон и многих других продуктов. При переработке нефть предварительно очищается от газов, воды и сернистых соединений, нафтеновых кислот и солей. Затем она направляется на фракционную перегонку. При этом образуется несколько фракций: 1) бензин (35-195®С), содержащий углеводороды C^-Cjj; 2) керосга (200-3(Ю°С), содержащий углеводороды С,-С,^; 3) выше 3(Х)®С образуется мазут, состоящий из углеводородов, кипящих при высокой температуре. При вторичной перегонке бензина и керосина получают специальное топливо различной марки, различные сорта авиационного и автомобильного топлива, бытовой, легкий, тяжелый керосин. Керосин - топливо дтя ракетных двигателей. Мазут является топливом для паровых котлов и сырьем для получения смазочных масел, вазелина, парафина. Он перегоняется под воздействием сильно нагретого пара (для предотвращения расщепления углеводородов). Из мазута получают целый ряд минеральных масел, такие как автомобильное, автол, авиационное. Остатки нефтеперегонки, называемые нефтяным огаром (пек) или асфальтом, применяются как дорожное покрытие. При прямой перегонке нефти общий выход бензина составляет 5-14%. Для увеличения выхода бензина за счет других фракций, его подвергают крекингу: ^16^.14 ^8^18 ^8^16’ ^8^18 ^ ^4^10 + ^4^8 132 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Крекинг нефти увеличивает выход нефти до 65-W/o. Большое практическое значение имеют и газы, которые образуются при крекинге. Они содержат ненасыщенные углеводороды, которые яшхяются сырьем химической промышленности. При добыче нефти встречаются растворенные или свободные природный и попутные газы. В их составе метана меньше и они, в основном, своем составе имеют этан, пропан, бутан и другие углеводороды. Нефтехимические предприятия (заводы по переработке, перегонке нефти, заводы органического синтеза) занимают одно из первых мест по загрязнению окружающей среды, наносят вред организму человека. Поэтому для сохранения чистоты и защиты окружающей среды является актуальной проблемой сегодняшнего дня внедрение безотходных технологий, проектирование конструкций, позволяющих комплексную переработку сырья. Природные газы. Состав природного газа изменяется также в зависимости от месторождения его основн)то часть составляет метан, остальную такие газообразные углеводороды, как этан, пропан, бутан, пентан. Природные газы используются как топливо и являются сырьем химической промышленности. В качестве сырья используются также метан, пропан, бутан и другие углеводороды, которые отделяются путем низкотемпературного фракционирования или адсорбции, затем фракционирования. В Узбекистане большие запасы каменного угля, нефти и газа, поэтому соответствующие перерабатывающие отрасли химической промьппленности работают эффективно. В настоящее время перед человечеством стоит проблема решения все возрастающей потребности в энергии, которую можно решить заменив органическое топливо знергией солнца, ветра, силой рек, морей, океана, атомной энергией, использованием биологических отходов, а высвободившееся органическое топливо решит проблему химического сырья. Именно в этой области многие ученые ведут свои исследования. Элементы ЗУН: Каменный уголь, нефть, попутные газы, каменноугольная смот, коксовой газ, бензин, керосин, мазут, смазочные масла, природный газ. I Вопросы и задания 1. Что относится к природным источникам уг.чеводородов? 2. Какие продукты получаются при сухой перегонке каменного угля? 3. Какие продукты образуются при перегонке нефти? 4. Какие углеводороды входят в состав природного газа? 5. Назовите природные источники углеводородов и в какой области используются продукты их переработки. ,1^' 36. Одноатомные спирты 133 КИСЛОРОДОСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Одноатомные спирты а Как можно объясн1гп>, что бутан имеющий огаосительную молекулярную массу, равную 58, являе! ся газом, а эчиловын спирт, имеющий молекулярную массу, равную 46 - жидкос1Ъ? До настоящего момента мы изучали органические соединения, состоящие из углерода и водорода. Кроме этих элементов известны многие вещества, в состав которых входит кислород. Это - спирты, фенолы, альдегиды, кетоны, органические кислоты, простые и сложные эфиры. Спирты - углеводородные производные, в составе которых один или несколько атомов водорода замещены на функциональную группу - ОН. Спиртам характерна водородная связь. Общая формула спиртов ROH, где R - углеводородный радикал, и в зависамости отрадикача различают насьиценные и ненасыщенные спирты. В зависимости от количества гидроксогрупп, различают одноатомные (одна ОН-группа) и двух~или многоатомные (несколько ОН-групп) спирты. Спирты называются первичными, если гидроксогруппа присоединена к первичному атому углерода (R-CH^-OU), вторичнылш - если к вторичному атому углерода (R^CII-OH), и третичными - если к третичному атому углерода (RjC-OH). RMo.vcem быть различным углеводороднымрадикичом. Одноатомные насыщенные спирты имеют общую формулу и об- разуют гомологический ряд, в котором они отличаются друг от друга СН^-мети-леновую группу. Простейщие представители гомологического ряда - метанол, этанол, пропанол. Номенклатура. При наименовании спиртов, наряду с тривиальной (метиловый, этиловый, пропиловый спирты, глицерин), широко применяется и международная номенклатура. При этом к наименованию соответствующего углеводорода добавлением суффикса -ол и цифрой указывается тот атом углерода, при котором находится ОН-группа, причем нумерацию начинают с ближайшего к гидроксогруппе углерода. СНзОН-метанол СНзСН^ОН-этанол СНзСНзСНзСНрН-бутанол-1 (бутан-1 -ол) СНзСН(СНз)С(ОН)(СНз)СНз-2,3-диметилбутанол-2 134 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Изомерия. Спиртам характерна как изомерия углеродного скелета, так и положения гидроксильной группы. Поэтому спирты в отличие от соотвествующих углеводородов имеют больше изомеров. Изомерия начинается с пропанола (пропанол-1 и пропанол-2). СНз—СН2—СНг—ОН СН3—СН—СНз пропанол -] ОН пропанол-2 Межклассовую изомерию одноатомных спиртов можно наблюдать в ряду простых эфиров. CHj-CHj-OH этанол CHj-O-СНз диметиловый эфир Физические свойсгва. Спирты, имеющие в своем составе до 15 атомов ух ле-рода - жидкости (с водородной связью), свыше - это твердые вещества. Все спирты легче воды. Меганол, этанол и пропанол полностью растворяются в воде. С повышением молекулярной массы растворимость спиртов в воде уменьшается. Высшие спирты в воде не растворимы. По сравнешпо с соответствующими углеводородами высокая температура плавления, кипения и растворимость спиртов объясняется наличием водородной связи. Химические свойства. Химические свойства спиртов зависят от гидроксильной группы и углеводородного радикала. Спирты, как и все органические вещества, горят: C^HjOH + ЗО2 2СО2 + ЗНр + 1374 кДж Химические реакции, связанные с гидроксильной группой, можно классифицировать с.зедуюшим образом: 1. Реакции, идущие с разрывом О-Н связи: • Взаилюдействуя с активными метал'шш, спирты образуют эпииаты 2С2Н5ОН + 2Na -> 2C2HjONa + этилат натрия • Образование простых эфиров (спирты, взаимодействуя друг с другом, образуют простые эфиры) C^HjOH + С2Н5ОН С2Н5ОСД -ь Ир (t<140°C, H,SO.) диэтиловый эфир Образование сложных эфиров (спирты, взаимодействуя с органическими и неорганическими кислотами, образуют сложные эфиры) § 36. Одноатомные спирты 135 CjHjOH + CHjCOOH -> CH5COOC2HJ + HjO уксусноэтиловый эфир CjHjOH + H2SO^ —> CjHjO-SOjH + H2O сульфо этил эфир 2. Реакции, идущие с разрывом С-О связи: • Взаимодействуя с галогенводородными кислотами, спирты образуют галогеналканы С2Н5ОН + НС1 ^ С2Н,С1 + Н2О (реакция протекает при нагревании в присутствии N280^ 3. Химические реакции, идущие с участием и гидроксильной группы и углеводородного радикаш. • При дегидратации спиртов в зависимости от условий образуются различные алкены С2Н,ОН СН2=СН2 + Н2О (t>140°C, H2SO^) Одновременной дегидрогенизацией и дегидратацией можно получить бутадиен-1,3- 2С2Н5ОН -» СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2О + Н2 бугадиен-1,3 (425°С, AI2O3, ZnO) • Окисление. Спирты под воздействием сильных окислителей (М: KMnO^+HJSO^ образуют альдегиды и кислоты. при окислении в первой стадии образуется альдегид: C2HJOH + [О] СН3-СНО + HjO уксусный альдегид при продолжении окисления образуется кислота: С2Н5ОН + 2[0] СН3-СООН + Н2О уксусная кислота Метиловый спирт. Метиловый спирт (метанол, карбинол, древесный спирт) - простой одноатомный спирт, подвижная бесцветная жидкость, сильный яд (при попадании в организм около 30 г метанола приводит к потере зрения, свьппе - к смерти). Метанол синтезируется при взаимодействии оксида углерода (П) и водорода при температуре 300-400°С, давлении 5 мПа и в присутствии оксида цинка и оксида меди (II) в качестве катализаторов: СО + 2Н2 ^ СН3ОН Метанол также можно получить при сухой перегонке древесины. Он применяется при получении формальдегида, красок, фотореактивов, фармацевтических препаратов и в качестве растворителя. 136 IVглава. ОРГАНИЧЕСКАЯ СОЕДИНЕНИЯ Этиловый спирт. Эгиловый спирт - бесцветна^ подвижная жидкость. Кипит при 78,3°С и замерзает при-114°С. Используется в термометрах, которые применяются для измерения низких температур, горит слабо-ярким пламеном. Эгиловый спирт образуется при брожении сахаристых веществ. Сущность брожения в том, что глюкоза, или виноградный сахар образующийся из крахмала, под воздействием фер- ментов расщепляется на спирт и углекислый газ: 2СДОН ч- 2СО, 6 12 6 2 5 2 Природные продукты, богатые крахмалом - это картофель, злаки, используются для производства спирта. В настоящее время щироко применяется метод получения спирта из древесины. В промьшшенности больщое значение имеет способ получения этанола прямой гидратацией этилена, образуемого при крекинге нефти. CHj=CH2 -t- Н^О ^ СН3-СН2ОН Реакция осуществляется при температуре 260-300°С, давлении 7,5-10 мПа и в присутствии соответствующего катализатора. В будущем будет щироко внедрен способ получения этанола из древесины и отходящих газов нефтеперерабатывающей промыщленности. Этиловый спирт используется в производстве синтетического каучука, пластмасс, парфюмерных изделий, лекарств, как растворитель в производстве лаков, консервации анатомических препаратов, диэтилового эфира, красок, уксусной кислоты, бездымного пороха и др., а так же в двигателях внутреннего сгорания. Этанол оказывает отравляющее воздействие на организм, нарзтяая обмен веществ, и даже употребление небольших количеств приводит к алкоголизму. Это способствует заболеваниям печени и сердца, дегенеративным изменениям мозга, нарушению психики и наследственным изменениям. Элементы ЗУН: спирты, водородная связь, функциональная группа, изомерия, изомерия состояния, номенклатура, химические реакции за счет разрыва водородной и гидроксильной группы, дегидратация, окисление, метиловый спирт, этиловый спирт. Вопросы и задания /, Какие вещества называются спиртами? 2. Напишите общую формулу насьиценных одноатомных спиртов. Чем определяется атомность спиртов? 4^ Почему в отличие от соответствующих углеводородов спирты имеют больше изомеров? 5. Напишите структурные формулы возможных изомеров CJHjfiH и назовите их по международной номенклатуре. § 36. Одноатомные спирты 137 6. В чем причина высокой температуры кипения и растворимости спиртов по сравнению с соответствующими углеводорода. 7. Как можно оттчить спирты от эфиров, которые являются их изомерами? S. Где си:и>нее водородная связь в метаноле и:ш воде? 9. При горении 8 г метанола выделяется 181,66 кДж тепла. Напишите термохачическую реакцию горения метанола. 10, Получите этиловый спирт, используя известняк и применив соответствующие реакции. Напишите реакции. § 37. Б Многоатомные спирты Что вы знаеге о практическом значении многоатомных спирзов? Строение и физические свойства. Этиленгликоль (двухатомный) и глицерин (трехатомный) являются важнейшими представителями гомологического ряда многоатомных спиртов. Гидроксильные грушты в них и других MHoroaTONfflbix спиртах находятся у различных атомов углерода: при одном атоме углерода не может находиться две гидроксильные группы, так как это приводит к неустойчивости соединения (сравните с угольной кислотой, которая существует только в водном растворе). Этиленгликоль и глицерин-сиропообразные жидкости, хорошо растворимые в воде. Этиленгликоль ядовитый, а глицерин гигроскопичное, неядовитое, хорошо усваиваемое организмом вещество. СН2 — он I СН2 — он этанднол (этиленгликоль) СН2—он I сн -он I СН2—он оропантрнол (тицерии) Химические свойства. Из-за наличия гидроксильной группы свойства многоатомных спиртов схожи со свойствами одноатомных спиртов: СН2 — он СН2 — ONa I + 2Na -------► I + Н2 СН2 — ОН СН2 — ONa этиленииисолят натрия 138 1Уг1ава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Взаимодействуя с органическими и минеральными кислотами, образуют сложные эфиры: СН2-0Н но -NO2 СН -он + но —N02 I СН2-ОН но — N02 CH2-ON02 I СН-ONO2 + ЗН2О I CH2-ON02 трииитрогли церии Ниттюглицерин - тяжелая маслянистая жидкость, которая взрывается при легком встряхивании и нагревании. Применяется в медицине и изготовлении динамита. При взаимодействии глицерина с карбоновыми кислотами образуются сложные эфиры. СН2 — он I + 2NaOH- СН2 - ОН еНг — ONa ► I Ч- 2НгО еНг - ONa этнлснглнколат натрия Алкоголяты меди имеют ярко-синий цвет. Взаимодействие многоатомных спиртов с гидроксидом меди (II) является качественной реакцией. енг—он СН2~о СН -он + Си(ОН)2 -------► СН — о--Си + 2НгО I I ''н еНг—ОН СН2—ОН пшцерат меди (II) Патучение и применение. Многоатомные спирты получаются при взаимодействии галогенпроизводных соответствующих углеводородов с водными растворами щелочей: СН2 — С1 I + 2NaOH- СН2 - Cl 1,2-дих.юрэ’1ан еНг — ОН , I +2NaCl СН2 - ОН Глицерин получают из жиров, непищевого (синтетическим способом из газов, образуемых при крекинге нефти) сырья. В зимнее время водные и спиртовые растворы глицерина и этиленгликоля применяются в качестве антифриза - жидкости, не замерзающей при низких температурах, которую заливают в радиаторы авто-и авиамоторов. Этиленгликоль применяется в производстве синтетического волокна лавсана, глицерин же применяется при получении синтетической смолы и взрывчатых веществ (нитроглицерина). § 38. Фенолы 139 Глицерин широко применяется как гигроскопичное вещество. В медицине глицерин используется для смягчения кожи рук и приготовления мазей, в кожевенном производстве, в текстильной промышленности - для отделки тканей с целью придания им мягкости и эластичности. Элементы ЗУН: этаидиол, пропаитриол, антифриз. Вопросы и задания______________ /. С каким веществом металлический натрий быстрее вступает в реакцию: а) глицерином; б) этиленгликолем; д) этанолом? 2. Напишите уравнения реакций следующих превращений: пропилен -> 1,2,3-трихлорпропаи —> глицерин. 3. Напишите уравнение реакции, с по.тщью которой этиловый спцрт можно отличить от этиленгликоля. 4. Сколько водорода можно получить при взаимодействии 0,5 г металлического натрия с2г глицерина? 5. Используя в качестве сырья неорганические вещества, образуйте этандиол. Напишите необходимые реакции Фенолы ,Л' ^ 1 Можно ли получить фенол из известняка? (Подкрепите свой ответ соответствующей реакщюй) Подобно углеводородам с открытой цепью у ароматических углеводородов известны гидроксипроизводные. • Гидроксипроизводные ароматических углеводородов, в молекулах которых 1 гидроксильные группы связаны с бензольным ядром, называются фенолами.) Простой фенол - одноатомное гидроксипроизводное бензола. Электронное строение фенола. В феноле гидроксильная группа связана с бензольным ядром, который проявляет отрицательный индукционный эффект. При взаимодействии свободной электронной пары кислорода с я-электронами бензола, электронная плотность от кислорода сдвигается в сторону С-О связи, кислород же сильнее притягивает к себе электронную пару О-Н а-свя-зи. Поэтому водород в гидроксильной группы фенола более подвижен, чем в спиртах. Фенол обладает свойствами слабой кислоты. Вместе с тем гидроксильная группа, в первую очередь, приводит к перераспределению электронной плотности бензольного ядра. В резз'льтате водород бензольного ядра в положении 2,4,6 становится более подвижным. Фенолы по сравнению с бензолом легко вступают в реакцию. 140 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Физические свойства фенола. Фенол - бесцветное кристаллическое вещество с характерным запахом (под воздействием кислорода, окисляясь, он приобретает светло-розовый цвет). Фенол при 42,3®С плавится, а при 182®С кипит. Частично растворим в воде (в 100 г воды растворяется 6 г фенола). Обладает сильными антисептическими (убивает микробы) свойствами. Сильный яд. При попадании на кожу образует долго незаживающие раны и водянистые пузыри. Химические свойства. Простой фенол C^HjOH называется также карболовой кислотой, которая проявляет кислотные свойства (слабее угольной кислоты). Кроме металлического натрия фенол с другими щелочами образует устойчивые растворы фенолятов (сравните с одноатомными спиртами): 2СДОН -ь 2Na ^ 2 СДОНа + Н, СДОН + NaOH ^ C^H,ONa + Н,0 О 5 0 5 I Феноляты не гидролизуются, однако под воздействием минеральной кислоты и даже угольной, разлагаются: CДONa + COj -ь Нр СДОН -ь NaHCOj В отличие от бензола фенол реагирует с бромной водой, обесцвечивает ее и образует трибромфенол: Вг .ОН ПН + ЗВГ2 Фенол получают также “способом кумола” + ЗНВг СЛ сн. : СН - сн, о, -----^ CHj-CH - СНз СДОН СН3-СО - СНз СД Взаимодействуя с формальдегидом, фенол образует формальдегидную смолу. Получение и применение. Для промышленных целей фенол получают из каменноугольной смолы. Определенная часть фенола по следующей схеме, синтетическим способом, получается из бензола: +C/j +Н2О ^ с,н,он Фенол применяется при производстве лекарственных препаратов, фотопроявителей, как дезинфицирующее средство (он сильный антисептик). Большое количество его расходуется для производства фенопластов. § 39. Альдегиды 141 Фенол, имеющийся в составе отходов, оказывает вредное воздействие на окружающую среду. Для защиты воды и воздуха от фенолсодержащих отходов необходимо внедрение безотходных технологий: газы, содержащие фенол, можно каталитически окислить, сточные воды озонировать или выделить его с помощью растворителей. Элементы ЗУН:Фенол, свойствакислотыистргт, получение, генетическая связь. Вопросы и задания___________ 1. Какие eetuecmea называются фенолами? 2. Напишите уравнения реакций следуюищх превращений: бензол -> хлорбензол —> фенол трибромфенол, 3. Напишите уравнения реакций, характерные для этилового спирта, глицерина, фенола и отличающие их друг от друга. 4. Напииште уравнение реакции гидроксида кальция с фенолом. Какие свойства проявляет фенол? 5. Получите фенол из известняка. Напишите соответствуннцие реакции. §39.1 Альдегиды Что вы знаете о формальдегиде и его применении? • Альдегидами называются соединения, в молекуле которых углеводородный радикал соединен с карбонильной функциональной группой (в метаноле функционалышя группа присоединена к водороду) ' • Общая формула альдегидов R-CHO Jf Классификация и номенклатура.Тривиальные названия альдегидов образуются прибавлением слова альдегид к латинскому названию соответствующей карбоновой кислоты. По международной номенклатуре названия альдегидов образуются путем прибавления суффикса -ал к названию соответствующего углеводорода. Нумерация углеводородной цепи начинается с того углерода, к которому присоединена функциональная группа (метаналь, 2-метилпропаналь). Изомерия. У альдегидов наблюдается изомерия углеродного скелета. -О бутаналь СН3— СН2“СНг— Н СНз—СН—С I СНз н 2-метил пропаналь 142 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Электронное строение. В молекуле альдегида имеются а и л-связи. Атом углерода карбонильной группы находится в состоянии sp^-гибрддизации (все атомы карбонильной группы находятся на одной плоскости и углы межцу ними равны 120°). Углерод карбонильной группы связан с другим с атомом углерода, атомом кислорода и атомом водорода с тремя оч:вязами и только с атомом кислорода ещё одной я-связью. я-связь образуется за счет негибридизированного р-электрона углерода и неспаренного р-электрона кислорода. Она расположена перпендикулярно плоскости а-связи. Таким образом, углерод и кислород в карбонильной группе подобно алкенам связаны двойной (а + я)-связью. В карбонильной группе связь между атомами углерода и кислорода поляризована сильнее, чем в молекуле спирта. Это объясняется двумя причинами: во- первых, я-связь по сравнению с о подвижнее и поэтому она легко поляризуется. Во-вторых, если в карбонильной группе электроны оказываются смещенными только от атома углерода к атому кислорода, то в спиртах они смещаются и от углерода и от водорода. В карбонильной группе углерод заряжен частично положительно, а кислород - частично отрицательно. В результате сильной поляризованности карбонильной группы, альдегиды химически активны. Физические свойства. Насыщенные алифатические альдегиды образуют гомологический ряд, имеющий общую формулу Муравьиный альде- гид - газ, следующие представители - жидкости, а высшие альдегиды - это твердые вещества. Муравьиный альдегид - ядовитое вещество с острым запахом. 40% -ный водный раствор муравьиного альдегида называется формалином. Низшие альдегиды хорошо растворимы в воде, с увеличением молекулярной массы растворимость альдегидов уменьшается. Химические свойства. Альдегиды вступают в следующие химические реакции: 1. Реакции присоединения 2. Реакции окисления 3. Реакции полимеризации 4. Реакции поликондснсации 1. Присоединение водорода к альдегидам происходит за счет двойной связи: R—С \ + Нг- / Н Н R—С— ОН 2.1) Водород карбонильной группы альдегида легко окисляется, образуя карбоновую кислоту. 39. Альдегиды 143 R—С \ О + О R-C О Н 'ОН 2) При нагревании с аммиачным раствором оксида серебра (I) альдегид превращается в карбоновую кислоту, а вьщелившееся в свободном виде серебро покрывает стенки сосуда. Эта реакция, называемая реакцией “серебряного зеркала”, считается качественной реакцией альдегидов. R-C^ +Ag20 ^ Н R-C О \ + 2Ag ОН 3) в качестве окислителя альдегидов может быть использован также 1 идроксид меди (II), при нагревании образуется красного цвета оксид меди (I): R-C + 2Cu(OH)2—*R-C \ \ + 2CUOH+ Нг ОН Н 2СиОН Эта реакция также применяется для определения альдегидов. Сир + Нр 3. в реакциях полимеризации формальдегид (муравьиный альдегид, метаналь) образует полимер - полиформальдегид (полиформ), обладающий линейной структурой. п х=0 н/ --СНг —О —СНг-О— (-СНг-О-)п Полиформальдегиды, как металлозаменители, применяются для изготовления различных деталей. 4. При нагревании альдегида с фенолом в присутствии катализатора (кислота или основание) осуществляется реакция поликонденсации - образуется фенолформальдегидная смола и вода. ОН ОН он он пН^О 144 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ • Реакцией поликонденсации называется реакщя образования высокомолекулярного вещества, идущая с выделением низкомолекулярных (вода, аммиак, хлорид водорода) соединений. Jf ОН ОН он он Из фенолформальдегидной смолы получают термостойкие реактопласты -фенопласты, которые применяются для изготовления изоляционных, антикоррозионных материалов. Получение. i*oIьдeгиды получаются в основном при окислении спиртов. В промышленности формальдегид образуется при пропускании смеси паров метанола и воздуха через медно-проволочный реактор. 2Си -ь С>2—►2СиО; Н- Н I -С- I н он + СиО Н— С + Си + НзО Второй способ - это окисление метана кислородом воздуха при 400-600°С и в присутствии оксидов азота в качестве катализатора: 400-600”С СН4 + О2 Н-С^ + Н2О н Уксусный альдегид получают в промышленности преимущественно, по реакции, открытой М.Г.Кучеровым-гидратацией ацетилена в присутствии солей ртути (в настоящее время применяются безопасные катализаторы): НС=СН + Н2О снз-с: Н Хорошо известен способ получения уксусного альдегида прямым окислением этилена при температуре ККУС, давлении 1013 мПа, в присутствии катализатора (PdCl^ + cu^cg. Гфименение. Формальдегид широко применяется в получении полиформаль-дегидной; фенолформальдегидной и других смол. Также формальдегид как исходный продукт применяется в производстве красок, фармацевтических препаратов, синтетического каучука, взрывчатых веществ и многих других органических веществ, а в медицине как сильный антисептик. Уксусный альдегид является важнейшим вешеством в производстве уксусной кислоты, пластмасс, фенопластов, лекарствишых препаратов. § 40. Карбоновые кислоты 145 Элементы ЗУН: альдегид, формальдегид, муравьиный альдегид, карбонильная группа, номенклатура, состояние электронов в карбонильной группе, реакция “серебрятго зеркала ”, фетлформальдегидные смолы. Вопросы и задания 7. Напишите уравнения реакций следующих превращений и объясните основные условия этих превращений: Са-»СаС^-^ЯС=СЯннСЯ^СЯО Напишите качественные реакции альдегидов. Дайте определение реакции поликоиденсации. Приведите пример. Скажите в чем отличие полимеризации от поликоиденсации. При горении 3,75 гр формальдегида образовалось 2,5 гр воды и 5,5 гр COf Плотность паров формальдегида относительно водорода равно 15. Определите формулу формальдегида. При горении 0,003 кг вещества образуется 0,0044 кг углекислого газа и 0,0018 кг воды. Определите молекулярную формулу и напишите структурную формулу этого вещества, если масса 1 литра вещества равняется 0,00134 кг. Формальдегид растворен в 0,15 кг воды, которая образовалась при горении 0,003 кг метанола. Определите в % массовую долю формальдегида в распшоре. §40.\ Карбоновые кислоты 1 Знаете ли вы карбоновые кисюты, которые применяются в пищевой промышленности? Класс карбоновых кислот занимает особое место среди органических соединений. Такие представители карбоновых кислот, как уксусная, винная, лимонная, яблочная были известны с давних времен. Классификация. По количеству карбоксильных групп в своем составе карбоновые кислоты подразделяются на одноосновные-монокарбоновые, двухосновные - дикарбоновые и т.д. По природе углеводородного радикала они также подразделяются на алифатические (ряд жиров), насыщенные (алканы), ненасьпценные (алкены, алкины) и ароматические (ареновые) карбоновые кислоты. 10 - Химия, 9-класс. 146 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Номенклат}'ра. По международной номенклатуре названия кислот образуются от названия соответствующих углеводородов с прибавлением слова кислота. В молекуле CH^COOH имеется два углерода, что соответствует этану, а название кислоты - этановая. Многие карбоновые кислоты называются зривиально-историческими наименованиями: муравьиная, уксусная, масляная, щавелевая, молочная, лимошзая и т.д. В таблице 12 приведены сведения о насыщенных алифатических монокарбо-новых кислотах (C^Hj^^jCOOH). Предельные монокарбоновые киезоты Таблица 18 Формула Название Эмпирическая Тривиальное Международное НСООН Муравьиная кислота Метановая кислота СН3СООН Уксусная кислота Этановая кислота'; CjHjCOOH Пропионовая кислота Пропановая кислота • с,н,соон Масляная кислота Бутановая кислота с,н,соон Изомасляная кислота 2-метилпропанов^1я кислота с,н,соон Валерьяновая кислота Пентановая кислота с,н„соон Капроновая кислота Гексановая кислота с„н„соон Пальмитиновая кислота Гексадекановая кислота С^НззСООН Маргариновая кислота Гептадекановая кислота с„н„соон Стеариновая кислота Октадекановая кислота Электронное строение. Выше было сказано, что в состав карбоксильной группы входит карбонильная и гидроксильные группы. В этой группе -ОН группа не проявляет свойства, проявляемые в спиртах, так же, как >С=0 группа не демонстрирует свойства альдегидов. На.м известно, что карбонильная группа сильно поляризована (см. альдегиды), электроны смещены в сторону кислорода, углерод частично положительно заряжен. Электроны кислорода гидроксигруппы находятся в сопряжении с тс-электронами двойной связи. В результате этого связь между кислородом и водородом ослабевает. Этим и объясняются сильные по сравнению со спиртами кислотные свойства кислот. ' Физические свойства. Среди карбоновых кислот в отличие от альдегидов нет газообразных веществ. Низшие представители карбоновых кислот, до пальмитиновой жидкости, хорошо растворимые в воде и с острым запахом. Высшие представители, включая пальмитиновую кислоту, твердые вещества без запаха и не растворимые в воде. 40. Карбоновые кислоты 147 Температура кипения карбоновых кислот выше температуры кипения соответствующих спиртов. Отсутствие газообразных веществ, хорощая растворимость в воде, высокая температура кипения ка^оновых кислот связаны с наличием водородных связей, т.е. водородная связь является причиной ассоциации молекул. Химические свойства Кислотные свойства: • Водные растворы карбоновых кислот кислые на вкус • Окрашивают в красный цвет лакмус и метилоранж • Проводят электрический ток • Взаимодействуя с металлани, выделяют водород В общем виде диссоциацию карбоновых кислот можно представить в следующем виде: R-COOH = RCOO +Н^ В ряду активности металлов, металлы, стоящие слева от водорода, обладают способностью вытеснять водород из карбоновых кислот: 2СН3СООН + Mg (CH3COO)2Mg + Hj ацетат магния Основные оксиды и основания также вступают во взаимодействие с карбоновыми кислотами: 2СН3СООН + СаО -> (CH3COO)jCa + Н^О ацетат кальция СН3СООН + NaOH -» CH3COONa + HjO ацетат натрия Карбоновые кислоты способны вытеснять металлы из солей слабых кислот (например, соли угольной кислоты): 2СН3СООН + CaCOj (СН,СОО),Са + HjO + СО, Во всех перечисленных выше случаях карбоновые кислоты образуют соли. Характерной реакцией карбоновых кислот это реакция этерификации -взаимодействие со спиртами с образованием сложных эфиров: H2SO4 СНз - c:f + но-С2Н5------► СНз ^он +Н2О ^0-C2Hs Реакции, идущие с участием углеводородного радикала. В карбоновых кислотах под воздействием карбоксильной группы активность атомов водорода, соседних к ней, возрастает и они способны замещаться на атомы брома или хлора: 148 IVглава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ СН3СООН + CI2 -> CH^CICOOH + НС1 СН3СН2СООН + Btj СН3СНВГСООН + НВг а- хлоруксусная кислота а-бромпропановая кислота Под воздействием индукционного эффекта заместителей монохлоруксусная и а-бромпропановая кислоты сильнее соответствующих кислот. Применение. Муравьиная кислота применяется как сильный восстановитель при синтезе органических соединений; в пищевой промьшшенности - дезинфицирующее и консервирующее средство; в текстильной промьшшенности - при окрашивании тканей; в переработке природного каучука - как коагулянт, так же применяется в медицине. Уксусная кислота широко используется в производстве красителей, пластмасс, лекарственных препаратов (аспирин, фенацетин), искусственных волокон, несгораемой кинопленки и т.д; соли уксусной кислоты применяются при окрашивании тканей, в медицине, в борьбе с еельскохозяйственными вредителями, в качестве растворителей сложных эфиров и душистых веществ. Пальмитиновая и стеариновая кислоты используются в производстве свечей, натриевые соли этих кислот - в производстве хозяйственного мьша, а калиевые соли - жидкого мыла, применяемого в медицине. Элементы ЗУН: карбоновые кислоты, одноосновные монокарбоновые кислоты, номенклатура, кислотные свойства, этерификагщя, муравьиная кислота, уксусная кислота. ^ Вопросы и задания 1. Какая из кислот быстрее вступает во взаимодействие с металлами: а) уксусная wiu масляная; б) уксусная или хлоруксусная? 2. В чем отличие и сходство к(д>боновых и неорганических кислот? 3. Налииште уравнение хлорирования пропановой кислоты. Какой атом водорода залгещается и почему? 4. Напишите следующие формульи а) пропилит натрия; б) пропионат натрия. §41.^ Сложные эфиры -Щ Каково значение сложных эфиров в парфюмерии? • Жиры. • Реакция этерификации. • Природные жиры, строение и свойства. • Биологическое значение жиров. 41. Сложные эфиры 149 Сложные эфиры, являясь широко распространенными органическими соединениями, имеют большое практическое значение. 1. Сложными эфирами называются сложные органические соединения, в которых два углеводородных радика.ш соединены посредством -СОО-группы 2. Общая формула сложных эфиров R-COO-R, 3. Сложные эфиры можно считать производными карбоновых кислот, в которых водород гидроксигруппы замещен на радикал 4. Сложные эфиры могут образовывапгься ш только из карбоновых, но и из неорганических кислот (этилнитрат CJH^-O-NO^) Наименование. Наименования сложных эфиров очень часто схожи с наименованиями солей. Например, CHjCOOCjHj- этилацетат, HCOOCHj- метилфор-миат; наименование сложных эфиров образуется также прибавлением слова эфир к наименованию кислоты и спирта, которые образовали этот' эфир: СН3СООС2Н5 - уксусно-этиловый эфир; НСООСН3 - муравьино-метиловый эфир. Физические свойства. Сложные эфиры монокарбоновых кислот обычно жидкости с приятным фруктовым запахом (уксусно-изоамиловый эфир - запах груши, масляно-бутиловый эфир - запах ананаса). Сложные эфиры, образованные из высших спиртов и высших кислот, твердые, не обладаюнще запахом вещества. Обычно они плохо растворимы в воде, а в спирте и эфире - хорошо. Распространенность в природе. Многие эфиры входят в состав эфирных масел и составляют основу фруктового и цветочного запаха. Получение. Природные эфиры извлекаются из растений с помощью органических растворителей {экстракция). В производстве сложные эфиры получают реакцией этерификации (смотри предыдущие темы). В этой реакции в образовании воды участвует гидроксогруппа кислоты и водород спирта. Химические свойства. Сложные эфиры под воздействием воды подвергаются омылению. Гидролиз эфиров является обратным процессу этерификации, т.е. сложный эфир расщепляется при нагревании и при добавлении в воду небольшого количества неорганической кислоты или щелочи. Поэтому, чтобы сместить равновесие 150 IV глава. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ этерификации в сторону образования эфира, необходимо отгонять образующийся эфир или брать в большом количестве исходные спирт или кислоту. СНз-С \ о 0-С2Н5 + Нго:^:^ снз—с. +С2Н5ОН \)Н Добавление щелочи приводит к необратимости гидролиза, так как получающаяся кислота образует с щелочью соль. СНз—С \ ^ + NaOH —► СНз—С2Н5ОН uNa О-С2Н5 Ощельные представители. Важнейшие представители сложных эфиров - это жиряы. Жиры - это сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и карбоновых кислот. В образовании масел и жиров участвуют: из насыщенных кислот-стеариновая - СНз-(СН2),^-СООН, пальмитиновая СНз-(СН2),4-СООН; из ненасыщенных - олеиновая - СНз-(СН2)7-СН=СН-(СН2),-СООН. В природе основным источником масел и жиров являются животные (подкожный жир и жир в составе молока) и растения (масла, входящие в состав семян и плодов). Природные масла и жиры это триглицериды с различными радикалами кислот. В составе природных жиров и масел кроме триглицеридов имеются и другие вещества, витамины, флавоноиды, красители, свободные жирные кислоты, моно-и диглицериды, каротиноиды. Жиры, образованные преимущественно предельными жирными кислотами, твердые (животные жиры - бараний, говяжий), масла, образованные непредельными жирными кислотами - жидкие (растительные масла - хлопковое, подсолнечное, соевое, кукурузное, оливковое, кунжутное). Масла и жиры легче воды и не растворимы в ней, образуют эмульсии, однако хорошо растворяются в органических растворителях. Жиры и масла обладают свойством сорбировать запахи, поэтому они применяются для получения ароматических веществ из цветов. Они не обладают постоянством состава и поэтому для них не характерна определенная температура плавления. Так как жидкие жиры образованы ненасыщенными жирными кислотами, в промышленности, в присутствии катализатора, например никеля, они насыщаются водородом, т.е. гидрируются и переходят в твердое состояние, образуя маргарины и саломассы, что очень удобно при транспортировке. § 41. Сложные эфиры 151 Гидролизом масел и жиров (в качестве катализатора могут быть использованы оксиды магния, кальция, цинка) получают чистый глицерин, карбоновые кис-лот'ы и мыла. О. СНз—О—С—R I О. СНг—О—С—R + 3NaOH -н СНз—О^—R СНз—ОН I .^о -СНг—ОН -b3R-C:f I ^ONa СНз—ОН мыло Масла и жиры получают из природных источников, т.е. выделяют из животных и растительных организмов. Получение масел путем этерификации глицерина и жирных кислот (синтез французского учёного М. Бертло, 1854) для промышленности нерентабелен. С биологической точки зрения масла и жиры для организма являются основным источником энергии. При употреблении в пишу, масла и жиры под воздействием определенных ферментов гидролизуются, восполняя запасы энергии, или из образованных продуктов синтезируются новые молекулы масел, соответствующие этому организму. Большое количество масел и жиров, кроме пищевых целей, применяется в производстве мыла, глицерина и карбоновых кислот, алифов и лаков, фармацевтических и косметических препаратов. Элементы ЗУН: сложные эфиры, жиры, твердые и жидкие жиры, мыло. Вопросы и задания 1. Напииште реакцию образования моноэтилового спирта, 2. Hanuuaime уравнение гидролиза уксусно-бутилового эфира. Назовите образованные продукты. $. Почему 1целочь сдвигает равновесие процесса гидролиза в сторону образования продуктов? 4, Напишите изомеры Назовите их. 5. Сколько необходимо триглицеринстеарина, чтобы получить 0,03 кг глицерина если считать, что в исходном продукте 85% мааю гидролизуется? 6. Сколько типов масел может образоваться из глицерина и пальмитиновой, спюариновой и олеиновой кислот? Напииште формулы и назовите их. 7, Напииште необходимые уравнения химических реакций, чтобы осуществить следующие превращения: СаСО} —^ СаО —э CaCj —э С2Н4 —э C2H2CI —э 'I' СНз — СГ СНз СООН ^ СНз — ^ Н О 'О — CjH, 8, Какие вещества для придания аромата используются в производстве парфюмерии? 152 1Уг7ава ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ § 42.^ Синтетические и искусственные моющие средства 1| Знаете ли вы моюи(ие средства, производящиеся в Узбекистане? Что вы знаетео практическом значении моющих средств? В настоящее время нашу жизнь трудно представить без моющих средств. С древних времен человечество пользовалось этими средствами. Первоначально использовали только воду, затем золу, различные растения и выжимки из семян, а также водный раствор, полученный при нагревании золы и масел. Начиная с XVIII века появилось мыло, приготовленное путем обработки масла щелочью. В настоящее время используются различные моющие средства, так как из-за необходимости экономии ценного продукта - масел и жиров возникла потребность поиска путей получения мыла и моющих средств из продуктов непищевого происхождения. Карбоновые кислоты, необходимые для производства мыла, получают путем окисления парафина, на основе же солей сложных эфиров высших спиртов и серной кислоты с общей формулой К-СН^-О-ЗОз-ОЫа получают новые алкилсульфатные моющие средства. Из-за способности хорошо растворяться (в отличие от других обычных мыл), кальциевые и магниевые соли вышеназванных эфиров обладают моющими способностями и в жесткой воде. Составную часть всех синтетических моющих порошков, выпускаемых сегодня, составляют алкилсульфаты. Синтетические моющие средства позволяют экономить сотни тысяч тонн пищевого сырья - растительных и животных масел и жиров. Многие моющие средства при использовании не расщепляются и, попадая в водные бассейны, являются причиной загрязнения окружающей среды. Поэтому создание моющих средств, разлагающихся в результате жизнедеятельности микроорганизмов, является в настоящее время одной из актуальных задач, стоящих перед химией. Элементы ЗУН: ^ы-по, синтетические моющие средства, защита окружающей среды. ш Вопросы и задания ] Найдите сведения об использовании нашим народом моющих средств в давние времена, 2 Составьте список моющих средств, которые продаются в магазине вашего района. § 43. Cnipoeme угкводов и классификащя 153 УГЛЕВОДЫ § 43. J Строение углеводов и классификация Чем можно объяснить сладкий вкус винограда, >рюка и других фруктов? Среди органических веществ есть класс соединений, без которых невозможно представить обмен веществ и энергии в живых организмах. Это углеводы. Углеводы являются источником энергии в организме человека. Около 70% пищевых продуктов, употребляемых человеком, состоят из углеводов (хлеб, картошка, рис, сахар). Гкани и бумага изготавливаются из углеводов. Углеводы образуются в процессе фотосинтеза в организмах растений из углекислого газа и воды. В сухих частях растений встречается до 80%, а в организмах человека и животных до 20% углеводов. Хотя название “угаеводы” осталось, оно связано с эмпирической формулой молекул, то есть, если рассматривать C^(HjO)^ (где п и m>3) формулу, то кажется, что молекула состоит из атома углерода и молекулы воды (например, уксусная кислота соответствует формуле С2(Н20)2, а формальдегид- СН^О, но они не являются углеводами). На самом деле это сложные вещества. В большинстве случаев их называют сахарид ами (сахарами). Углеводы - сложные вещества, состоящие из углерода, кислорода и водорода. Классификация и номенклатура. Углеводы подразделяются на три группы: • Моносахариды - глюкоза, фруктоза .„(не гидролизуются). • Дисахариды - сахароза, мазьтоза ... (в результате гидролиза образуются две молекулы моносахарида). • Полисахариды - крахмал, целлюлоза ... (высокомолекулярные соединения, в результате гидролиза которых образуется п молекул моносахаридов). Глюкоза Физические свойства и распространенность в природе. Глюкоза (виноградный сахар) - С^Н,20^ - бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Она встречается во всех частях растений: плодах. 154 IVzmea. ОРГАНИЧЕСКИЕСОЕДИНЕНИЯ корнях, листьях, цветах, в стебле. Особенно, в больших количествах она имеется в вин(лраде,саха1»юмтросгаике, сахарнсйсвекле,сладких фруктах. В тфови человекаимеется около0,1%1лкжозьт Строение. В молекуле глюкозы определены следующие функциональные группы: Альдегидная-СНО. Первичная спиртовая -СН^ОН. Вторичная спиртовая -СНОП. Немецкий ученый Е.Фишер, изучив химические свойства, предложил формулу глюкозы, которая соответствует формуле альдегидосгшргт. н н н н н н—с—с—с—с—с—с. I I I I I он он он он он \ н Этот альдегидоспирт имеет линейную структуру, которая состоит из шести атомов углерода, включает альдегидную группу и, соответственно, является альдогек-созой. Однако, бьшо установлено, что наряду с молекулами, строение которых соответствует открытой цепи, существуют молекулы циклического строения. Образование циклического строо^шя можно объяснить следующим образом. Углеродная цепь вследствие вращения атомов относительно s-связи может быть не только вытянутой, но и изогнутой. При этом карбонильная группа-С=0 мо-жет близко подойти к пятому атому углерода, и, в результате появления внутримолекулярного взаимодействия, между первым и пятым атомами углерода через атом кислорода появляется связь. Таким образом образуется шестичленное кольцо - полуацеталь-ная форма глюкозы (полиацеталем называется продукт, образующийся в результате внутреннего взаимодействия спиртовой группы и альдегида или кетона, имеющиеся в составе соединения). Н С— к?« I н он О с Н СН20Н сн,он 1 ^ 1Л |\?« \ -с он и |\Г 1 -О^рн -с н он \ и он 1 н он Циклическая молекула не имеет альдегидную группу, вместо нее имеет ОН-группу, прикрепленную к первому атому углерода, которую называют полиацетатной щцро-ксигруппой. Она по сравнению с гидроксигруппой спирта активна и легко вступает в реакцию. Относительно плюскостикольцаэтагруппаможетбьпърасположенапоразншу - в вьпие указанной формуле зла труппа расположена под птоскостью кольца молекулы и называсчся а-формой. В р-форме эта группа расположена над птоскостью кольца. ^43. Строение углеводов и классификация 155 • В1811 году русским химиком К.С.Кирхгофом путем гидролиза был получен крахмал. Химические свойства. Глюкозе присущи химические реакции, характерные альдегидам, спиртам и циклическим соединениям. Глюкоза так же как альдегид обладает восстановительными свойствами и вступает в реакцию серебряного зеркала: СНрН-(СНОН),-СНО + Ag,0 СН20Н-(СН0Н),-С00Н + 2Agi При окислении глюкозы гидроксвдом меди (П) образуется гпюконовая кислота и осадок красного цвета-оксид меди (I): СН20Н-(СН0Н)^-СН0+Си(ОН)2 СНзОН-<СНОН),-СООН+CUjOi +нр Проявляя окислителышю свойства при взаимодействии с водородом, гшокоза восстанавливается, образуя спирт (сорбит - шестиатомный спирт): СНрН-(СНОН),-СНО + -> СНрН-(СНОН)^-СНрН Вьпиеуказанные реакции подтверждают наличие альдегидной группы в молекуле глюкозы. Как многоатомный спирт глюкоза также вступает во взаимодействие с гидроксидами металлов: СбН70(0Н)5 + Са(ОН)2—► СбН70(0Н)з(^)Са + 2Н2О СбН70(0Н)5 + Си(ОН)2—► СбН70(0Н)з^^)Си -ь 2Н2О Сахарат меди - вещество синего цвета и на основе этой реакции в медицине делают анализ мочи для определения в ней сахара. При взаимодействии спиртов с полиацетатной гидроксигруппой глюкозы образуются гликозиды - вещества, сходные эфирам. сн,он I ^ снрн I ^ 1 \9^ OHhc ‘V* у1 Ьг У'о он + но -СНз 1 н он 1 Н он + нр СНз 156 /Угмва ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Брожение. Под воздействием биологических катализаторов происходит брожение глюкозы. Известны несколько разновидностей брожения: спиртовое, кислотное и др. Например, под воздействием окислительных ферментов глюкоза подвергается спиртовому брожению, в результате образуется этанол и углекислый газ. СвН,А 2С2Н5ОН -ь 2СО2 Под воздействием других ферментов могут образоваться уксусная кислота, масляная и молочная кислоты, изопропиловый спирт, ацетон. Окисление. В организме человека и животных в результате окисления глюкозы вьщеляется энергия, столь необходимая для жизнедеятельности живых существ. Получение и применение. В промьппленности глюкоза образуется при гидролизе крахмала и клетчатки (соединительная ткань растений, которая состоит из целлюлозы) (смотри гему «Полисахариды»). Глюкоза применяется в медицине, в производстве кондитерских изделий, зеркал и елочных игрушек (на основе реакции серебряного зеркала), а также она применяется для обработки тканей и кожаных издетшй. Фруктоза Фруктоза (фруктовый сахар С^Н^^О^) - бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, слаще глюкозы, входит в состав меда и фруктов. Фруктоза, являясь кетоноспиртом, входит в группу гексокетоз и является изомером глюкозы. Также как и глюкоза, она существует в циклических формах. НОННИН н—(t—i!—i—(t—i—с—н (^Н (*)Н(*)НОНОН Также как и глюкоза, фруктоза проявляет свойства спиртов - образует сахараты и сложные эфиры, не гидролизуется. Этот ценный пищевой продукт, который в 1,5 раза слаще сахарозы и в 3 раза-глюкозы, легко усваивается организмом (люди, подверженные диабету, легче усваивают фруктозу, чем сахарозу). Элементы ЗУН: углевод, моносахарид, дисахарид, полисахарид, глюкоза, строение, спиртовое брожение, фруктоза. Знаете ли вы состав сахара, употребляемого в пищу? Физические свойства и распространенность в природе. Сахароза (продукт, получаемый из сахарной свеклы или сахарного тростника CjjHjjO,,) и мальтоза (молочный сахар - С,2Н220,,) - белое кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Мальтоза, в основном имеется в сосгаве молока животного происхождения. Строение, Сахароза является дисахаридом циклической глюкозы и фруктозы, а мальтоза - дисахарид глюкозы, две молекулы которой соединены посредством атома кислорода. В молекулах сахарозы и мальтозы нет ни альдегидной, ни карбонильной, ни полу-ацетальной гидроксильной групп. Они имеют только гидроксильную группу и тем самым по своим химическим свойствам отличаются от моносахаридов. с,ЛР„ нр с.н,р. + с.н„о, сахароза глюкоза фруктоза Поэтому их называют дисахарвдами. Дисахариды легко взаимодействуют с гидроксидами металлов, при вливании раствора сахарозы к гидроксиду меди (II) образуется сахарат меди ярко голубого цвета. О, С„Н^О„ + Си(ОН), ^ С„н»0,< Си н- 2СНР При взаимодействии раствора сахарозы с суспензией гидроксида кальция получается водорастворимый сахарат кальция. Дисахариды отличаются от моносахаридов отсутствием реакции «серебряного зеркала» и неспособностью восстанавливаться под влиянием других восстановителей. Получение и применение. В промышленности сахарозу получают из сахарной свеклы или сахарного тростника, а мальтозу - из промежуточных продуктов, образующихся пра гидролизе полисахарвдов. Они широко применяются в пищевой промьпп-леанности. 158 IVzwea. ОРГАНИЧЕСКИЕСОЕДИНЕНИЯ Элементы ЗУН: сахароза, гидролиз, мальтоза, сахарат меди. Вопросы и задания 1- Напииште уравнения реакций, где демонстрируюпкя наличие альдегидной и гидроксильной группы в глюкозе. 2. В какой форме существует глюкоза в pacnteopax? 3. Чем отличается друг от друга формы глюкозы? 4. Напииште уравнения реакции получения сахарата кичьция из сахарозы. 5. Почему моносахариды не гидролизуются? 6. Раскажите о кчассах углеводов. Одинаков ли основной химический состав стеблей хлопчатника, древесины, картошки, пшеницы, риса, кукурузы? Полисахариды, образуя класс веществ, составляющих основу тканей живых организмов, считаются строительным материалом и источником питательных веществ. Крахмал Физические свойства и распространенность в природе. Крахмал представляет собой белый порошок, не растворимый в воде, спирте, эфирах. В горячей воде набухает и образует коллоидный раствор - клейстер. Крахмал-чрезвычайно распространенный растительный углевод он образуется в листьях в результате фотосинтеза и накапливается в корнях, корневых клубнях, c^ менах, зернах. Клубни картофеля содержат около 20% крахмала. Зерна пшеницы и кукурузы — около 70%> Риса — около 80%. Процесс фотосинтеза можно выразить следующим обобщенным уравнением: бпСО^+SnHjO +hv +хлорофилл -> (CjH,qOj)^ + бпОз Строение. Крахмал является природным полимером, и его строение выражается общей формулой. Макромолекулы крахмала неодинаковы по своей сгрук- 159 туре и числу звеньев: наряду с молекулами линейной структуры, число звеньев С^Н,(,05 в которых достигаег нескольких сотен, а молекулярная масса несколько сотен тысяч, имеются молекулы разветвленной структуры, в которых несколько тысяч звеньев CjHjoOj, а молекулярная масса- несколько миллионов. Определено, что молекула крахмала построена из остатков молекул а-глюкозы, которая представлена ниже: СН2ОН н Л------^ iX н с. г н I \ он -JN- н н л Ан остатки а- глюкозы Химические свойства. Подобно альдегидам крахмал не обладает восстанавливающими свойствами. Гидролиз. При нагревании с водой в присутствии кислот или ферментов крахмал подвергается гидролизу. Сначала образуются промежуточные продукты с меньшей молекулярной массой, чем у крахмала - полисахариды, декстрин, затем изомер сахарозы - мальтоза, конечным продуктом гидролиза яшы-ется глюкоза: (СбН.А)„ крахмал декстрин xCjjHjjOn ■ мальтоза А глюкоза Процесс гидролиза схематично можно изобразить следующим образом: (С,Н,,0,)„ + пНр!^пС,Н,А 1^хмал глюкоза Способность гидролизоваться - важное химическое свойство крахмала. Получение глюкозы в промышленности основано на этом свойстве крах.мала. Взаимодействие с йодом. При взаимодействии с йодом крахмал приобретает синюю окраску и это яатяется качественной реакцией крахмала и йода. Получение и применение. Крахмал в основном получается из картофеля, риса и кукурузы. Крахмал, имеющийся в пищевых продуктах (хлебе, картофеле, зерновых прод>тс-тах), является основным источником, удовлетворяющим потребности человека в углеводах. В организме крахмал также как и жиры гидролизуется, и организм усваивает конечный продукт- глюкозу. 160 1Угтва ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЩИНЕНШ Крахмал применяется в производстве антибиотиков, витаминов, кондитерских изделий, медицине, для подкрахмаливания белья. Крахмал также используется для производства декстрина, этанола, глюкозы и других веществ. Целлюлоза Физические свойства и распространенвость в природе. Целлюлоза (клетчатка) -белое твердое волокнистое вещество, не имеющее вкуса и запаха, не растворимое в воде и органических растворителях и не обладающее постоянной температурой плавления. Широко распространена в природе. Она составляет основную часть клеток высших растений. Гигроскопическая фильтровальная бумага состоит из относительно чистой целлюлозы. Строение. Целлюлоза также как и крахмал является природным полимером и его состав выражается общей формулой (CjHioOj)^^, Некоторые молекулы целлюлозы содержат до 40 тыс. CjH,pOj звеньев (средняя молекулярная масса достигает нескольких миллионов). Однако, хотя крахмал и целлюлоза имеют одну и ту же молекулярную формулу, их строение отличается друг от друга. Макромолекулы крахмала образованы молекулами ачглюкозы и имеют линейную и разветвленную структуру, макромолекулы целлюлозы состоят из остатков молекул р-глюкозы и имеют только линейную структуру. В результате, в отличие от крахмала, целлюлоза образует волокнистые материалы и не является пищевым продуктом. В молекуле целлюлозы нет ни альдегидной, ни карбонильной, ни полуацетальной гидроксильной групп. Она имеет только спиртовую гидроксильную группу и проявляет химические свойства многоатомных спиртов. Химические свойства. Целлюлоза не проявляет свойств альдегидов. Не наблюдаются ее восстановительные свойства- реакция «серебрянного зеркала», ьк взаимодействует с гидрокисью меди. Гидролиз. Целлюлоза, также как крахмал, под действием разбавленных кислот гидролизуется, и конечным продуктом при этом является глюкоза. Процесс гидролиза выражается следующим общим уравнением: § 45. Полисахариды 161 (ОД„0,)„ + пН,0-^пС,Н.,0, Гидролиз-важное свойство целлюлозы. Из продукта гидролиза - глюкозы производят этанол. Этанол, получаемый из древесины, называют гидролизным спиртом. При получении гидролизного спирта 1 тонна древесины заменяет 1,5 тонны картофеля или 0,7 тонн зерна. Реакция этерификации. В каждом СеН,„Оз звене целлюлоза имеет три гидроксильные группы и за счет этих групп она образует простые и сложные эфиры. Это считается одни.м из важных свойств целлюлозы. Большое значение имеет способность целлюлозы образовывать с концентрированной азотной кислотой в присутствии концентрированной серной кислоты сложные эфиры -моно, -ди, -тринитроце.шолозу: [СДОз(ОН)з]„ + ЗпНЫОз [СДО2(0^02)з1„ + ЗпНр Нитраты целлюлозы - чрезвычайно горючие вещества. Тринитроцеллюлоза (пироксилин) применяется при изготовлении взрывчатого бездымного пороха. С уксусной кислотой целлюлоза образует ацетатные эфиры (ди- и триацетат-целлюлозы). [С,Нр2(ОН)з]„ + 2пСНзСООН [С,Нр2(СХ:ОСНз)2(ОН)]„ + 2пЩО диацетатцеллюлозы [СД02(0Н)з]„ + З11СН3СООН-» [С^Н^Оз(ОСОСНз)з]„ + ЗпНзО триацетатцеллюлозы Ди- и триацетат целлюлозы применяется для получения ацетатного волокна. Человечество дтя изготовления одежды и предметов народного хозяйства из древле применяло природные волокна (лен, кенаф, хлопок, шерсть, шелк). В настоящее время широко применяются химические волокна, которые получены химическим путем. Химически переработанные природные волокна назьшается искуственными, волокна, получаемые из синтетических материалов -синтетическими. Искусственное ацетатное вотокно достаточно прочное, мягкое, не пушится, обладает приятным переливом, и другими ценными свойстваими. Недостатком этих волокон является их малая гигроскопичность, по сравнению с хлопком, и способность электризоваться. Горение. Целлюлоза хорошо горит. (Ср^РХ + бпСОз + 5пНзО 11 - Химия, 9 класс. 162 1Углава. ОРГАНИЧЕСКИЕСОЩИНЕНИЯ Термическое расщепление. Целлюлоза расщепляется при нагревании ее без доступа воздуха. При этом обра^ется древесньхй уголь, вода и летучие органические вещества: метанол, уксусная кислота, ацетон и другие. Применение. В качестве древесины целлюлоза используется в строительстве, в быту, а как волокнистое вещество (хлопок, кенаф, лен) - для изготовления тканей, нитей, канатов. Большая часть целлюлозы применяется в производстве бумаги, этанола, хлопкового линта, для получения простых и сложных эфиров, являющихся основным сырьем в производстве искусственного волокна (ацетатное, висксоное), а также в производстве искусственной кожи, пластмасс (целлюлоид , целлофан), лаков, электроизоляционных покрытий, ионитов, медицинского коллодия. Элементы ЗУН: крахмал, строение, целлюлоза, гидролиз, ацетат целлюлозы, природные, искуственные и синтетические волокна. Вопросы и задания 1. На основе каких экспериментов можно отшчить глюкозу, сахарозу, крахмал и целлюлозу? 2. Напишите молекулярную формулу глюкозы, сахарозы, крахмала и целлюлозы. 3. Какое из веществ подвергается гидролизу: фруктоза, глюкоза, сахароза, крахмал и целлюлоза? Укажите их схожие и отличительные свойства. 4. Напишите уравнение реакции, доказывающее, что целлюлоза — многоатомный спирт. 5. Определите массу глюкозы, получаемую из 250 кг древесины, которая состоит из 50% целчюлозы. Определите количество спирта, получаемое из этой глюкозы, если степень ее превращения составляет 80%. 6. Как в природе образуется целлюлоза? Напишите соответствующие уравнения реакции. 7. Как из древесины выделяется целлюлоза? 8. Какой оъем двуокись углерода образуется при полном окислении 0,25 моль сахарозы при нормальных условиях? 9. Какой объем этанола образуется (р = 0,8гр/мл) из 1 тонны картошки, содержащих 20 % крахмала? 10. При горении 0,9 гр вещества, имеющего 180 г/моль образуется 1,32гдвуокис углерода и 0,54 гр воды. Определите формулу вещества 11. Напишите уравнение реакции, подтверждающее, что целлюлоза многоатомный спирт. 12. Определите массу глюкозы полученную из 250 кг древесины, содержащую 50% целллюлозы. 163 АЗОТОСОДЕРЖАЩИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ^ Амины ■Я Можно ли из известняка получить амины? (Подтвердите свой ответ уравнением химической реакции.) Азотосодержащие органические соединения подразделяются на различные классы: нитросоединения, амины, аминокислоты и др. Несравнима биологическая роль азотосодержащих веществ в природе. Белки, являющиеся составной частью всех живых организмов, состоят из аминокислот. /г: Аминами называются сложные вещества, образованные в результате замещения в аммиаке 1\’Н^ одного, двух или всех атомов водорода на углеводородные радикалы. Если в молекуле ашишка замещен один атом водорода, то это первичный амин —R'. Если в молекуле аммиака замещены два атома водорода - вторичный а.чнн R'-NII-R^ (или R'-R^). Если в молекуле аммиака замещены все атомы водорода, это -третичный амин: R'-NR^-R^ (или R'=R^=R^), По природе углеводородородных радикалов аминосоединения подразделяются: • Алифатические амины; • Алициклические амины; • Ароматические амины; • Гетероциклические амины и другие. Номенклатура. Название первичных аминов образуется путем прибавления слова-амин к названию соответствующих углеводородных радикалов. В названии, впереди, ставится цифра, указывающая тот углерод углеводорода, к которому прикреплена аминогруппа: CHj-NHj метанамин СН--СН(ЫН,)-СН,-СНз 2-бутанамин 164 IVглот. ОРГАНИЧЕСШЕСОЕДИНЕНШ Образование названия симметричных аминов с одинаковыми радикалами происходит путем прибавления префикса ди-, три- к названию вторичного и третичного аминового радикала: NH(CgH^2-дифениламин, (CH3)3N-TpHMerHHaMHH. Изомерия. Изомерия аминов связана с углеводородной цепью и положением аминогруппы. Амины состава C^H^NH^ 1) CH3-CH2-CH2-CH2NH2 4) СНз-СН,-СН-СНз 2) CH3-CH-CH,NH, 3 1 2 2 NH^ СН3 5) CH3-CH2-CH2-NH-CH3 СН3 6) CH3-CH2-NH-CH3-CH3 3) CH3-C-NH2 7) j 1 Z 0 СН3 CH3 Электронное строение. Все амины, так же как и аммиак, обладают свободной электронной парой. За счет этой электронной пары атом азота присоединяет к себе воду и протон кислоты Н*. Поэтому амины подобно аммиаку проявляют основные свойства. Амины - органические основания. Их молекулы полярны. Взаимодействие атомов в молекуле. Природа индукционного воздействия радикалов алифатических аминов сильнее, чем у аммиака, а ароматические амины, как основания, слабее, чем аммиак. В ароматических аминах по мере возрастания числа углеводородных радикалов основные свойства уменьшаются, а у алифатических аминов усиливаются. Основные свойства в ряду аммиака, первичных, вторичных, третичных и ароматических аминов усиливаются в следующем порядке: (qH5)3N-^(qH5)2NH^qHjNH2->NH3->RNH2-^R2NH-^R3N В свою очередь аминогруппа также оказывает воздействие на углеводородный радикал. В ароматических аминах атом водорода обладает большей подвижностью, чем в свободном бензоле. Например, анилин C^HjNH^ по сравнению с бензолом легче вступает в реакции замещения. Предельные алифатические амины Физические свойства. Приведенные ниже метиламин, диметиламин, тримети-ламин - газообразные вещества с аммиачным запахом, хорошо растворимые в воде. ^46. Амины 165 Средние представители гомологаческого ряда - жвдкосги, высшие представители -твердые вещества, без запаха и нерастворимые в воде. Химические свойства. Химические свойства аминов сходны с аммиаком. Им характерны свойства оснований. Свойства оснований. Взашюдействие с водой. Амины растворяются в воде с образованием ионов алкиламмония [RNH^]^, при этом происходит накопление ОН' ионов в растворе: R-NH^ + НОН = [RNHjjOH = [RNHJ^ + ОН" В результате этого водные растворы аминов имеют щелочную среду. Индикатор изменяет цвет; фенолфталеин - на рсвовый, а лакмус- на синий. Ион алкиламмония по своему строению похож на ион а.ммония, при этом азот проявляет четырехвалент-ностъ и степень окисления, равную 3. Взашюдействие с кислотами. Амины, также как и аммиак, взаимодействуют с минеральными киалотами с образованием солш алкиламмония. R-NH^ + НС1 = [RNH J • на = [RNHj]^ • Cl* Эта реакция осуществляется и в газообразном и жидком и твердом состоянии. Образующиеся соли - твердые вещества, хорошо растворимые в воде. В водных растворах находятся в диссоциированном состоянии. Под воздействием щелочей (особенно при нагревании) расщепляются до свободных аминов. Горение. В отличие от аммиака амины на воздухе горят (вспомните при каких условиях горит аммиак): 4СН, NH2 + 9O2 ► 4CO2+IOHP + 2N2 Анилин - представитель ароматических аминов Среди аминов больщое практическое значение имеет анилин (бензоламин, фени-ламин). C^HjNH^- первичный ароматический амин. Физические свойства. Бесцветная маслянистая жидкость, со специфическим запахом, малорастворимая в воде. Сильно ядовит. Темнеет вследствие частичного окисления на воздухе. Химические свойства. Свойства оснований. Анилин-слабое основание. Фенильный радикал C^Hj обладающий отрицательным индукционным эффектом, притягивая к себе неспаренные электороны азота аминогруппы, уменьшает электронную плотность азота и ослабляет связанность водорода. Поэтому свойства оснований у анилина слабее, чем у алифатических аминов (вспомните, что в результате притяжения фенильного радикала фенола электронами гидроксильной группы ослабевает связанность водорода и усиливаются кислотные свойства). Анилин не взаимодействует с водой и его водные растворы не изменяют цвет индикатора. 166 IVzjma. ОРГАНИЧЕСИКЕСОЕДИНЕНИЯ Взаимодействие с кислотами. С сильными кислотами анилин образует сохш. А при воздействии на них щелочи он выделяется в свободном состоянии. Реакция с участием бензольного ядра. Атомы водорода бензольного ядра анилина легко замещаются галагенами, нитро- и сульфогруппами. Эта реакция протекает легче, чем у бензола, заместители располагаются в орто- и пара-пол ожении относительно аминогруппы, имеющей заменитель 1 -рода. При воздействии на анилин бромной воды образуется осадок белого цвета (бензол не взаимодействует с бромной водой). Вг + ЗНВг Окисление. Под воздействием кислорода воздуха и других окислителей анилин легко окисляется с образованием цветных продуктов. Одна из чувствительных реакций - реакция с хлорной известью СаОС!^, которая применяется как качественная реакция на анилин, образующая характерный фиолетовый цвет. Под влиянием смеси бихромата калия и серной кислоты образуется продукт черного цвета - анилиновый черный. Черный анилин не растворим в воде и устойчив к воздействию мьша и света, поэтому он применяется при окрашивании тканей и стекол. Получение и применение. Анилин - один из важнейших продуктов химической промышленности. Он является сырьем для получения многочисленных анилиновых красителей, лекарств (сульфаниламидов), взрывчатых веществ, высокомолекулярных веществ и Т.Д. Получение анилина основано на восстановлении нитробензола (русский ученый Н.Н.Зинин, 1842 г): В общем виде эта реакция имееет следующий вид CjHjNO^ + en • C,H5NH2 + 2H20 Н.Н.Зинин применял сульфид аммония, в настоящее время в лабораторных условиях анилин получают восстановлением нитробензола в присутствии железа и соляной кислоты, в промыщленносга же - каталитическим восстановление.м водорода* 4C,H5N02 + 9Fe + бНр 4C,HjNH2 +ЗРезО, Элементы ЗУ И: амины, алифатические-амины, метиламин, изомерия, анилин, реакция Зинина. § 47. Аминокиаюты 167 §47 j Аминокислоты Что вы знаете о биологическом значении аминокислот? ---------------------- — ------------- • ----------------- • Аминокислоты-это органические соединения, где к углеводородному радикалу присоединены ачиногруппа и карбоксильная (-СООН) группа. • Общая формула аминокислот - NH^-R-COOH. _____________________J По расположению аминогруппы относительно карбоксильной группы аминокислоты подразделяются следующим оброзом: Строение. Молекулы аминокислот имеют две функдаональные группы с противоположными химическими свшствами. Если аминогруппа обладает основными свойствами, то карбоксогруппа - кислотными. Эти две группы образуют в молекуле внутреннюю соль (биполярный ион): NH2-R-CCЮH =NH3^-RCOO- Биполярность аминокислот объясняется растворимость в воде, нейтральность водных расгворов, кристаллическое строение твердых солей, относительно высокая температура плавления. В состав аминокислотного радикала могут быть различные; гидрокси -ОН, тио -S, тиол -SH и другие функциональные группы. /Г Важнейшие а.чинокислоты - это Огоминокислоты, которые являются основной молекулы белки. Многие аминокислоты имеют тривиальные названия, а по международной номенклатуре к названию соответсгвукяцет! карбоновой кислоты прибавляется префикс-амино. В таблице 19 приведены формулы, названия и классы некоторых аминокислот; 168 IVглава ОРГАНИЧЕСКИЕСОЕДИНЕНИЯ Некоторые аминокислоты которые встречаются в природе Таблица 19 Формула Название Классификация Эмпирическая Историч. Международное NH^CHjCOOH Глицин Аминоэтановая кислота Алифатическая прилсльная моноамино-монокарбонсжая кислспа СНзОН(МН2>СООН Атанин а-аминшропанкарбо-новая кислота CH,CH(CH3)CHjCH(NH,XXX>H Лейцин а-амино-у-^ютилпен- тановаякисюта СНзСНзСН(СНз)СН(>Ш,)СООН Изатейцин a-aNiHHO"P-McrnuineH-тановая кислота МНз(СНз),СН(МНз)СООН Лизин о^“Диаминогек-сановая кислота Алифатическая предельная диами-н(»юнокарбоновая HCxx:(CH3)jCH(NH,xx>OH Глутамин а-аминопентадикар- бшоваякшюта Моноаминоди- карбоновая ед-сНзСН(мНз)соон Фшил- аланйн а-аминоЧ5ч^н>штро-11ановая кислота Ароматическая ьюноамзшсмсязо- карбоновая НО-СНзСН0ЧНз)СООН Сершз с^^мино-^-шдроксипро-пановая кжхлота Моноаминомсяю- карбоновая HS-CH^CH(NH3)COOH 1Дисгеин о-амино-р-тиолпропа-новая кислота Моноамшюмслю- карзбоновая Изомерия. Аминокислотам свойственна структурная и стереоизомерия. Если структурная изомерия аминокиа ют связана с положением функциональных групп и со строением углеродного скелета, то стереоизомерия связана с асимметрией атома углерода, который может быть связан с четырьмя различными заместителями. Стереоизомеры проявляют оптическую активность и их называют оптическими изомфами. Хотя оптические изомеры обладают одинаковыми физическими (температуры плавления и кипения, плотность) и химическими составами, один из них отклоняет поляризованный луч (L или (-)-форма) влево, а другой (Д или (+)-форма) в право. соон I H2N-C-H I R СООН I H-C-NH2 I R L(-)- Д (+)- §47. Аминокислоты 169 Физические свойства и распространенность в природе. В природе аминокислоты встречаются в свободном состоянии и в составе других соединений. Все растительные и животные белки состоят из аминокислот. Аминокислоты -бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, многие из которых обладают сладким вкусом. Химические свойства. Аминокислоты являются органическими амфотерными веществами и демонстрируют свойства и оснований и кислот. Отличие от неорганических амфотерных веществ состоит в том, что их амфотерностъ определяется наличием разлшшых функшональных групп. Амшюкислоты образуют биполярные ионы. Влияние на цвет индикатора. Моноаминомонокарбоновыеи диаминодикарбоно-вые аминокислоты не изменяют цвет индикатора. Диаминомонокарбоновые аминокислоты проявляют основные, а моноаминодикар^новые кислоты - кислотные свойства и в зависимости от этого по разному изменяют цвет индикатора. Кислотные свойства (реакции идут за счет карбоксильной группы). Аминокислоты также как обычные кислоты реагируют с металлами, окевдами металлов и щелочами с образова1шем солей. Также как органические и неорганические кислоты образуют со спиртами сложные Э(})иры. Свойства оснований (реакции идут за счет аминофуппы). Аминокислоты, подобно аминам, реагируют с сильными минеральными кислотами с образованием солей. Отличительные}к’акции. Аминокислотам характерна реакция поликонденсации с <)бразованием полипептидов: NH^-R-CO-OH + H-NH-R-COOH ^ NH^-R-CO-NH-R-COOH + Нр /Г Чй Группа -CO-NH- атомов называется пептидной (амидной) группой, связь между углеродом и азотом называется пептидной (амидной) связью. Из двух молекул аминокислоты образуется dunetvnud, из трех - пцлтептид, из четырех - тетрапептид и т.д. В молекулах белка аминокислоты связаны друг с другом посредством пептидной связи. Синтез белка в организме человека и животных можно представить по этой простой схеме. Поликонденсацией аминокапроновой кислоты образуется капрон: HjN-(CH2)j-CO-OH + H-NH-(CHj)5-CO-OH + H-NH-(CH2)5-C00H ^ H2N4CH2)j-CO-NH-(CH2)5-C0-NH-(CH,)5-C0-... + нр Молекулы капрона имеют линейную структуру и имеют [-NH-(CH2)5-CO-]^ общую формулу. Молекулярная масса капрона в пределах 16000-22000. Капрон вытягивается в волокно. Капроновое волокно является примером синтетического 170 IVzviea ОРГАНИЧЕСКИЕСОЕДИНЕНИЯ химического волокна. Оно не пропускает влагу, не теряет прочность и не гниет, по сравнению с природными волокнами устойчиво к стиранию. Высокая прочность капрона - результат наличия множества водородных связей, которая возникает в результате взаимодействия -N Н- и -СО-группмакромолекулы. Однако капроновое волокно имеет и некторые недостатки: не устойчиво к воздействию кислот (гидролизуется начиная с амидной связи) и высокой температуры плавится при 215°Q. Из капронового волакна производится одежда, искусственное стекло, парашют, канат, рыболовные снасти. Из сверхпрочного капронового волокна изготавлинаюгся авто- и авиашины, детали машин и механизмов. Получение и применение. Аминокислоты получают в качестве конечного продукта гидролиза белков. Любой синтетический способ получения аминокислот состоит из двух этапов; а) синтез галогензамещенной карбоновой кислоты: сНзСоон+а^ ►ci-CHjCooH+Ha б) получение аминокислоты при воздействии аммиака: CI-CH3COOH + 2NH3- • H3N-CH3COOH + NHp Аминокислоты имеют важное значение в обмене азота в живых организмах. Они являются основным источником для образования белка, пептидов, фе|Ж1ентов, горно-нов и других веществ. Аминокислоты, синтезируемые в организме человека и животных из других аминокислот или из не белковых компонентов, называются заменимыми. Аминокислоты, не синтезируемые в организме животных и человека, но необходимые для нормальной жизнедеятельности, называются неза.нени.яы.ни (лизин, изолейцин, фетлаланин ... всего 8 аминокислот). Незаменимые аминокислоты синтезируются только зелеными растения.чи. L= Амшюкислоты применяются в медицине, животноводстве для обогащения пищи животных, в производстве пластмасс и синтетических волокон. Элементы ЗУН: аминокислоты, а-аминокислоты, изомерия, оптическая изомерия, пептидные связи. § 48. Белки 171 Вопросы и задания 1. 2. 3. 5. 6. 7. Напишите все формулы изомеров пропаниламина. Почему диметиламин является более сильным основанием, чем метиламин? Напишите уравнения реакции, подтверждающие сходные свойства аммиака и аминов. Сколько анилина можно получить из 0,246 кг нитробензола, если выход составляет 80%? Предложите способы отделения бензола и анилина из ежей. Напишите общую формулу аминокислот. Объясните причину образования внутренней соли и биполярного иона. Что такое пептидная связь? § 48. Л Белки Что вы знаете о значении белка в повседневной жизни? Белки - высшая форма органических соединений. Они - основа всего живого. Жизнь - это форма существования белков. Состав и строение. Известны различные типы белков, их молекулярная масса колеблется от6000до нескольких миллионов. По результатам анализа различных белков определено, что в их составе С —> 50-55%; О 21,5%-23,5%, Н 7%, N 15- 17%, S -> 0,3-2,5%, немного Р, галогенов, металлов. Например формула белка крови - гемоглобина Основные сведения о строении белков, химических свойствах получены путем гидролиза. При гидролизе любого белка образуются аминокислоты. В состав белка чаще всего входит 23 аминокислоты. Аминокислоты в белках связаны посредством пептидной связи. Полипептидиая цепь, в которой ашнокислотные остатки расположены в определенной последовательности, называется первичной структурой белка. Сложная пространственная спиралеобразная конфигурация белка, образующаяся под воздействие.^ водородной связи между пептидными связями полипептидной цепи, называется вторичной структурой бе.пка. Пространственная трех-мерная структура, образующаяся в результате закручивания вторичной структуры под влиянием функционязьных групп (солевой мостик .мемеду карбоксильной группой и иминогруппой, сложноэфирный мостик между карбоксильной группой и гидроксильной группой, дисульфидный мостик мемеду атома.ми серы) полипептидной цепи, называется третичной структурой белка. 172 1Углава ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Классификация. В соо гветствии с химическим составом белки подразделяются на простые и сложные. Простые белки или протеины - белки, при гидролизе которых образуются только аминокислоты. Среди белков они составляют большую часть. Сложные белки или протеиды, белки при гидролизе которых кроме белков образуется небелковые вещества (углеводы, фосфорная, нуклеиновая кислота и др.) Общие свойства белков. Биологическая активность белков связана с пространственным и химическим строением белка. Белки обладают различными физиологически.ми свойствами; некоторые растворяются в воде, образуя коллоидные растворы (белок яйца), некоторые растворяются в разбавленных растворах соли, третьи же нерастворяются ни в одном из растворителях (белки клеточных покровов). Некоторые белки можно вьщелить в виде кристаллов (гемоглобин крови, яичный белок). Химические свойства. Гидролиз. При нагревании белков с щелочами или кислотами или под влиянием ферментов происходит гидролиз. Последаим продуктом гидролиза является аминокислота. Амфотерные свойства. В молекулах белка (в радикалах аминокислотного витка) наличие -СООН и NH^ групп определяют амфотерные свойства. Они взаимодействуют с кислотами и щелочами с образованием солей. Денатуращя белка - это его необратимое разрушение (вторичной и третичной структуры) под воздействием температуры, радиации, солей тяжелых металлов и механического встр)шща1шя. В результате денатурации ра:^ушается пространственная структура белка (разрушаются водородные, солевые,эфирные, полису.“:^4-идныемостики)и нарушается его биологическая активность. При сильном нагревании белков образуются летучие вещества, имеющие запах жженных перьев. Это позволяет распознавать белки. Цветные реакции белков Биуретовая реакция. При проливании к белку щелочи и нескольких капель раствора солей меди (П) образуется красно-фиолетовое окрашивание. Ксантопротеиновая реакция. При проливании к белку, содержащему бензольное кольцо, концентрированной азотной кислоты, происходит окрашивание в желтый цвет, а при добавлении щелочи - желтый цвет переходит в золотистый. Биологическое значение белков.Белки, являясь основной составной частью живых организмов, входят в состав ядра и протоплазмы клеток растений и животных. Это форма существования живых организмов. Оргахшзмы животных строят свои белковые клетки за счет белковых аминокислот, получаемых с пищей. Нехватка или отсутствие белка в пище приводит к тяжелым заболеваниям. Ценность пищевьрс § 49. Высокомолекулярные соединения 173 продуктов оценивается составом аминокислот и незаменимыми аминокислотами, имеющимися в пище. В организм животных белки поступают с растизельностью или другой животной пищей. Под влиянием ферментов желудка и кишечника белки гидролизуются. При этом, образующиеся амииокисло iы всасы ваю i ся ворсинками кишечника в кровь, через которую они доставляются в ткани и клетки организма. Здесь происходит биосинтез белков, соответствующих данному организму. Из белков идет построение тканей и клеток организма. При нехватке незаменимых аминокислот в пище, у животных наблюдается отставание в росте, весе, и может даже наступить смерть. Бехпеи управляют важными функциями и специфическими фу| ж'циями живых организмов: памятью, ростом, движениями, активностью органов чувств, природой болезни, иммунитетом и тд. В органюметакойсложный процесс, как биосинтез бежов протекает очень быстро: молекула белка образуется за 2-3 сек. Изучение тонких и сложных процессов, которые происходят в организме, является интересной и актуальной проблемой, решение которого способствует созданию новых биотехнологических процессов, протекающих в живых организмах. Изучение белковых веществ - это осознание всего живого и его осознанное управление. В промышленности белки применяются для получения природных волокон (шелка, шерсти), кожи, желатина, казеина, пластмасс. Белковые препараты, применяемые в медицине- это гормоны, кровезаменители, которые имеют важное значение. Элементы ЗУН: белки, пептидные связи, протеины, состав, простые белки, сложные белки, гидролиз, амфотерные свойства, денатурация, цветные реакции. § 49.\ Высокомолекулярные соединении 1 Что вы знаете о пргфодных, искусственных и синтетических полимерах и приведите примеры. К синтетическим высокомолекулярным соединениям и полимерным материалам относятся пластмассы (полиэтилен, полипропилен, поливинилхлорид, полистирол, фенолоформал ьдегидные пластмассы и др.), синтетические каучуки. Свойства высокомолекулярных соединений (ВМС) зависят от их строения и способа синтеза. 174 IVznaea. ОРГАНИЧЕСКИЕСОЕШНЕНИЯ Реакция полимеризации - это образование более крупной молекулы в результате последовательного соединения одинаковых молекул. В результате полимеризации образуются высокомолекулярные соединения - полимеры. Молекулы полимера называются макромолекулами. Низкомолекулярные соединения, образующие макромолекулы, называются мономерами. Число мономеров в цепи полимера, называется степенью полимеризации. Молекулярная масса полимеров величина непостоянная, она является средней величиной, зависящей от степени полимеризации. Строение полимеров. Известно, что строение макромолекулы полимера может быть линейным, разветвленным и пространственным. Нельзя забывать то, что линейное строение наблюдается не только тогда, когда атомы углерода расположены на одной линии, но и тогда, когда они расположены в зигзагообразной цепи. Важнейшая характеристика полимеров - это их аморфная и кристаллическая структура. Кристаллическая структура полимеров характеризуется упорядоченностью (параллельностью) макромолекулы полимера, аморфная структура же - ее неупорядоченностью. Полимеры не имеют настоящего кристаллического строения. Обычно, если одна часть макромолекулы имеет упорядоченное строение, то другая ее часть не имеет таковую. Степень кристалличности настоящего полимера переменна. Например, при растяжении полимера его молекулы располагаются параллельно и его степень кристалличности возрастает. Относительная молекулярная масса полимера - средняя величина, так как для настоящего полимера степень полимеризации непостоянная величина. Характерные свойства полимеров. Полимеры также, как и высокомолекулярные соединения, не имеют постоянной температуры плавления, а плавятся при определенном интервале температур. Они не возгоняются, мало растворимы, растворы очень вязкие. Полимеры отличаются высокой механической прочностью. Все это объясняется своеобразнььм строением полимеров. Для плавления вещества необходимо нагревание для преодоления силы притяжения между молекула.ми. В высокомолекулярных соедине1шях силы межмолекулярного взаимодействия велики, для их преодоления расходуется много энергии. Так как степень полимеризации величина непостоянная, то и молекулярная масса различна, поэтому при нагревании увеличикй-ется подвижность молекул небольшой массы, затем, при длительном нагревании, и большие макромолекулы обретают подвижность. ВМС не имеют определенной температуры плавления. Для возгонки необходимо сильное нагревание и только после этого макромолекулы переходят в летучее состояние, однако, при сильном нагрева- § 49. Высокомолекулярные соединения 175 НИИ молекула полимера может расщепиться и возгонка становится невозможной. Малая растворимость полимеров объясняется тем, что маленькие молекулы растворителя неспособны разделить макромолекулы. Механическая прочность ВМС объясняется сильным межмолекулярным притяжением. Получение. Синтетические ВМС и полимерные материалы получаются в результате реакций полимеризации, сополимеризации и поликоцаенсации. Для протекания этих реакщш необходимо взаимодействие молекулы исходного вещества не менее чем с двумя другими молекулами. В молекулах веществ, вступающих в реакции полимеризации и сополимеризации (этилен, пропилен, стирол, бутадиен и др.), имеющиеся двойные связи разрываются, и за счет этого образуются две валентные связи, которые дают возможность образовывать связи с другими молекулами. Реакция полимеризации идет по свободнорадикальному механизму. Для образования свободного радикала к первоначальному мономеру добавляется небольшое количество другого вещества, являющегося инициатором реакции. Молекула инициатора образует с молекулой мономера неустойчивое промежуточное соединение, которое расщепляется и образует свободный радикал (R°). Радикал, встретившись с молекулой мономера, оказывает воздействие на л-связь и создает электронную пару с одним его электроном. Между радикалом и молеку'лой мономера возникает ковалентная связь. Второй электрон л-связи остается свободным и свободная частица превращается в радикал. Механизм реакции полимеризации этилена можно представить следуюпщм образом (под давлением 150 МПа) R- + НзС=СН2 -4 RrCH^iCH^- RrCH^iCHj-+СН2::СН2 Инициатором реакции является кислород. Молекулы будут связываться друг с другом (пока два радикала не соединятся) до разрыва цегш. В результате образуется полимер (-СН^-СН^-)^. Реакция поликонденсагщи протекает между веществами, молекулы которых имеют не меггее двух функциональных групп. Эти функциональные группы могут быть различными и одинаковыми (-NH^, -СООН в аминокислотах, -ОН в этиленгликоле, -(ХЮН дикарбоновых кислотах). При осуществлении реакции поликонденсации между взаимодействующими функциональными группами образуется связь и, наряду с макромолекулой, образуются низкомолекулярные вещества. НООС (СН2)„-СООН + H04CHj)2-0H + НООС-(СН,)„-ССЮН +, (СН,)„-С0-0 (СН2),-ООС-(СНз)„ -СО ... + пнр .^НООС- 176 IVziaea ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЦЦИНЕНИЯ Пластмассы. Производство пластмасс по объему стоит на первом месте среди полимерных материалов. Пластические массы (пластмассы^ пластики) являются материалами, полученными на основе природных или синтепшческих полимеров (смол), и при формовке находятся в пластичном состоянии, после же принимают стеклообразное состояние. В состав пластмасс, кроме полимеров, входят Дфугие добавки, которые придают им особые свойства. К таким добавкам относятся следующие; • Наполнители (древесная мука, ткань, асбест, стекловолокно)-способствуют повышению механической прочности и снижению стоимости пластмасс. • Пластификаторы (сложные эфиры, кипящие при высокой температуре) увеличивают эластичность материала и уменьшают его ломкость. • Стабилизаторы (антиоксиданты, лучевые стабилизаторы)-способствуют переработке пластмасс и сохранению свойств при эксплуатации. • Красители и другие вещества, придающие пластмассам различный цвет. Полимер (смола), входящий в состав пластмасс, связывает все его компоненты. Свойства пласмасс зависят от составляющих их полимеров. В зависимости от изменений, происходящих в полимере при изготовлении изделий, пластмассы подразделяются на два типа: • Термопластические пластмассы- получают на основе линейных полимеров (полиэтилен, полипропилен, поливини.чхлорид, полистирол и др.), при высокой температуре и давлении они обладают пластичностью и текучестью, а при охлаждении затвердевают. • Термореактивные тшстмассы - получают из низкомолекулярных веществ -при формовке в результате химической реакции они пространственно сшиваются (сеточная структура). Это нетавяищеся и нерастворимые материалы, (фенолформальдегидные пласспшассы). На примере получения полиэтилена рассмотрим как воздействуют на продукцию способы получения. Полиетилен можно пол>чить двумя способами: при высоком давлении (150-300 МПа, 200-280°С) и низком давлении (0,2-2,5 мПа, 80-100°С). В 20 таблице приведены некоторые свойства полимеров, полученные вышеприведенными двумя способами. § 49. Высоколюлекулярные соединения 177 Таблица20 Свойства — — ■ Полим^ при высоком давлении при низком давлении Молекуляшая масса 60000-500000 80000-800000 Степень коисталлизации. % 50-65 75-90 Плотность, 910-930 кг/м^ 950-970 Температура плавления, °С 105-108 120-130 Полимер, полученный при вьюоком даалении неимееттвердш линейной структуры. В молекуле идет процесс развлетвления и поэтому его степень кристаллизации ниже, чем у полимера, полученного при низком давлении. Искусственные и синтетические волокна. На сегодняшний день широко применяются волокна, получаемые химическими способами. Искусственными называются волокна, получаемые путем химическ<ж переработки природного волокна, а синтетическими - волокна, получаемые из синтетических материалов. Ди- и триацетат целлюлозы применяется для получения ацетатного волокна. С давних времен человечество использовало природное волокно (состоящие из целлюлозы - лен, кенаф, хлопок; состоящие из белка - шерсть, шелк) для изготовления одежды и других хозяйственных изделий. Искусственное ацетатное волокно - это юлсжно, которое обладает такими свойствами, как прочность, мягкость, оно не теряет форму, цвет. Недостатком является то, что оно по сравнению с хлопковым волокном обладает меньшей гигроскопичностью и подвержено электризации. Этитенгликоль применяется при получении лавсанового синтетического волокна. Расплавленная стекломасса сразу не твердеет, а постепенно начинает сгущаться и увеличивать свою вязкость. Это дает возможность придавать ему различную форму. Из остывающей сгущенной массы можно вытягивать волокно. Из стекловолокна изготадтинак'тсятотло-иэлектроизоляционные ткани, кислотостойчивые материалы. Элементы ЗУН: полимеризация, полимер, мономер, макромолекула, степень полимеризации, пластлшсса, типы пластмасс, искуственное волокно, синтетическое волокно. Вопросы и задания /. Какие вещества входят в синтетические высокомолекулярные соединения (ВМС)? 2. Почему молекуляр1шя масса ВМС непостояншт величина? 3. По какому механизму протекает реакция полижризации? 4. Какие вещества вступают в реакцию поликонденсации? 5. Какие компонетпы входят в состав пластмасс? 6. Как влияет на свойства полимера способ его получения? 7. Почему полимеры плохо растворяются в растворителях? 12-Химия, 9класс. 178 IVemea ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ Тесты по темам: Органическая химия 1. Какой ученый первым назвал органическими вещества, полученные из живого организма? A) шведский ученый И. Ю. Берцелиус, 1807; Б) русский ученый Н. Н. Зинин, 1842; B) немецкий ученый Ф. Велер, 1824; Г) английский ученый Дж. Дальтон, 1805. Д) русский ученый А. М. Бутлеров, 1864; 2. Какое из нижеследующих чисел не соответствует п формуле: С А) 5; Б) 4; В)3; Г) 12; Д) 1,5. 3. Сколько изомеров имеет вещество с составом С^Н,^? А) 4; Б) 5; В) 6; П7; Д)8. 4. Укажите формулу газообразного вещества, состоящего из С и Н, если его относительная плотность по водороду равна 22. А)СД; Б)С,Н,; В)СзН,; 0^ Д)С,Н,„. 5. Впромышленносги крекингом метанаполучают ацетилен. Какой объем ацетилена можно получить из 0,5 молей метана (при н.у.)? А) 22,3; Б) 11,2; В) 5,6; Г) 2,8; Д)1,12. 6. Сколько литров газа можно получить при действии избытка воды на 20 г карбвда алюминия, который содержит 28'/о пустой породы? А) 22,4; Б) 11,2; В) 5,5; Г) 6,72; Д) 2,61. 7. Сколько изомеров ичюет насыщенный угпеводфод, с относительной плотностью по водороду 29? А)1; Б) 2; В)3; Г)4; Д)5. 8. Сколько литров метана можно получить при прокаливании 10 г безводного ацетата натрия с гидроксидом натрия? А) 4,86; Б) 2,93; В) 8,26; Г) 12,6; Д) 3,26. 9. Какой валентный угол характерен для атома углерода в состоянии sp^-гибридизации? А) 105°; Б) 109°; В) 107°; Г) 120°; Д) 180°. 10. Сколько изомеров с открытой цепью имеет углеводород CjH,„ состава? А)2;‘Б)5; В) 6; Г)7; Д)9. Задачи для решения 1. Определите количество альдепща, образующегося при окислении 46 г этилового спирта, имеющего в своем составе 15% примесей, если считать, что производительность реакции 85%. _________________________________________________________________________________т 2. Определите объем углекислого газа, образующегося при горении 22,4 л газовой смеси, состоящей из 40% азота, 20% метана, 40% ацетилена. 3. Сколько мл 2 М раствора гидроксида натрия расходуется для превращения в фенолят 94 г технического фенола, имеющего 10% примесей? 4. Определите формулу насыщенного углеводорода, имеющего плотность 1,96 г/л. 5. Определите формулу алкена, если известно, что 2,1 г этого алкена обесцвечивает 8 г бромной воды. 6. Определите формулу алкина, если известно, что при горении 1,3 г этого алкина образуется 2,2 г углекислого газа и 0,9 г воды. глава ХИМШИШУЧН(>ТгаШЧЕСКИЙПЮГРЕСС Перспективы химического производства Современная промышленность в большом количестве требует материалы, обладающие такими свойствами и качествами, как высокая прочность, температурная устойчивость, термопластичность, устойчивость в агрессивной химической среде. Природные и переработанные материалы не отвечают этим требованиям и не удовлетворяют потребности. Кроме того, человечество стоит на пороге проблем, связанных с истощением природных источников сырья, энфгии, воды, продуктов питания. В таких условиях роль химии, химической продукции, химических способов во всех отраслях народного хозяйства возрастает. С учетом охраны окружающей среды, важнейшая задача, стоящая перед химией и химической промьпштенностью, - это разработка прогрессивных технологий; создание новых материалов и продукции с определенными свойствами; комплексная переработка природной, промышленной, сельскохозяйственной продукции и вторичного сырья; разработка способов утилизации отходов с целью отделения полезных компонентов, экономии энергии и сырья, а также создание безотходных технологий. На основе достижений научно-технического прогресса химическая промьшшен-ность производит новые материалы, не встречающиеся в природе, с опредетенными свойствами. Это полимеры (пластмассы, синтетические волокна, каучук), керамика, композиты, лако-красочные материалы, синтетические моющие средства и др. Некоторыетипы полимфов конкурируютсвысококачественной нержавеющей сталью. Одна тонна таких полимеров может заменить 6 тонн металла. С каждым днем полимеры все шире применяются в машиностроении, атомной промышленности, радиотехнике, микроэлектронике, сельском хозяйстве, медицине, в быту и других областях. 180 Угтава. ХИМИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС Керамика, как промышленный материал, стоит на третьем месте после металлов и пл астмасс.Известно, что степень использования керамики в машиностроении, изготовлении конструкционных материалов, применении ее в электронике и электротехнике возрастает. Композиты, состоящиеся из основной части и наполнителей, занимают особое место среди современных материалов. В качестве основного материала, в их составе, применяются металлы, сплавы, полимеры, керамика. В качестве наполнителей -металлические и углеродные волокна, зола, порошки. Композиционные материалы, являющиеся с экономической точки зрения высокого эффективными, в пять раз прочнее трациционных и широкого примененяются в авиационной и космической технологии. Проблема обеспечения человечества продуктами питания, одеждой растет из года в год. Потому что с ростом численности населения растут и его потребности в различных продутсциях. Производство иысококачественньк продуктов невозможно без интенсификации сельского хозяйства. Один из путей интенсификации сельского хозяйства - это внедрение достижений химии. Химизация сельского хозяйства включает в себя такие мероприятия, как применение минеральных удобрений, внедрение средств защиты растений и почвы, применение синтетических материалов, улучшающих структуру почвы, влияющих на мелиорацию, и обогревающих помещения, применение химических препаратов в качестве добавок и консервантов в корм животньа, химическую пфеработку отходов сельского и лесного хозяйства, химическую очистку водоемов, антисептическую защиту деревянных построек и строений (различные структуры и конструкции), химический анализ почвы, пищевой продукции. Одна из задач, стоящая перед химической промышленностью - это производство химической продукции, которая способна заменить природные материалы. Хорошо постаатено использование химической продукции при производстве одежды, бьпговой техники, мебели. Широко применяются химические волокна, которые заменяют натуральную и искусственную кожу, композиционные металлы, лаки и краски, вспомогательные средства переработки в текстильной промышленности, пластмассы. Роль химии в медицине не органичивается только синтезом новых лекарственных препаратов. Химическая промьииленность вносит свой вклад в изготовление медицинской техники. Химические способы предосгаатяют возможность исследовать процессы, протекающие на клеточном и молекулярном уровне. А изучение этих процессов и регуляция дают возможность определить причины заболеваний, прсд>ттрсдить их и найти новые способы лечения. В результате развития одной из новых областей каталитической химии, появились такие области направления как химическая и инженерная энзимология. Эти области направления создают возможность производить в большом объеме ферменты -катализаторы - белкового происхождения, обладающие высокой эффективностью и 181 селективностью. Эти ферменты широко применяются и как лекархлвенные препараты и для производства лекарственных препаратов. В повседневной жизни широко применяются бытовые химические препараты -синтетические моющие средства, сорбенты, различные ютеющие препараты. Уменьшение природных ресурсов ставит перед человечеством решение проблемы замены индустриального способа производства технологическим. Усиление роли химической технологии занимает особое место. Технологическая перестройка производства вкючает в себя комплексную перерабо'гку сырья, применение высокоэф(|]ект1тных, экономичных,малоэтдпных,экологически безопасных технологий с применением нового поколения катализаторов, обладающих селективностью. Перед химией и промышленностью стоит задача—максимальное использование природньпс ресурсов, являющихся химическим сырьем, которые невозможно вновь создать; руды цветных и черных металлов, нефть, газ, уголь. Например, из природного газа, содержащего до 40% сероводорода, получают не только пропан и бутан, но и такие элементы, как сера и гелий. Такое использование природного газа выгодно с экономической и экологической стороны, а также предупреждает загрязнение атмосферы от вредных оксидов серы, образующихся при сгорании сероводорода. Интеграция химической технологии и атомной энергетики с экономической и экологической стороны является перспективным процессом. Будущее химических комбинатов представляется связанным с модификацией материалов и оснащенным ядер-ными реакторами, обеспечивающими радиационно-химические процессы излучением, энергией и теплом. Из всего этого можно сделать вывод, что в развитии современной науки и техники роль химии бесценна. Химия - как наука играет важную роль в развитии современных технологии, физики и биологии, а химическая промышленность - в развитии агропромышленности, в обеспечении энерго-топливным комплексом, в развитии машиностроения и металлургии, транспорта и строительства, а также других отраслей народного хозяйства, связанных с производством товаров широкого потребления. Вопросы и задания /. Объясните на конкретных примерах важность химии и промышленности для народного хозяйства. 2. Предломсите оригинальные способы химической очистки сточных вод. Что подразумеваепкя под понятием охрана окружающей среды? 4, Как люжно получить медь из закись меди, окись меди, дихлодид меди, карбонат меди? Напишите соответствующее уравнения реакций. 5. Напишите уравнения реакций получения марганца и титана из МпО^, Mnfi^, TiO^ атмииотермическим способам. 182 Угша. ХИМИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕХ:КИЙПРОГРЕСС 6. Образец щтоеого порошка состоит из металлического цинка и оксида цинка. При воздействии на 0,22 гр этого образца соляной кислоты выде.зяется 63,8мл (из.неренное при Н.Ц.) водорода, 7. При воздействии на 2,851гр образца чугуна получается 0,0824 гр оксида кремния. Рассчитайте сколько % кремния имеется в исследуемом образце чугуна. 8. Рассчитайте необходимую массу окись хрома и алюминия, необходимые для получения 78 гр хрома алюмотермическим способом. 9. Какой объем природного газа, содержащего 38% сульфида водорода, необходим, чтобы приготовить 10 тонн 1 М раствора серной кислоты (плотность 1840 кгМ)? При этом необходимо учесть, что при горении сульфида водорода производите.чь-ность реакции составляет 75%>, а при окислении четырехокись серы до шести окись серы -60%. 10. Какое количество золотосодержащей руды, имеющей в своем составе 38,7% золота необходимо, чтобы при ее переработке получить 1 кг золотосодержащего сплава, который содержит 58,3% золота, 38,7% меди, 1,2%> никеля, 0,8% хрома, 0,5% марганца и 0,5%> висмута? Вычислите объемный расход 1 М раствора соляной кислоты (плотность 1190кг/м^) и 1Мраствора азотной кислоты (плотность 1350 кг/м^) необходимого для полного растворения 100 гр этого сплава. При этом необходимо учесть растворимость золота в царской водке (3 объема соляной кислоты + 1 объем азотной кислоты). § 51. JI Защита атмосферы и гидросферы “Здоровье человека неразрывно связано с окружающей cpedqii”. , . Абу.АлиИбиСинО'=‘ Охрана окружающей qje^i, защита природы, охрана атмосферы, водных ресурсов, почвы - важная проблема не только для нас, но и дтя всех народов. Количество пыли в угольных шахтах составляет от 500 мг/м^ до 3000 мг/м^. Для содержания воздуха в шахтах в чистоте с помощью вентиляционных устройств в атмосферу за сутки выбрасывается до 1500000 м^ пыли. В результате происходит перерасход сырья (мелкие частицы угля), загрязнения воздуха, которым мы с вами дьпдим. При добыче руды на рудниках, а также при их обогащении происходит выброс в атмосферу большого количества пыли (аэрозоли горных пород). В подобных областях промышленности выбрасываемая пыль (аэрозоли) распространяясь в атмосфере наносит серьезный ущерб здоровью человека и растительности. Приводит к перерасходу сырья и продукции. § 51. Защита атмосферы и гидросферы 183 Что бы вы сделали, чтобы заищтить атмосферу от загрязнений и предотвратить в виде пыли перерасход сырья? Для улавливания пыли или уменьшения ее распространения применяются адсобционные и мокрые методы очистки. Например, в рудниках, где происходит добыча руды и ее обогащение применяется способ “мокрой добычи”. Для улавливания поднимающейся в атмосферу пыли применяются электрофильтры и адсорберы. “Если в воздухе не будет пыли и дыма, человек может прожить до тысячи лет**. Абу Али Ибн Сине Атмосфера загрязняется в силу следующих причин: 1) Естественное загрязнение. 2) Дым, пыль, топотаые газы, образующиеся при горении топлива в различных отопительных системах, работе транспорта и отраслей промышленности. 3) Сжигание различных отходов. Например, в настоящее время многие отработанные полимерные материалы (полиэтиленовые пленки, игрушки, изготовленные и различных пластмасс, предметы домашнего обихода, детали) сжигаются. В результате в составе воздуха увеличиваются в виде газа и дыма такие вредные вещества, как: NO, NO^, СО, SO^, Cl,, H,S, HCl, HCN, F,, HF. В первой половине XX века врезультатервзкогоскачка в развитии промышленности в атмосферу было выброшено 3 миллиарда тонн пыли, дыма, золы. Кроме этого а'гмосферза загрязнена 1,5 млн тоннами мышьяка, 1,2 мл н тоннами цинка и другими вредными веществами. В последние годы высыхание Арала приводит к увеличению концентрации растворенных солей, выпадению солей в качестве горных пород, распылению в атмосферу береговой соли. В результате нарушается экологическое равновесие. Вода- самое распрххпраненное вещество в пряярюде. Больше половины поверхности Земли покрыто водой, и все процессы, происходящие в природе, прютекают с участием воды. Вода в гидросфере существует в связанном виде - в виде водных паров она встречается в большом количестве, однако вода, пригодная дтя питья, составляет около 1% от всего ее количества. По прогнозам ученых человечество в будущем сталкнется с прюблемой дефицита воды. '^Берегите каждую каплю воды! Сохраним ее абсолютно чистой!** 184 Угпава. ХИМИЯ И НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС Проточные воды загрязняются в результате выброса сточных вод предприятий, бытовых сточных вод. Перед выбросом сточные воды подтвергаются отчистке от ядовитых веществ. Отфильтрованная вода обрабатывается гашенной известью, и тем самым создается щелочная среда, затем приливается Al2(SO^)j. При этом вместе с образующимся осадком А1(ОН)з и песком оседают и другие вещества. После отстаивания она обрабатывается хлорной известью и очищается от различных микробов. В настоящее время в Узбекистане работают более600 очистительньк сооружений. Ж- Вода дарит жизнь всему живому! Представьте свою жизнь без воды. Это невозможно! В таком случае не оставляйте открытыми краны! Применяя отходы химических предприятий, можно получшъ продукцию. И если при этом предприятие получает прибыль, то природа с охраняется от загрязнений. Например, на электростанциях (ТЭС), работающих на угле, в качестве отхода в большом количестве образуется шлак. Добавляя в шлак некоторые количество силиката натрия получают шлако-блочные кирпшш. В результате вместо расходов на вынос отхода (шлака), обеззараживание, предпринятое при изготовлении шлакоблоков приюдиг к прибыли. В настоящее время в различных областях пластмасса замещает железо, дерево. Пластмассовые изделия не гниют, а сжигание наносит вред атмосфере. Что бы вы делали с отходами пластмасс? Нельзя ли, переработав их, изготовить различные корструкциониые материалы? Не выбрасывайте отходы в воду! И не сжигайте листья! Этим вы защитите природу. Пестициды - (от латинского pestis - язва, гнойник и cedo - убивать) - химические вещества, применяемые в сельском хозяйстве против вредителей, болезней растений и сорной травы. При работе с пестицидами необходимо быть предельно осторожными потому что они могут привести к серьезрым последствиям в жизни диких, домашних животных, а также человека. §51. 3aiifwna атмосферы и гидросферы 185 Инсек1тщиды - применяются против вредных насекомых. Акарициды - применяются против бабочек. Фунгицид - применяются против грибков распространяющих болезнь. Гербициды - применяются против сорной травы. Бактерициды - применяются против вредных бактерий. Зооцрщы - применяются против фызунов. Дефолианты - способствуют опаданию листьев. Десикаты - вещества, применяемые для осушивания листьев растений. Дезинфицирующие вещества - вещества, применяемые для обработки складов против вредных насекомых. Для высокой урожайности в сельском хозяйсгее широко применяются различные мшюральные удобрения и пестициды. Вредные химические соединения, применяемые в качестве пестицидов, не расщепляются быстро и сохраняются в пищевых продуктах. В результате в воздухе, воде, почве в растительных и животньк организмах они накаллиьаюгся. И это является причиной возникновения различных болезней у человека. Подумайте! Обязательно ли применение пестицидов в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями? Наверное есть какие-то другие, естественные пути. Этим мы сохраним чистоту почвы, атмосферу, гидросферы, наше здоровье и здоровье будущего поколения! Задачи и упражнения для самостаятельной работы 1. С целью уничтожения вредителей склад, предназначенный для хранения зерна, обрабатывается серой, которая сжигается в расчете 24 грамма на 1 м^. Рассчитайте (в мл/л) ковдентрацию оксида серы (IV) в воздухе склада. 2 Какие экономические проблемы возникнут вокруг предприятия, которые используя поваренную соль и концентрированную серную кислоту, получают сульфат натрия? Какую важную продукцию можно получить из отходов этого предприятия? Какая экологическая проблема при этом решается? 3. Воздух вокруг одного из предприятий загрязнен суль^вдом водорода. Предельно допустимая концентрация сульфида водорода в радусе 5 км и на высоте до 2 км равна 0,01 мл/л. Сколько серной кислоты можно получить, если полностью улавливать сульфид водорода? 186 VI глава. ОБОБЩЕНИЕЗНАНИЙПОНЕОРГАНИЧЕСКОЙИОРГАНИЧЕСКОЙХИМИИ 4 Сколько л .(н.у.) воздуха необходимо для сжигания угля с w % (С)=80 %? 5. Напишите уравнения реакций для следующей цепи превращения: ^ СО^ -> СаСОз ^ СаС1з -> AgCl Cl^? ОШБЩЕНИЕЗНАНИЙПО , НЮРГАНИЧЕСКОЙ VI глава I ИОРГАНИЧЕСКОЙХИМИИ (§ 52.^ Периодический закон и значение периодической таблицы элементов Из исторических источников известно, что до открытия периодического закона 'гакие ученые-энциклопедисты как Аль Фаргоний,АбуРайхонБеруни,М.ВЛомоносов, И-Деберейнер, Л.Мейер, У .Одлинг, Ж.Ньюлендс, Ж. Дюма. А.Шанкуртуа пытались объяснить природную связь между веществами. Периодический закон имеет большое теоретическое и практическое значение как общий закон, научно обосновавший природную связь между химическими элементами. В1869 году, когда Д.И.Менделеев сформулировал периодический закон было известно 63 химических элемента. В настоящее время из 109 химических элементов 46 открыты на основе законов периодической таблицы. Значение периодического закона беспредельно при обосновании таких фундаментальных понятий как химическая связь, валентность, электроотрицательность, степень окисления. Целый ряд понятий, вытекающих из периодического Закона, расширил представления о строении вещества, стал основой для развития таких наук, как физика, физхимия, геохимия, геология, мш1ералогия, космохимия, ядерная физика. Для понимания значения периодического закона и периодической таблицы химических элементов необходимо, основываясь на современных знаниях о строении атома,самостоятельно решать задачи и упражнения. Пример. Напишите электронную конфигурацию элементов, внешний электронный слой которых имеет а) 2s^ Ь) Зs^ d) 4s^ изображение и определите, какие это элементы. § 53. Теория строения органических coedwieHuH и значение изомерии 187 Решение: Используя периодическую таблицу химических элементов определим, что это элементы 2 группы. Элемент, внешний электронный слой которого соответствует 2s^ является Be, 3s^~ это Mg, 4s^- Са. Электронная формула этих элементов следующая: Be Is^ 2s^; Mg Is^ 2s^ 2p* 3s^; Ca Is^ 2s^ 2p* 3s^ 3p* 4s^. Вопросы и задания для самостаятельного решения 1. Напишите электронную формулу элементов, имеющих порядковый номер 18 и 21. 2. Определите место элементов в периодической системе, которые имеют следующую электронную форму: [Не] 28^ 2р*; [Ne] 3s^ Зр’. 3. Почему углерод и сера демонстрируют переменную валентность? 4. Природный бор это смесь 19,6% '®В и 80,4% "В изотопов. Определите относительную атомную массу природного бора. 5. Напишитесвои понятия о периодической системе элементов. Объясните начальное и современное определение периодического закона (на примере К и Аг). (§53.^ Теория строения органических соедцнсрцйла: значение изомерии До XDC века свойства органических соединений всесторонне были изучоты такими известными учеными как Жабир ибн Хайон, Ар-Рози, Абу Райхон Беруни, И.Берцеллиус, А,Лавуазье, А.Кекуле, А.Купер, Г.Колбе, М.Бертло, Н.Зининым, АФаворским. К XIX веку определенная А.М.Бутлеровым теория строения дала возможность научно обосновать природную связанность органических соединений. Вместе с этим была показана возможность получения органических соединений, которые имея одинаковый состав, могут иметь различное строение. В результате органическая химия обогатилась научно теоретическими основами, что способствовало развитию органической химии как науки. На основе химического строения органических соединений начался синтез новых веществ и предсказание их свойств, изобретение новых не встречющихся в природе органических соединений. Во второй половине XX века по предложению А.Г.Максумова соединить теорию химического строения с электронной и пространственной, а также предложение современного варианта этой теории дали возможность глубже объяснить фюико-химические свойства веществ. На сегоднящний день, за счет искусственных и синтетических соединений, количество органических веществ составляет свьпде 5 млн. 188 VI глава ОБОБЩЕШЕЗНАНИЙ ПО НЕОРГАНИЧЕХ:КОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ Для изунения теории строения органических соединений и явления изомерии большое значение имеет самостоятельное решение задач и упражнений Задачи и упражнения для самостаятельного решения t 1. Объясните изомеры на основе структурной формулы углеводорода, имеющего сосав 2. Напишите и дайте названия изомеров на основе структурной формулы углеводорода, имеющегососав CjHjp. 3. Объясните явления изомерии (на примере пропановой кислоты и метилового эфира уксусной кислоты). 4. Изложите свои понятия о типах и электронной природе химических связей в неорганических и органических соединениях (на примере ионной связи поваренной соли, полярной ковалентной связи хлористого водорода, неполярной ковалентной связи метана, полярной ковалентной связи этилового ашрта). Свойства неорганических й рр1ганйчёсЙ1^'веиЩ^ применение и генетическая ё]вязь- Л1ейсяуГнШ*Й'^^^ Для изучения свойств неорганических и органических веществ большое значение имеет знание атомного и молекулярного строения вещества. Из курса химии за 8 класс вы знаете об атомном, молекулярном строениях, их возникновении, химической связи. Развивая свои теоретические знания, в 9 классе вы укрепили знания о связанности свойств органических соединений, молекулярного строения,гибридизации атомов в молекуле с различными проявлениями изомерии. Например, хотя поваренная соль считается важным для организма химическим соединением, составляющие его атомы хлора и натрия в отдельности ядовитые и разъедающие вещества. Если тетраокись серы (IV) имеющий молекулярную массу равную 64 газ, то, вещества с относительно низкой молекулярной массой, такие как метиловый спирт (46)-жидкости. А вещества, имеющие одинаковый атомный состав, такие как метиловый эфир муравьинной кислоты и уксусная кислота (C^H^Oj) проявляют различные свойства. Следовательно, прежде чем изучить свойства веществ и область применения, необходимо знать их строение. Неорганические и органические вещества составляют всю природу и переходят дру1' в друга. Эту мысль вы осознаете в процессе изучения неорганической и органическойхимии. § 54. Свойства неорганических и органических вегцеств, применение и генетическая связь... 189 Выполните следующее задачи и упражнения. Постарайтесь понять связь между строением и свойствами вещества, взаимный переход неорганических веществ в органические, т. е. генетическую связь между ними. Пример: 1. Напишите необходимые уравнения реакций получения бутана, используя метан и неорганические вещества. Рещение; 1. Получение метил бромида из метана: СН^ + Вг^ ^ CHjBr + НВг 2. Получение этана п)'тем нагревания метил бромида с металлическим натрием (реакция Вюрца): СНзВг + 2Ка + ВгСНз- >2КаВг+СНз-СНз 3. Получетше бромида этана (этил бромид): СН3-СН3 + Вгз -> СН3-СН3ВГ + НВг 4. Получение бутана путем нагревания бромида этана с натрием: СНз-СН^Вг + 2Na + BrCH^-CHj- >2КаВг + СДо Задачи и упражнения для самостаятельного решения_______________________ Напишите необходимые уравнения для осуществления следукяцих превращений: А1^Сз ^ СН^ -♦ СН3ВГ -4 CjHj C»j -»СО ^ СН^ -э С 2. Используя известняк и необходимые реактивы, а также состэстстзующие приборы, получите этиловый эфир уксуаюй кислота, гексахлорциклогексанинапишите соответствующие уравнения реакции. 3. Пары вещества, имеющие в своем составе 40% углерода, 53,34% кислорода и 6,66% водорода, имеют плотность, относительно водорода, равую 30. Определите формулу и строение, если известно, что вещество взаимодействует с металлами, оксидами металлов и основаниями с образованием солей. 4. Объясните различие в физических свойствах белого и красного фосфора, если они состояттолько из фосфора. 5. Напишите необходимые уравнения реакций получения толуола (метил бензола) из углеводорода, чьяалотносгь относительно водорода равна 13. 6. Как по характерным реакциям можно определить ниже приведенные вещества: бензол; стирол; уксусный альдегид; уксусная кисолта; толуол. 7. Какоевсщесгэообразуетсяпритримеризациипропина?Напешитеуравненияреакций. 8. Как из бутанол-1 можно получить бутанол-2. Напишите уравнения реакций. 9. Определите количествосырья,необходимоедляполучения 1 тонны обычного стекла. 10. Метиловый эфир муравьиной кислоты и уксусная кислота имеют одинаковый состав, хотя это разные вещества. Каковы их отличительные свойства, подтверждающее их принадлежность к разным классах!? Напешите необходимые реакции. 190 У1глава.ОБОБЩЕНИЕЗНАНИЙПОНЕОРГАНИЧЕСКОР1ИОРГАНИЧЕСКОЙХИМИИ §55. j Значение химических реак1щй в химическом производстве________________________' у-;-. Изучая в 7-9 классах научные основы химии, вы имеете определенные знание о веществах, применяемых в народном хозяйстве, и убедились, что химия - это волшебная наука. Волшебность заключается в том, что из газообразных веществ можно пол)щить жидкости или из твердых веществ-газы, а из них ткани или лекарственные препараты. Многие химические вещества вырабатываются на химических предприятиях. Например, азотные, фосфорные, калийные минеральные удобрения, азотная, фосфорная, серная кислоты, черные и цветные металлы, продукты нефти, угля и природного газа вырабатываются на химических предприятиях. Предприятия химического производства - включают в свой состав целый ряд процессов, направленных на изучение химического состава сырья. На химических предприятиях научные, теоретические и практические знания изучает химическая технология. Следовательно химическая технология - зто наука, изучающая способы производства качественной продукции прт[ малом расходе сырья и энергии. В основе процессов химического производства лежат химические реакции. Внедрение науки о скорости химической реакции, факторов, влияющих на скорость химических реакций, химического равновесия, факторов, влияющих на химическое равновеоте, теоретических основах химической кинетики в химическую технологию - означает ее развитие быстрами темпами. Вы ознакомились с закономерностями таких необратимых реакций как горение угля, серы и обратимых реакций как окисление оксида серы (IV), связывание азота с водородом, окисление аммиака. Внедрение этих реакций в производство являются основной задачей технологического процесса. Пример решения задач: Напишите уравнение реакции взаимодействия твердого вещества А с водой, в результате которого образуется ненасыщенноесоединение в газообразном состоянии, из которого образуется органическая кислота в жидком состоянии. Укажите названия веществ А и В . Решение; Предположим, что веществом А является карбид кальция, которое при взаимодействии с водой образует газообразное углеводородное соединение ацетилен. Из ацетилена при взаимодействии с водой в присутствии аммиачного раствора окись серебра (I) образуется уксусный альдагид, из которсжо в сюю очередь-уксусная кислота. § 55. Значение химических реакций в химическом производстве 191 б 6i^ CaCj + гнр ^ Са(ОН)2 + НОСН О Н«Н+НОН-4СНз-<:^4СНзСООН Примеры и задачи для самостоятельного решения Решение приведенных задач и упражнений поможет вам обобщить полученные знания. 1. Используя воздух, воду и технологическое оборудование, объясните химические и технологические основы ниже приведенных процессов, которые подразумевают Полунине минеральных удобрений. 1) Выделение азота из воздуха. 2) Получение водорода и кислорода электролизом воды. 3) Получение аммиака из азота и водорода. 4) Получение окиси азота из аммиака. 5) Получение двуокись азота из окись азота. 6) Получение азотной кислоты из двуокиси азота в кислородной q>eдe. 7) Получение нитрата аммония из аммиака и азотной кислоты. 8) Грануляция нитрата аммония и его складирование. 2. Температурный коэффициент реакции равен 2. Во сколько раз повысится скорость реакции, еати температура с Ю'С возрастет до 100*С. 3. На сколько градусов от 0®С необходимо поднять температуру, чтобы увеличить в 100 раз сксфость реакции, температурный коэффицент которой равен 3? 4. При повышении температуры от 20*С до 70“С скорость реакции увеличилась в 1200 раз. Определитетемпературныйкоэффиценитреакции. 5. Во сколько раз увеличится скорость ниже приведенных реакций, если увеличить в 3 раза объем газов, участвующих в этих реакциях? a)Hj+Fj=2HF; б) 2NO +Oj=2NOj. 6. Горение этилена выражается следующим уравнением: CjH^+30j=2C0j+2Hj0. Во сколько раз увеличится скорость реакции, если концентрация кислорода увеличится в Зраза? 7. При установлении равновесия вещества, участвующие в реакции 2NO+Oj=2NOj имеют следующие концентрации: [N0]=0,056 моль/л, [OJ=0,028 моль/л, (N0j]=0,044 моль/л. Рассчитайте константу равновесия реакции. 8. Когда вещества, участвукяцие вреакции: 2NO+Oj=2NOj имели следующие концентрации, установилось равновесие: [МО]=0,2«ольЛ, [О2]=0,1иол^, [NOj]=0,0dMO.Ti/T. Расчитайте равновесную константу реакции и начальньк концентрации веществ. 9. Как воздействует повышение температуры и понижение давления на нижеприведенные химические реакции: ЗHJ+N=2NHз+92,04кДж 20j+0 =20з+192,46 кДж СН,+С02=2С0+2Нз-251,46кДж 192 У1гмва.ОБОБЩЕНИЕЗНАИИЙПОНЕОРГАНИЧЕСКОЙИОРГАНИЧЕСКОЙХИМИИ § 56. j Перспективы развития в Узбекистане химической науки и химической промышленНо^и Химическая наука и химическая промышленность имеет большое значение в обеспечении благосостояния человека. На сегодняшний день химия и химическая промышленность вносит свой неоценимый вклад в производство самого необходимого для жизнедеятельности человека-чистая вода, продукты питания, одежда, лекарства, косметические препараты, моющие средства, строительные материалы. Химия также как и другие естественные науки: физика, биология, математика, география, геология, минералогия, астраномия вносит свой вклад в изучение еще нераскрытых сторон природы. Для развития химии в Узбекистане в ряде институтов Академии Наук Республики и химических факультетах, кафедрах университетов проводятся исследования по различным отраслям народного хоязяйства. Такие физиологически активные соединения как лагоден, тимоптин, газолидон, предложенные учеными института Биоорганической химии, успешно применяются в медицине, а феромоны - в сельском хозяйстве. Широко применяются в медицине такие препараты как “Аллопинин”, “К-строфантин”, “Олито1»13ид”, “Эксиден”, разработанные учеными Института химии растительных веществ. Ушешно применяются в сельском хозяйстве целый ряд минеральных удобрений, дефолиантов и других физиологичеаси активных веществ, разработанных учеными научно-исследовательского Института химии. Растворимые полимеры, созданные академиком Ахмедовым К.С., применяются в различных областях народного хозяйства. Препараты типа “К” применяются при защите почвы от эррозии, укржлении зыбучих песков, а также в производстве бетона и керамики. На основе безотходной технологии академиком Салимовым 3.3. разработан и внедрен сферический и полусферический поглотитель паров ацетона - отхода Ферганского химического завода по выпуску волокон. А также разработана экономически выгодная установка “Пневмо”, которую начали внедрять на масло-жировьк комбинатах. Член-корреспондент АН РУз Абубакиров Н.К. изучил химическое строение и фармакологические овойства природных гликозидов и вьщелил такие лекарственные препараты как “Эризимозид”, “Сцхзфантидин ацетат”, “Псоролен” которые применил на практике. Химия не только близко связана с другими естественными науками, но и, на сегодняшш1Й день, включает в себя целый ряд специальных химических наук. Имеются § 56. Перспективы развития в Узбекистане хилшческой науки и химической промышленности 193 десятки химических наук такие, как неорганическая, аналитическая, органическая, физическая химия, электрохимия, химия высокомолекулярных соединений, химия элемент органических соединений, класси^шсация и сертификация товаров на основе химического строения (см. 3 страницу обложки). Из таблицы видно, что наука классификация и сертификация товаров на основе химического строения, предложенная в 1997 профессорами Узбекистана И.Р. Аскаровым и Т.Т.Рискиевым, заняла свое место среди химических наук После обретения независимости государством в 1991 году правительство Узбекистана уделило особое внимание сертификации всей продукции с целью всесторонней защиты населения. Созданная в Узбекистане и признанная во всем мире новая наука имеет практическое значение в обеспечении населения качественными, экологически чистыми продуктами питания, одеждой и другими продуктами. На основе химического строения каждому сырью или продукту вьщается сертификат. ®L Практические занятия Практическая работа № 1 Получение двуокись углерода и знакомство с его свойствами 1. Положите несколько кусочков мела или мрамора в пробирку и налейте немного разбавленной соляной кислоты. 2. Закройте пробирку пробкой с тонкой газоотводной трубочкой. 3. Конец трубки опустите в другую пробирку, в которую налито 2-3 мл известковой воды, и понаблюдайте за происходящим явлением. 4. Газоотводную трубку опустите в раствор на 2 мин. Вынув трубку, добавьте в полученный раствор несколько капель раствора синего лакмуса. 5. Добавьте в пробирку 2-3 мл разбавленного раствора гидроксида натрия и несколько капель фенолфталеина. Затем, через полученный раствор пропустите газ. 6. Возьмите 10 г образца почвы и смешайте с водо11 Смесь отфильтруйте и перелейте в пробирку. Положите образец почвы в пробирку и налейте немного разбавленного раствора соляной кислоты. Что прснтзошло? Налейте в фильтрат, полученный выше, немного раствора нитрата серебра. Отфильтруйте образовавшийся белый осадок Разделите осадок на 2 части: к одной части прилейте немного разбавленного раствора соляной кислоты или аммиака. А вторую нагрейте. Что произошло? 13-Химия, 9класс. 194 Практические занятия Задание: 1. Напишите все уравнения реакций про»жнн1-£х опытов. 2. По результатам опытов сделайте выводы. Ф. Практическая работа JVs 2 Решение экспериментальных задач по теме «Щелочные металлы» и «Кальций». 1. В четырех пронумерованных пробирках налиты следующие соединения: а) хлорид натрия; б) гидроксид натрия; в) карбонат натрия; г) нитрат натрия. Определите, в какой из пробирок находится каждая соль. 2. В четырех пронумерованных пробирках находятся следующие соединения: а) хлорид калия; б) карбонат калия; в) карбонат кальция; г) хлорид кальция. Определите, в какой из пробирок находится каждая соль. 3. Определите, вкоторойиз двух данных вам пробирокспрозрачным раствором имеется гидроксид калия, а вкоторойгидроксид кальция. 4. Напишите уравнения реакций, следующих превращений: Ca(OH)j—^ CaCX)j —з Ca(HCOj)j—^ CaCOj —з CaClj Напишите все уравнения реакций вышеуказанных экспериментов в молекулярном, полном и сокращенном ионном виде. 5. Вояэмите 2-3 мл прозрачного раствора известковой воды. До помутнения пропустите через раствор двуокись углерода. 1^зделите помутневший раствор в три пробирки. A) В1-пробирку налейте известковопо воду; Б) Во 2-пробирку - раствор карбоната натрия; B) 3-пробирку нагрейте. Задание: 1. Объясните химические процессы, протекающие в проведенных экспериментах, и напишите уравнения реакций. 2. Составьтеотчетопроделаннейработе Практическая работа М3 Получение этилена и ацетилена и изучение их свойств /. Получение этилена и изучение его свойств. 1. Налейте в одну пробирку 2-3 мл этилоюго спирта и осторожно добавьте 6-9 мл концентрированного раствора серной кислоты (будьте осторожны). Насыпьте в пробирку немного чистого Лрактииеские занятия 195 пеака, чтобы предотвратить разбрызгивание при кипении. Закройте пробирку пробкой с газоотводной трубкой. Закрепите на штативе и постепенно начните нагревать. 2. В другую пробирку налейте 2-3 мл бромной воды. Опустите до дна газоотводную трубку. Понаблюдайте прохождение газа чдзез бромную воду. 3. В третью пробирку налейте 2-3 мл разбавленного раствора перманганата калия, в которую бьша предвартгтельно налита серная кислота, и опустите до дна пробирки конец газоотводной трубки. Понаблюдайте за происходящим явлением. 4. Испьпайте горючесть выделившегося газа. 2, Получение ацетилена и изучение его свойств. 1. Положите в пробирку несколько кусочков карбида кальция, налейте воды и сразу же закройте пробкой, к которой присоединена газоотводная трубка. Проведите следующие испытания с зыделякждимся газом: а) попробуйте поджечь (будьте осторожны) б) пропустите через бромную воду; в) пропустите через ра^вленный раствор перманганата калия. Задание: 1. Напишите все уравнения реакций протекакнцих химических процессов. 2. В чем различие в процессе горения этих двух газов и почину? 3. Сравните опыты, приведенные в пунктах 2,3 и б, в со свойствами метана. СИ Лабораторные занятия Лаб(фаторная работа № 1. /. Свойства карбонатов и гидрокарбонатов и изучение их взаимного перехода 1. Пропуститедвуокисьуглерода через2-3млсвежеприготсжленногораствораизвестковойвоцы. 2. Продолжайте пропускать двусжись углерода через раствор. 3. Доведитедокипенияпрозрачныйрастворвпробирке. Задание для самостоятельного обобщения: 1. Почему мутнеет раствор известковой воды при пропускании двуокись углерода? 2. Почему растворстановится светлым, если продолжить пропускать через него двуокись углерода? 3. Объясните почему при нагревании образуется осадок? 196 Практические занятия 4. Напишите ссчлветсг «ующие уравнения реакций вмолекулярном, в ионном и ссяфащенном ионнсяи внае. //. Качественная реакция на карбонат-ион Положите в одну пробирку мел, а в другую к^онат магния. Налейте в одну из пробирок 1-2 мл разбавленного раствора соляной кислоты, а во вторую- разбавленную серную, HjSO^. Обе пробирки закройте пробкой с газоотводной трубкой, опустите конец трубки в проби}жу с раствором известковой воды. Задания для самостояте/лного обобщения: 1. Основываясь на проведенных эксперементах, сделайте вывод, какая из реакций характерна для карбонат-исжа. 2. Напишите соответствующие уравнения реакций в молекулярном, ионном и сокращенном ионнсви виде. ®L Лабораторная работа № 2. Знакомство с образцани природных силикатов 1. Рассмотрите данные Вам образцы природных силикатов. Обратите внимание на внешний ввд. Проверьте их прочность. Задания для самостоятельного вывода: 1. Составьтетаблицу и запишите свои наблюдения. 2. НазовитеминералынаосновесвоихнаблкдениЯ. dX Лабораторная работа №3. Знакомство с составом и видами стекол. Знакомство и изучение сборника «Стекло н изделия из него» Рассмотрите данные Вам различные виды стекол и изделия из них Задания для самостоятельногообобщения: 1. Определите,ккакимтипамстеклоотносятсяэтиобразцы. 2. Объясните, на основе каких характерных свойств стекла изг. -таБливаютси изделия. Практические занятия 197 (D. Лабораторная работа; №4. Знакомство с образцами металлов 1. Рассмот{нтгедашп>1е образцы металлов и назовите их. 2. С помощыотаблиц справочника определите твердость итемпературу плавления каждого металла. 3. Для сравнения их теплопроводности, возьмите две одинаковые пластинки из железа и из меди, поместите кусок парафина на одном конце, а другой нагрейте. На основе проведенного эксперимента, опредилите какой из металлов имеет большуютеплопрсяводимость. Задания для самостоятельного вывода: 1. Рассмотрев образцы данного металла, назонпе их. 2. Запишите в один рад твердость, температуру плавления и теплопроводность изученных металлов в псхрадке из возрастания. Ф, Лабораторная работа № 5. Изучение образцов сплавов 1. РассмотряттеданныеВамобразцысплавов. Задания для самостоятельного обобщения: 1. Проверьте твердость и пластичность данных образцов. 2. Обратите внимание на их цвет. Ф, Лабораторная работа № 6. Взаимодействие растворов солей с металлами 1. Налейте в первую пробирку 2-3 мл раствора нитрата серебра, во втрорую - сульфата меди и в третью - нитрата свинца. Положите в первую пробирку медную проволку, во вторую опилки железа, а в третью опилки меди. 2. Какие соединения образовались в каждой пробирке? Напишите молекулярные, полные и сокращенные ионные уравнения сооттетствующих реакций. 198 Яр1 штические занятия (й Лабораторная работа № 7. Электролиз растворов хлорида меди (И) и йодида калия 1. Налейте в U-образную трубку на 3/4 раствор медь хлористая. Отпустите в одну сторону электрорлизера медный, а в другую графитовый электроды. Подсоедините графитовый электрод (катод) к отрицательному, медный электрод (анод) к положительному источнику постоянноготсжа. Понаблю’шйте, как изкатода вьщеляется чистая медь. Что при этих условиях происходитна аноде? Какой газ выделяется? Изменив полюса электродов, снова подсоедините их к источнику тока Какому изменению поднергаегся медь на аноде? 2. Налейте в электролизер 2 М раствор йодида калия. Опустите в него графитовые электроды н подсоедините их к источнику тока. Понаблюдайте, как на катоде образуется водородные пузыри, а на аноде выделяется йод. Отключив ток. вытащите электрюды. Затем налейте 1-2 капли раствора свежеприготовленного крахмального клейстера в тот конец, где произопшо вьщеление йода. Что вы заметший Задание для самостоятельного обобщения: 1. Напишите уравнения процессов, происходящих на катоде и аноде. 2. Объясните изменение цвета электролита вокруг электрода. (й Лабораторная работа JVi 8. Взаимодействие алюминия с растворами кислот и оснований 1. По-ложите в две пробирки кусочки алюминия. 2. В первую пробирку налейте раствор соляной кислоты. 3. Во вторую пробирку налейте раствор едкого нат{жя. Задание для самостоятельного обобщения: Псмаб.людайте за происходящими прся^ессами и напишите уравнения реакций. (й Лабораторная работа № 9. Изучение Ашмшшя и образцов его сплавов Ознакомьтесь с несколькими предметами, изготовленными из алюминия и сплавов алюминия, изложите свои мнения по поводу их свойств, а также областей применения. Практические занятия 199 Лабораторная рабога № 10. Получение гидроксида алюминия, изучение его взаимодействия с киаютами и щелочами 1. Налейте в одну ю двух пробирок 3 капли 0,5 М раствора нитрата алюминия, в другую 3 капли 1М раствора едкого натрия. Затем смешайте их. Образуется осадок гищхжсида алкяиииия. Разделив его на две пробирки, налейте в одну 6 капель 1М раствора соляной кислоты, а в другую такое же количество 1М раствора едкого натрия. Понаблюдайте за изчезновением осадка. Задание для самостоятельного обобщения: Напишите уравнения реакций образовавшихся продуктов в молекулярном, ионном и сокращенном ИОННСЯйВШЮ. Лабораторная работа № 11. Изучение влияния индикаторов на растворы солей алюминия 1. Налейте в пробирку 3-4 мл раствора хлорида алюминия, добавьте 2-3 капли раствора синего лакмуса. а) разделив раствор на две пробирк и, налейте в первую пробирку немного дистиллированной воды. б) вторую пробирку немного нагрейте. Задание для самостоятельного обобщения: 1. Понаблюдайте за произошедшими ЯЫ1СНИЯ.ЧИ и объясните их. 2. Напишитепостадийноуравнениегидролизарастворахлорвдаашаминия. Лаб<ч>аторная работа № 12. Определение солей двух и трехвалентного железа 1. Налейте в пробирку 3-5 капель свежеприготовленного раствора FeSO^H добавьте несколько капель i^acTHfipaKpacHcrfi кровяной соли К^Ре(СМ)^.Пр(ш('людайте за образованием осадка-турнбулевой сини Fej[Fe(CN) Jj. Напишите уравнение реакции. Эта реакция считается качественной реакцией на присутствие Fe*^ ионов в растворе. 2. А. Налейте в пробирку 2-3 капли jwcTSupa хлорида железа (Ш) и добавьте одну каплю раствора желтой кровяной соли KJFe(CN)J. Пронаблюдайте за офазованием берлинской лазури FeJFe(CN)Jj. Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде. 200 Практические занятия Б. Налейте в пробирку 5-6 капель раствора FeQ,, 0,01 М раствора роданида аммония или калия. Раствор приобретает темно-красный оттенок из-за роданида железа (Ш) Fe(SCN),. Напишите уравнение реакций в молекулярном и ионном виде. 3. Реакции а и б считаются качественными реакциями на ион Fe4 Задание для самостоятельного обоби1ения: 1. Поясните произошедшееявление. 2. Напишите ах>твегсг<)лсяцие уравнения реакций. Ф, Лабораторная работа JVs 13. Изучение образцов чугуна и стали 1. Хорошо рассмотрите данные Вам образцы чугуна и стали. 2. С помощью следующего отьпа определите отличия чугуна от стали. 3. Положите в одну пробирку кусочек чугуна, во вторую кусок стали, при этом вес этих кусков должен быть одинаковым. Добавьте в пробирку 2-4 мл разбавленной соляной кислоты и медленно натрейте. Если интенсивное выделение газов прекратится, прилейте в пробирки еще немного кислоты и продолжайте это до тех пор, пока выделение газа не прекратится совсем. Задание для самостоятельного обобщения: 1. Поясните произошедшее явления. 2. Напишите соответствукицие уравнения реакций. 3. В какой из гфобирок происходит бурное вьщелеиие газа? 4. Объясните свои наблюдения. (Р. Лабораторная работа № 14. Переработка нефти и кокосование каменного угля, знакомство с образцами продукциб Рассмотрите данные Вам образцы продуктов кокосования каменного угля и переработки нефти. Задагшя для самостоятельного обобщения: ПослеознакомлениясобразцамиопределитеихсвЫ1стваиобласти применения. Практические занятия 201 Ф. Лабораторная работа № 15. Растворимость глицерина в воде и реакция с гидратом окиси меди 1. Налейте в пробирку 1-2 мл глице{Ж11а и добавьте столько же воды, взболтайте, затем долейте в 2-3 раза больше воды. 2. Налейте в пробирку 2 мл раствора гидроксида натрия, добавьте к нему раствор сульфата меди (II) до появления осадка. В растворе осадком добавьте глицерин и взболтайте. Задания для самостоятельного обоби!ения: 1. Какова растворимость глицерина в воде? 2. Какая реакция характерца для глицерина и мпогоатомиых слшртов? 3. Напишигесоответствующиеуравненияреакций. Ф, Лабораторная работа № 16. Растворимость жиров, доказательство их ненасыщеиности, омыление жиров I. Растворимость жиров Налейте в одну прюбирку 2 мл бензингц во вторую воду, в третью этанол, в четвертую бензол, а в пятую тетрахлорметан. Положите во все прюбиржи по куску жира и взболтайте. 2 Доказательство ненасьаценноси жиров Налейте в одну прюбирку 2 мл подсолнечного масла, во вторую сафлоровое, в третью - кусочек твердого животного жир>а. Во все прюбирки налейте поршнями брюмной воды (третью прюбирку предварительно подогрейте, чтобы масло pacxaiuio). Задание для самостоятельного обобщения: 1. Каково воздействие воды на жир»>1? 2. В каких из представленных растворителях жиры лучше всех рестворяются? 3. Каким растворителем Вы воспользовались бы, чтобы вывести жирное пятно с ткани? 4. В какой из прюбирюк хорошо обесцветилась брюмная вода? 3. Омыление жиров Налейте в фарфоровую емкость 3 г жира или маргарина или сливочного масла и добавьте 7-8 мл 20% распюра гидрюкевда натрия. 202 Практические занятия. Для ускорения реакции добавьте 1-2мл этанола. Помешивая стеклянной палочкой и добавляя воду, чтобы восполнить уменьшающийся объем, прокипягитесмесь в течение 15-20 мин. Чтобы убедиться, что не осталось непрореагированного масла, налейте немного горячей смеси в пробирку с холодной водой. Если после мыла на поверхности водь) не появляются жирные капли, то это означает, что процесс омьше-ния завершен. Если жи{жые пятна всплывут, то продолжите кипячение смеси. Посте завершения реакции омыления, добавьте в образовавшуюся массу 0,5 гхлорвда натрияи опять прокипятите 1-2 минуты. Задание для самостоятельного обобщения: 1. Что вспльшает на поверхность воды в результате проведеннго опыта ? 2. Напишитеуравнение реакции вышеописанного процесса. 3. Каково практическое значение жиров в процессе омьшения? Лабораторная работа № 17. Взаимодействие глюкозы с гидратом окис меди Налейте в пробирку 2-3 мл раствора глюкозы и такое же количество разбавленного гидроксида натрия (NaOH должно быть больше, че.м необходимо). Затем добавьте несколько капель раствора сульфата меди (II). Полученный раствор нагрейте. Задание для самостоятельного обобщения: 1. Что собой прсдсгакляетрастворсинего цвета? Что докал .п^аст этот опыт? Почему при нагренаиии вначале о^эазуетсяосадсжжелтогоцветазатем красного? Напишите соогасп.ть>тощие>'раннения реакций. 2. Почему при нагревании образуется в начале осадок желтого цвета затем красного? 3. Напишите уравнение реакции и, определив полученные вещества, назовите их. Лабораторная работа № 18. Взаимодействие крахмала с йодом, гидролиз крахмала 1. Приготовление крахмального клейстера и реакции крахмала с йодом Налив в пробирку 4-5 мл воды, добавьте немного крахмала и взболтайте смесь. Постоянно взбалтывая полученную суспензию, по-немногу добавляйте в пробирку с кипящей водой. Полутенный клейстер разбавьте холодной водой в соотношении 1:20 и перелейте в две пробирки по 3-5 мл. В пробирку добавьте раствор йодвда калия. Практические занятия 203 Задание для самостоятельного обобщения: 1. Почему только в первой пробирке появился синий цвет? 2. Гидролиз крахмала Налейте в пробирку 2 мл крахмального клейстера, добавьте 6 мл воды и осторожно добавьте еще 0,5-I мл раствора HjSO^. Прокипятите смесь в течение 5 минут, затем нейтрализуйте ее растьг;р. ;м гидроксида натрия, добавьте немното свежепртпготовленного осадка гидрат окиси меди. Снова нагрейте содержимое пробирки. Задание для самостоятельного обобщения: 1. Что прсятсходит, когда крахмал HariveaiCT'в ni»KyrcTBHHHjSO^? 2. Что доказывает появление осадка желтого и красного цвета? 3. Напишите С01)твщсгиукшще уравнения реакций. (а Лабораторная работа № 19. Цветные реакции белков Биуретовая реакция Налейте в пробирку 2-3 мл раствора белка и добавьте к нему несколько мл раствора гидрат окиси натрия, затем нем1юго раствора сульфата меди. Ксантопротеиновая реакция Налив в пробирку 2-3 мл раствора белка, добавьте 0,5-1 мл раствора концентрированной азотной КЯСЖ1ТЫ (соблюдайте остс^жностъ при выполнении этой работы). Задание для самостоятельного обобщения: 1. Как можно доказать наличие белка в продуктах питания? 2. В чем сущность цветных реакций белков? ф. Лабораторная работа № 20. Знакомство с образцами натуральных и искусственных волокон Рассмотрев образцы «волокон», используя нижеприведенную схему, ознакомтесь с образцами природных и нск^сстзатн» и волокон. 204 Практические занятия Волокна Природные Химические > Растительные 1 Животные I fiayocmecHHbic | и; 1 1 Сиитапичакие ] д д д д Задание для самостоятельного обобщения: 1. По каким признакам можно отличить натуральные волокна от искусственных? (D. Лабораторная работа № 21. Свойства полимеров: изучение термопластичности, влияние на них растворов окислителей, щелочей и кислот 6. Положив в стакан куаж полиэтилена, налейте нехшого воды. Положив кусок полиэтиленовой трубочки или (кроме полиэтиленовой пленки) предмет из полиэтилена, на асбестовую сетку, ikmhcto нагрейте. С помощью стеклянной палочки измените форму предмета. Подождите пока нагревшийся полиэтилен остынет, затем снова измените его форму. С помощью щипцов для тигля поднесите один кусок полиэтилена к отню и нагрейте его. Положите несколько мелких кусков полиэтилена: а) в пробирку с бромной водой; б) в пробщжу с раствором перманганата калия; и обе проби{жи с содержащимися в них раствора ми нагрейте. Положите несколько кусочков полиэтилена; а) в пробирку с концентрированной H^SO^ б) в пробирку с концентрированной HNO^ в) в пробирку с раствором разбавленного гидроксида натрия и нагрейте все пробирки. 205 Чх><даясшиЕ Введение.................................................................3 I глава. ПОВТОРЕНИЕ НАИБОЛЕЕ ВАЖНЫХ ТЕМ, ПРОЙДЕННЫХ В8КЛАССЕ....................................................... 5 § 1. Пфиодическая система элементов и Периодический закон...............5 § 2. Изменение свойств элементов в периодах и группах...................9 §3. Заряд атома.........................................................]1 § 4. Типы химических связей; ковалентная (полярная и неполярная), ионная и металлическая..............................................15 §5. Валентность элементов и степень окисления...........................18 § 6. Теория электролитической диссоциации...............................20 II глава. t --------------———---------------------—.........——24 § 7. Общая характеристика неметаллов....................................24 §8. О&цаяхарактеристйкаэлеменговтруппыуглерода..........................26 § 9. Расположение углерода в периодической системе,строение его атома...27 § 10. Физические и химические свойства углерода.........................31 § 11. Важнейшиесоединения углерода.................................... 33 § 12 Угольная кислота и свойства карбонатов.............................36 § 13. Кремний. Расположение кремния в периодической системе и строшиеего атома.................................................39 § 14. Свойства кремния. Важнейшиесоединения...........................,.41 § 15. Силикатнаяпромышленносгь..........................................43 Шглава. МЕТАЛЛЫ....................................................... 49 § 16. Распространенность металлов в природе, получение и применение.....49 § 17. Физические и химические свойства металлов.........................54 § 18. Коррозия металлов.................................................57 § 19. Электролизиегопрактическоезначение................................60 §20. Щелочные металлы.................................................. 67 §21. Свойстванатрияикалияиихважнейшиесоединения.........................69 §22. Производство соды..................................................74 §23. Кальций и магний...................................................75 § 24. Жесткость воды и способы её устранения............................82 §25. Алюминий...........................................................84 §26. Железо.............................................................90 § 27. Металлургия в Узбекистане. Производство чугуна и стали............95 206 WniaBa.aPrAHH4ECKHECOf;atfflEHHR.....................................101 § 28. Органическая химия-химия соединений углерода................... 101 § 29. Теория строения органических соединетий........................ 103 §30. Предельные углеводороды......................................... 107 §31. Метан........................................................... 112 §32. Непредельные углеводороды.......................................115 §33. Углеводороды,имеющиевмолекуледваи более двойныесвязи............124 §34. Ароматические углеводороды......................................127 §35. Природные источникиуглеводородов................................ 130 §36. Одноатомныеспирты............................................... 133 §37. Многоагомныеспирты..............................................137 §38. Фенолы.......................................................... 139 §39. Альдегиды....................................................... 141 §40. Карбоновые кислоты..............................................145 Й1-Сложныеэфиры......................................................148 §42. Синтетические и искусственные мокядие средства..................152 §43. Строение углеводов и классификация..............................153 §44. Дисахарицы......................................................157 §45. Пол1юахаркаы....................................................158 §46. Амины...........................................................163 §47. Аминокислоты....................................................167 §48. Белки...........................................................171 §49. Вьюокомолекулярныесоединения....................................173 Углава.ХИМШИНАУЧНаТОШ11ЧЕСЗ<ИЙПРОП»ЕСС.______________________________ 179 §50. Перспективы химического проюводства.............................179 §51. Защита атмосферы и гидросферы...................................182 У1пава.ОБОШ{ЕНИЕЗНАНИЙПОНЕОРГАНИЧБСКОЙ И ОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ........................................ 186 § 52. Периодический закон и значение периодической системы элементов.186 §53. Теория строения органических соединений и значение изомерии.....187 § 54. Свойства неорганических и органических веществ, применегше и генетическая связь между ними................................................188 §55. Значение химических реакций в химическом производстве...........190 § 56. Перспективы развития в Узбекистане химической науки и химической промышленности..................................................192 Аскаров ИР. А 86 Химия: Учебник для 9 класса средних общеобразовательных школ / И.Р. Аскаров, Н.Х.Тухтабаев, К.Г.Гопиров; под общ. ред. И.Р.Аскарова-Т.: Государственное научное издательство «O'zbekiston milliy ensiklopediyasi», 2006.-208 с. 1.1,2. Соавтор. ВВК 24я721 ИБРАХИМ АСКАРОВ доктор химических наук, профессор НАЗИМДЖАН ТУХТАБАЕВ кандидат технических наук,доцент КАМАЛИДДИН ГОПИРОВ учитель химии высшей категории KIMYO 9-sinf uchun darslik {rus tilida) Ташкент, Госуд^ственное научное издательстю ‘4D‘zbekiston milliy ensiktepediyasi”, 2006 Редактор 3. Тилпабоев Переводчица Г. Тухтаохунова Худ. редактор А. Бурханов ,1Ызайнери компьютерная верстка А.Якубжанов Тех.редактор М, Олимов Корректор А. Дадабаев Подписано в печать 18.06Ж)6 г. Формат70x90 V,Бумага сфсетшш. Гарнитура Tunes. Усл.п.л. 15,21. УЧ.ИЗД.Л. 11.56. Тираж 26025. Заказ № 06-633. Государственное научное издательство «0‘zbekiston milliy ensiklopediyasi» Ташкент-129, улицаНавои, 30. Напечатано втипо1рафии творческого издательского-полшрафического дома «0‘zbekiston» Ташкент-129, улицаНавсм, 30. хронологическая таблица возникновения химических дисциплин НашапНЁ upe^iMcia Шифр Присвоение ученой Стеярни Г^с открыт ДЯКНЫЙ! тмемСит Лата BMMiUlOjWWilUl 1.--' — ч. . л -. га-ш \ Неоргииическая химия 02.00.01 химия, техника, физика-математики Англия i XVIt-Xrx век' Дэви Г., Дальтон Дж. Аки.1нтическ)1й химия 02.00.02 химия, техника, физика-математика Англия XVJl век Бойль Р. Оргниичсская химия 02.00.03 химия, техника, физика-математика Швеция 1808 год Берцелиус И. Физическая химия 02.00.04 хи.мия. техника, физика-математика Россия 1752 год Ломоносов М.В. Элешрохимия 02.00.05 химия, техника, физика-математика Италия XV11I-XIX век ГальваииЛ., Вольт А. Химия нысокомолекуляриых соединении 02.00.06 ХИМИЯ, техника Швеция 1833 год Берцелиус И. Химия длсменторганическнх сселинеПИЙ 02.00.08 химии, техника Германия 1841 год Бунзен Р., Фрамкланл Э. Химия ралиациоиных аешест» 02.00.09 химия США 1945 год Полинг л., Тодд А., Сейгер, Дыо-Винъо Биоор1ииическая химия, химия природных и физиологически «ктинных иешестн 02.00.10 химия США 1951 гол Хонли Э., Бартон М. Коллоих(Мдя и мембранном химия 02.00.11 химии, lexHMiui, ф11шк»-ма'1смигика Англия XIX век Трем Т. Химий и^^фти 02.00.13 химия.itxKHKa Россия XIX век Марковииков В.В. Рад>(Охимия 02.00.14 химия Франция 1898 год Кюри П., Складоиская-Кюри М. Химическая кинетика и катализ 02.00.15 химия. 1СХНИК» Россия XIX век Меншуткин Н.А. Химия и технология композиционных мятери&ло» 02.00.16 ':Т<и.и»1я, техника, физика-математика Россия XX век Кпргнн В.Н. КиаИТ0Ш1Я химия 02.00.17 химия, физика-математика Австралия XX век Шредиигер ,Э., Гамильтон, Паули В. Псрерхностная химия, физика и технологи;^ 02.00.18 хииня, техника, физнка-математика' США XX век Дж. Уиллард Гиббс Химия высокочистмхвешест» 02.00.19 ХИМИЯ, техника Франция 1876 год Муассан А. Хроматография 02.00.20 химия, техника Россия 1903 гоя Цвет М .с. Химия твердых вешеств 02.00.21 химия, техняка Нидерланды XIX век Вант-Гофф Я.Г. Кяяссификшия и сертифи Кения лсяиров т основе химического состаой 02.00.22 химия,. Технике Узбекистан 1997 год Аскаров И.Р., РискиевТ.Т. Свободной продаже не подлежит