Неорганическая химия - основные понятия, законы, формулы, определения и примеры

Содержание:

Химия — это наука о веществах и их превращениях. Предметом изучения химии являются вещества и происходящие с ними превращения.

Основная задача химии — изучение свойств, состава и строения веществ, а также условий, при которых вещества могут превращаться в другие вещества.

Широко простирает химия руки свои в дела человеческие. М. В. Ломоносов Вы уже знаете, что окружающий нас мир состоит из различных веществ. Мы дышим кислородом воздуха, а выдыхаем углекислый газ. Наша жизнь невозможна без воды, которая наполняет реки и моря, нависает в небе грозовой тучей и мерцает в виде льда на горных вершинах. Мы живем в домах из кирпича и бетона, а на пляже строим замки из песка. Мы пользуемся мылом, зубной пастой, духами, а при простуде принимаем лекарства и витамины. Все это — примеры веществ, которые встречаются в природе или созданы человеком (рис. 1).

Рис. 1. Вещества в природе: а — вода; б — песок; в — камни

Рис. 2. Превращение веществ в природе: а — скисание молока; б — превращение дров в золу при горении костра

В курсе природоведения вы ознакомились с веществами и некоторыми их свойствами. Вы знаете, что вещества в природе взаимодействуют друг с другом. Они могут изменяться, превращаясь в новые вещества: железо ржавеет на влажном воздухе, покрываясь рыжим налетом; молоко скисает в тепле, образуя простоквашу; дрова горят в печи, превращаясь в золу (рис. 2). Веществам присущи различные свойства, и нам важно их знать, чтобы применять с пользой для себя и не наносить ущерб окружающей природе. Все разнообразие веществ, их свойства и происходящие с ними явления изучают химики.

Основываясь на сведениях о свойствах веществ, ученые предлагают пути их возможного использования в быту или промышленности. Современные химики могут получать вещества с заранее заданными свойствами, например различные лекарства и пластмассы. Использование уже известных веществ, а также получение новых веществ для удовлетворения потребностей человека — еще одна задача химии.

Вещества и их взаимопревращения интересуют не только химиков. Рассмотрим, например, малахит — камень зеленоватого цвета с темными прожилками (рис. 3а). Для химика это одно из соединений химического элемента Купрума.

Рис. 3. Малахит (а) и изделия из него: малахитовая шкатулка (б); ювелирные украшения (в)

Геолог заинтересуется им потому, что в природе малахит сопровождает месторождения других полезных минералов. А для ювелира малахит является прекрасным поделочным камнем (рис. 3б, 3в). Такие вещества, как пенициллин и гемоглобин, являются объектами изучения не только химиков, но также медиков и биологов. Металлы в качестве проводников электрического тока интересуют физиков и электротехников, а в качестве прочных конструкционных материалов — архитекторов. Строителю важны явления, происходящие при затвердевании бетона, а повару — процессы во время варки или квашения овощей. Представителям многих профессий важно знать свойства веществ, которые они используют, поэтому им нужны знания по химии.

Химия — область естествознания

Химия — одна из наук о природе, или естественная наука. Естественными являются и другие дисциплины, которые вы изучаете в школе,— и география, и физика, и биология. Это разные области естествознания. В природе все взаимосвязано, и изучать ее нужно во всем разнообразии. Комплексный подход к изучению природы очень сложен, он требует знаний в различных областях. Как образуются горные породы? Почему со временем разрушаются подземные трубопроводы? Почему увеличение количества углекислого газа в атмосфере ведет к потеплению климата на планете? Невозможно представить человека, который знал бы ответы на все подобные вопросы. Поэтому уже давно произошло разделение естествознания на отдельные области: географию, геологию, биологию, физику, астрономию, химию и др. Каждая из этих наук имеет свои объекты изучения (рис. 4), свои особенности, свои методы исследований и пути применения полученных знаний на практике. Химия тесно связана с другими науками о природе, особенно с физикой и биологией. На стыке этих дисциплин возникают смежные области науки. Например, физическая химия, изучающая химические процессы с точки зрения физики, или, наоборот, химическая физика, рассматривающая химические основы физических явлений. Изучением процессов, происходящих в живых организмах, занимается биохимия. Известны и другие смежные области химии, которые связывают ее с биологией, медициной и сельским хозяйством,— это фармацевтическая химия (химия лекарств), токсикологическая химия (химия ядов), агрохимия. Химия связана с астрономией (астрохимия и космохимия), с геологией и географией (геохимия). Химия имеет также самостоятельные разделы: органическая химия, неорганическая химия и др. На уроках химии в школе вы в основном будете изучать общую химию, а также химию органических и неорганических веществ.

Рис. 4. Естественные науки и объекты их изучения: а — Вселенную, галактики и звезды изучает астрономия; б — отдельные планеты изучают как физика, так и биология; в — химический состав почв и воды изучает химия; г — частицы, из которых состоят вещества,— атомы — изучают химия и ядерная физика

Химия в промышленности Химия не только область естествознания, но и сфера производственной деятельности человека. Где бы мы ни были: дома или на заводе, на теплоходе или в поезде, глубоко под землей или далеко в космосе — везде мы сталкиваемся с результатом использования химических знаний, с продуктами химической промышленности.

Металлургическая промышленность: Технический прогресс невозможен без металлов. Но большинство из них не встречаются в природе в чистом виде. Их получают из металлических руд в результате химических превращений.

Химическая промышленность: Нас повсюду окружают материалы, которые не встречаются в природе: резины и пластмассы, клеи, лаки, шампуни, моющие средства и т. д. Если бы не открытия химиков, то эти материалы остались бы для нас неизвестными.

Лакокрасочная промышленность: Природа вокруг нас богата яркими красками. И все, что производим, мы также пытаемся украсить. Но краски, устойчивые к стирке, сильному освещению и перепаду температур, без химических знаний создать невозможно.

Агрохимическая промышленность: Вырастить богатый урожай помогают минеральные удобрения, защитить растения от вредителей — пестициды. Все эти вещества созданы с применением химических знаний.

Пищевая промышленность: При изготовлении пищевых продуктов сегодня используются различные вещества: вкусовые добавки и эссенции, красители и разрыхлители для теста.

Фармацевтическая промышленность: Без химии не может обойтись и современная медицина. Человеку нужны разные лекарства — от простого аспирина до сложных препаратов против СПИДа и рака.

Целлюлозно-бумажная промышленность:Мы ежедневно сталкиваемся с продукцией целлюлозно-бумажной промышленности: тетради, плакаты, обои, учебник, который вы держите в руках.

Химия и окружающая среда

Часто люди относятся к химии без должного уважения. Они упоминают не ее достижения, а погибшую рыбу в реке, выжженную растительность возле химических заводов и аллергию на стиральные порошки. Конечно же, наука не виновата в том, что ее достижения часто используют неправильно и наносят ущерб здоровью человека и окружающей среде. Любые знания могут как нанести ущерб, так и принести пользу. Все зависит от того, как этими знаниями пользоваться. Поэтому еще одной важной задачей химии является рациональное использование веществ человеком. Для этого необходимо знать свойства веществ, возможные области их применения, благоприятное и негативное влияние на организм человека и природу.

Выводы:

1. Химия — наука о веществах и их взаимопревращениях. Основная задача химии — изучение свойств, состава и строения веществ, а также условий, при которых одни вещества могут превращаться в другие.
2. Химия — одна из наук о природе. Вместе с физикой, биологией, географией и другими науками она составляет область науки — естествознание. Все эти науки исследуют природу, но по-разному.
3. 3Химические знания используются человеком почти во всех сферах деятельности: в промышленности, быту, медицине и т. д.

Краткие сведения из истории химии

Ремесленная химия Первые химические знания возникли у самых истоков цивилизации — в те времена, когда человек научился получать и поддерживать огонь, когда зарождались ремесла и искусства. Люди научились применять простейшие химические превращения для удовлетворения своих потребностей в тепле, одежде, пище. Прежде всего, это было связано с использованием огня. Пойманную дичь можно было сварить — и она меняла цвет и вкус.

Рис. 5. Такую простую, но очень удобную посуду изготовляли ремесленники еще 5 тыс. лет назад

Глиняную посуду можно было обжечь — и она становилась более прочной (рис. 5, с. 11). В оставшейся от костра золе человек находил стеклянные шарики, которые образовались из песка при высокой температуре. Пламя внутри костра разогревает предметы до температуры 700–800 °С. При такой температуре невозможно было варить стекло, плавить металлы, выпекать керамику. Древнейшие ремесла — крашение тканей, изготовление парфюмерии и лекарств — не требовали сильного нагревания. Изобретение печи с нижней подачей воздуха (рис. 6) позволило получать температуру около 1000–1200 °С. После этого начали активно развиваться металлургия и производство керамики — горшков, ваз (рис. 7), кафеля, кирпича, стекла (рис. 8). Постепенно, век за веком, накапливались знания и опыт. Люди овладевали ремеслами, что в свою очередь способствовало развитию цивилизации. История человечества неразрывно связана с получением необходимых человеку вещей — пороха, бумаги, красок, топлива, цемента, стали, стекла и многих других веществ, которые не встречаются в природе в готовом виде.

Рис. 6. Печь с нижней подачей воздуха. За счет такой конструкции температура пламени значительно повышается, что позволяет выплавлять металлы и обжигать керамику

Рис. 7. Древние изделия из фарфора. Фарфор впервые начали изготавливать китайские ремесленники в III в. до н. э.

Рис. 8. Древние изделия из стекла. Стекло варили в Месопотамии еще в III–IV тыс. до н. э.

Рис. 9. Изделия трипольской культуры

С появлением ремесел возникла и древнейшая из разновидностей химии — ремесленная химия. Она еще не была наукой в современном понимании, а была лишь определенным набором знаний о веществах и их превращениях. Однако ремесленный период можно назвать первым этапом становления химии. Около 6 тыс. лет назад существовала так называемая трипольская культура, для которой было характерным изготовление изделий из меди, развитие гончарного и кожевенного ремесел (рис. 9).

Химия в античном мире:

Значительный вклад в развитие ремесел внесли древние цивилизации — города-государства Междуречья, Древний Египет и Древняя Греция. Древний Египет считался общепризнанным центром ремесленной химии. Наиболее востребованными химическими ремеслами были изготовление, отбеливание и крашение тканей, изготовление украшений из стеклянных бусин и, конечно же, выплавка металлов: меди, бронзы, железа. В Древнем Египте большое внимание уделяли косметике. Египтянки пользовались мылом и кремами, красили ногти, губы, брови и волосы. Краски, изготовленные в Древнем Египте, сохранились по сей день и поражают своей стойкостью и яркостью (рис. 10).

Рис. 10. Рисунки на стенах египетских дворцов и храмов выполнены красными, желтыми и коричневыми красками. Эти краски до сих пор не утратили своей яркости

Египетские жрецы собирали, записывали и сохраняли информацию о ремеслах, оберегая ее от посторонних. Первые попытки дать знаниям ремесленников научное обоснование были предприняты в Древней Греции. Именно там возникла наука античная философия. Ее раздел о внутреннем строении вещей и превращении одних веществ в другие иногда называют античной химией. Древнегреческие философы первыми предложили теорию строения вещества, согласно которой все предметы состоят из мельчайших неделимых частиц — атомосов.

Возникновение слова «химия»

Поскольку химические знания у древних народов по обыкновению ассоциировались с Египтом, их начали называть египетскими. Возможно, слово «химия» (латин. khemeia) происходит от древнего названия Египта (на древнеегипетском языке оно звучало как «хам» — Kham), следовательно, оно должно означать «египетское искусство». Однако сегодня более популярным является предположение, что слово

Демокрит (470–360 гг. до н. э.)

Древнегреческий философ-материалист. Родился в г. Абдера во Фракии. Его подробная биография не известна, согласно некоторым источникам, он много путешествовал (в Египет, Вавилон, Персию, Эфиопию и Индию) и имел энциклопедические познания во многих областях. Демокрит изучал все известные в то время науки: этику, математику, физику, астрономию, медицину, теорию музыки и др. Из многочисленных трудов Демокрита до наших дней сохранилось лишь 300 фрагментов. Эти работы отличаются простотой, ясностью изложения и поэтичностью. Демокрит первым выдвинул гипотезу, что все тела состоят из мельчайших неделимых частиц — атомосов.

«Химия» происходит от греческого «химос», что означает «сок растения». Тогда «химия» означает «искусство выделения соков». В греческом языке сок, о котором идет речь, мог также означать и расплавленный металл, поэтому «химия» может трактоваться как «искусство металлургии». Также существует версия, что слово «химия» происходит от «Хемес» — имени легендарного мудреца Гермеса Трисмегиста. Согласно легендам, на его могильной плите был записан рецепт изготовления философского камня — вещества, которое превращает любой металл в золото.

Алхимический период:

Шли столетия, угасла древнегреческая цивилизация, под давлением варваров пришел в упадок Древний Рим. В Европе начала распространяться новая религия — христианство. В Средние века христианская церковь считала химические знания порождением темных сил. Ученые преследовались священнослужителями и были вынуждены заниматься наукой тайком, а результаты своих работ шифровать или записывать символами (рис. 11).

Рис. 11. Гравюра из трактата известного алхимика Василия Валентина, где зашифрована одна из стадий получения философского камня: девушка с цветком — это медь; старик с горном означает сильное нагревание; лев — ртуть; реторта сзади и амур означают, что льва необходимо «смешать» с девушкой в реторте. (Реторта — круглодонный стеклянный сосуд с длинной изогнутой горловиной.)

Рис. 12. Ученый и его ученики в средневековой алхимической лаборатории

Но химия не исчезла: знания частично сохранились на Ближнем Востоке и в Средней Азии, где к наукам в те времена относились благосклоннее. В первые века нашей эры восточная цивилизация вступила в стадию расцвета и способствовала дальнейшему развитию наук.

В VIII в. н. э. арабы начали завоевание Европы. Вместе с завоевателями на оккупированные земли пришла их культура и наука, в том числе и химия, но уже под новым названием — алхимия. И хотя сегодня слово «алхимия» ассоциируется с обманом и шарлатанством, на самом деле алхимики были очень образованными людьми своего времени. Их вклад в развитие химии, медицины, биологии и других наук сложно переоценить. За 800–900 лет они открыли больше новых веществ, чем все человечество за предыдущие 5 тыс. лет. Алхимики довели до совершенства методы получения и очистки металлов, разработали новые способы изготовления лекарств, изобрели декоративные сорта стекла. Почти вся современная химическая посуда была придумана алхимиками (рис. 12).

Алхимия занималась не только ремесленными проблемами. Ученые-алхимики пытались раскрыть секреты происхождения жизни и человека (теория гомункулуса), изобрести средство от старости (эликсир молодости), изготовить лекарство от всех болезней (панацею), найти универсальный растворитель (алкагест) и даже изобрести вещество, которое превращает все металлы в золото (философский камень). Все эти грандиозные проекты закончились неудачей, но внесли большой вклад в науку и способствовали развитию химии.

Роберт Бойль (1627–1691)

Выдающийся английский ученый, занимался проблемами биологии, медицины, физики, химии, философии и теологии. Бойль первым отбросил префикс аль- в слове «алхимия», с тех пор наука начала называться химией. Его труды ознаменовали переход от средневековой алхимии к той химии, которую мы знаем сейчас, следовательно, его можно назвать основателем современной химии. Разработал первую теорию химической связи (сродствá веществ), предложил использовать некоторые вещества для выявления в растворе кислот и щелочей (кислотнооснóвные индикаторы).

Современная химия

Химия как наука в современном понимании начала развиваться в XVII в. Многие считают основоположником современной химии английского ученого Роберта Бойля, эксперименты которого положили начало химии как самостоятельной науке. Становление химии связано с внедрением практики измерений во время экспериментов. Химикам стало важно знать не только, как вещества реагируют, но и какова масса образовавшегося продукта или объем выделившегося газа. Измерения помогли установить количественные законы химии: закон сохранения массы вещества (М. В. Ломоносов, 1748 г. и А. Лавуазье, 1789 г.), закон объемных отношений (Ж. Гей-Люссак, 1808 г.) и др. Очень бурно развивалась химия в XIX в. В начале столетия английский ученый Джон Дальтон заложил основные принципы, которые со временем были сформулированы в виде атомно-молекулярного учения. Шведский химик Ян Берцелиус разработал систему химических символов. В сфере химии начали работать сотни ученых во всем мире. Они сформулировали десятки законов и принципов. В этот период было открыто вдвое больше химических элементов, чем за предыдущие тысячелетия. В середине XIX в. выдающимся российским ученым Д. И. Менделеевым был сформулирован периодический закон, который дал толчок развитию неорганической химии. Именно в это время его соотечественник А. М. Бутлеров сформулировал теорию строения органических веществ, которая стала основой развития органической химии.

Рис. 13. Ученый в современной химической лаборатории

За последние двести лет химия прошла огромный путь и превратилась в развитую науку, которая основана на фундаментальных теоретических принципах и стала могучим орудием в умелых руках ученых (рис. 13). Конечно же, на страницах учебника невозможно подробно рассказать о становлении и развитии химии со множеством интересных историй и легенд. Но по мере изучения этой науки мы неоднократно будем возвращаться к истории развития отдельных идей или понятий.

Выводы:

1. Историю развития химии можно разделить на несколько основных этапов — ремесленная и античная химия, алхимический и современный периоды. Смена этих периодов тесно связана с температурой пламени, которую можно было получить и поддерживать продолжительное время.
2. Для ремесленного периода характерным было применение химических знаний для изготовления необходимых предметов быта: горшков, стекла, фарфора, выплавки металлов и т. п. В античной химии начали появляться первые научные теории, которые продолжали развиваться в алхимическом периоде. Становление современной химии связано в первую очередь с использованием измерений масс и объемов веществ при проведении химических реакций.

• Человек научился выплавлять медь почти 6 тыс. лет назад, а железо — только 3 тыс. лет назад. Первые металлические зеркала из бронзы и серебра начали изготавливать в III тысячелетии до н. э.
• В современных языках осталось много слов из арабского языка: аль-кали — щелочь (от него происходит слово «алкалоид»), аль-коголь — спирт, альиксир — эликсир, аль-нушатир — нашатырь.
• Великий английский физик Исаак Ньютон в свободное время проводил многочисленные химические эксперименты в поисках философского камня.

Работа в химической лаборатории. Маркировка опасных веществ. Наблюдение и эксперимент в химии

Лабораторное оборудование и химическая посуда:

Работа в химической лаборатории неосведомленным людям иногда напоминает колдовство волшебника, а для других она ничем не отличается от обычных действий хозяйки на кухне. И действительно, химик в лаборатории — это все равно, что повар на кухне. Но химик орудует не обычной посудой, а специальной — химической — и смешивает не продукты питания, а химические реактивы.

Рис. 14. Лабораторный штатив: 1 — подставка, 2 — стержень, 3 — зажимы (муфты), 4 — держатель, 5 — кольцо

Для того чтобы успешно справиться с выполнением химических экспериментов, необходимо четко знать, какое оборудование есть в химической лаборатории, какая посуда используется химиками и для чего она предназначена. Также необходимо уметь правильно выполнять простые химические действия. На рисунке 14 изображено наиболее распространенное устройство в химической лаборатории — лабораторный штатив. На его стержне с помощью муфты крепятся кольца и держатели, в которых закрепляется химическая посуда. Таким образом на лабораторном штативе собираются самые разнообразные установки для опытов. На рисунке 15 изображена химическая посуда, с которой работает каждый химик. Простые опыты проводят в пробирках — стеклянных трубках, запаянных с одного конца.

Рис. 15. Химическая посуда и другое лабораторное оборудование

Если необходимо нагревание, пробирку закрепляют в пробиркодержателе. Для работы с растворами используют химические стаканы и колбы разной емкости.

Чтобы пробирки и колбы можно было нагревать, их делают из специального тонкого и термостойкого стекла. Но такие тонкостенные сосуды можно легко разбить, поэтому обращаться с ними нужно намного осторожнее, чем с обычной кухонной посудой.

Рис. 16. Измельчение веществ в ступке пестиком

Для определения объемов жидкостей используют специальную измерительную посуду: мерный цилиндр, мерный стакан, мерную пипетку и мерную колбу.

Если необходимо отобрать небольшое количество порошкообразного вещества, пользуются шпателем.

Бывает так, что при хранении сыпучее вещество слежалось и превратилось в твердый ком. Чтобы снова превратить его в порошок, необходимо воспользоваться ступкой — толстостенной керамической чашей с шероховатой внутренней поверхностью. Небольшой кусочек твердого вещества помещается на дно ступки и круговыми движениями растирается пестиком о внутренние стенки (рис. 16).

Для работы при высоких температурах используют фарфоровую посуду. Фарфоровая чашка — это тонкостенная керамическая емкость, предназначенная для выпаривания жидкостей. Ее можно нагреть и не бояться, что она треснет. Если же необходимо очень сильно нагревать вещество в закрытом сосуде, используют фарфоровый тигель. Его можно нагреть в специальных печах до температуры 1200 °С. Чтобы передвинуть горячие фарфоровую чашку или фарфоровый тигель, используют тигельные щипцы.

Нагревательные приборы. Строение пламени

Многие химические опыты требуют нагревания. В химических лабораториях чаще всего используют газовые горелки (рис. 17, с. 22). В них горит природный газ, который смешивается с воздухом в специальной камере. Обычно газ, смешанный с достаточным количеством воздуха, сгорает голубоватым несветящимся пламенем, температура которого может достигать 1500 °С. Если воздуха недостаточно,то пламя горелки становится ярко-желтым и коптит.

В школьных лабораториях чаще используют спиртовые горелки — спиртовки (рис. 18). В них горит этиловый спирт. Пламя спиртовки «холоднее», чем пламя газовой горелки, его температура не превышает 1200 °С. Иногда для нагревания используют спрессованное сухое горючее — «сухой спирт» (рис. 19). Его пламя еще «холоднее», и к тому же сильно коптит. Если внимательно посмотреть на пламя, то можно заметить несколько зон, которые отличаются цветом, а следовательно, и температурой (рис. 20). Во внутренней, самой холодной, части пламени воздух только смешивается с газом или парами спирта, там еще не происходит горение. Средняя светящаяся часть пламени — зона неполного сгорания. Самой горячей является внешняя часть пламени — зона полного сгорания горючего, она почти бесцветная.

Рис. 17. Газовые горелки: а — горелка Бунзена: 1 — трубка с отверстиями, 2 — заслонка с отверстиями для поступления воздуха, 3 — трубка для подачи газа; б — горелка Теклю: 1 — трубка, 2 — смеситель, 3 — диск для регулировки подачи воздуха, 4 — винт для регулировки подачи газа, 5 — трубка для подачи газа

Рис. 18. Спиртовка: 1 — резервуар; 2 — колпачок; 3 — фитиль; 4 — трубка с диском

Рис. 19. Устройство для сжигания сухого горючего: 1 — тренога, 2 — подставка; 3 — колпачок для тушения пламени

Рис. 20. Строение пламени: 1 — самая холодная зона; 2 — средняя зона; 3 — самая горячая, внешняя зона

Рис. 21. Сравнение температуры пламени: а — газовая горелка; б — спиртовка

Если необходимо нагреть предмет, то его нужно поместить в верхнюю часть пламени — туда, где температура самая высокая. Легковоспламеняющиеся жидкости (ЛВЖ) — спирт, бензин, ацетон — ни в коем случае нельзя нагревать на открытом пламени! Они могут загореться. Такие жидкости нагревают только(!) на электрических плитах с закрытой спиралью.

Даже в верхней части пламени невозможно нагреть предмет до температуры пламени. Во-первых, потому что в больших предметах теплота сильно рассеивается, а не концентрируется в одной точке. Например, во время нагревания на газовой горелке температура пробирки с веществом редко превышает 600 °С.

Маркировка опасных веществ. Безопасность во время работы в химической лаборатории

Быстрое развитие химической промышленности способствует появлению большого количества различных веществ для бытовых и промышленных нужд. Некоторые вещества представляют определенную опасность для здоровья и жизни человека. Многие из них, такие как кислоты и щелочи, в случае попадания на кожу или в глаза могут вызвать раздражение и даже химические ожоги. А многие вещества являются очень токсичными, их попадание в дыхательные пути или ротовую полость может вызвать отравление. При определенных

Рис. 22. Основные предупреждающие и запрещающие знаки: 1 — «Опасность»; 2 — «Едкое вещество»; 3 — «Легковоспламеняющееся вещество»; 4 — «Взрывоопасное вещество»; 5 — «Работать в очках»; 6 — «Огнеопасно»; 7 — «Радиоактивность» (повышенная радиация); 8 — «Высокое напряжение»; 9 — «Лазерное излучение», 10 — «Электромагнитное излучение»

условиях опасность представляют химически активные, легковоспламеняющиеся и взрывоопасные вещества. Для предупреждения об опасности используют маркировку веществ специальными знаками (рис. 22). Их обычно изображают на этикетках и упаковках. Часто знаки дополняются правилами пользования веществом. Их обязательно следует прочитать и соблюдать.

Работа в химической лаборатории всегда связана с определенной опасностью, поэтому во время опытов необходимо очень осторожно обращаться с химическими реактивами и оборудованием.

Особенно осторожными нужно быть при работе с нагревательными приборами. Во избежание ожога при нагревании химической посуды, необходимо использовать специальные приспособления — держатели, щипцы. Помните, что горячая посуда внешне ничем не отличается от холодной! Кроме того, особые меры предосторожности нужно соблюдать при нагревании легковоспламеняющихся веществ.

При выполнении химических опытов очень важно соблюдать технику эксперимента. Это позволит получить верный результат и предотвратит возникновение ситуаций, опасных для здоровья. Внимательно изучите правила безопасности в химической лаборатории и соблюдайте их. Помните, что большинство аварий и пожаров в лабораториях и на производстве происходят тогда, когда пренебрегают этими простыми правилами.

Наблюдение и эксперимент в химии

Химия занимается поиском, накоплением и систематизацией знаний о веществах. Это невозможно без использования определенных методов познания, среди которых можно выделить наблюдение и эксперимент.

Первым методом познания окружающего мира было наблюдение тел, веществ или явлений. Наблюдение — это целенаправленное и сознательное восприятие объекта для получения знаний о его свойствах.

Наблюдение должно быть активным. Что это значит? Вспомните, как вы ехали в автобусе и смотрели в окно. Если спросить вас, что происходило между второй и третьей остановкой, то вы вряд ли дадите точный ответ. Можно ли сказать, что вы проводили наблюдения? Нет. Вы просто созерцали происходящее за окном. Если бы вы целенаправленно наблюдали, то легко ответили бы на вопрос.

Но возможности нашего организма для наблюдений не безграничны: мы не видим микроскопические объекты, электрический ток, ультрафиолетовое излучение и многое другое. Поэтому мы используем разнообразные приборы и устройства: микроскоп, вольтметр, линейку и др. Эти приборы как бы усиливают наши органы чувств.

Человек всегда задает вопросы: «Как?», «Почему?», «А что будет, если…?». Для ответов на эти вопросы одних наблюдений недостаточно. Мы можем бесконечно долго наблюдать за каплей воды, но узнаем только о способности воды испаряться. Мы не определим, что происходит с водой при высокой температуре, проводит ли она электрический ток. Для того чтобы это узнать,необходимо провести эксперимент (от латин. experimentum проба, опыт). Эксперимент является способом получения знаний и проверки истинности предположений.

Во время проведения экспериментов создаются определенные условия. Объекты исследования нагревают или охлаждают, помещают под пресс, смешивают с другими веществами или действуют на них электрическим током.

Эксперимент неразрывно связан с наблюдением, так как изменения, происходящие с объектом, необходимо наблюдать. Эксперимент должен иметь определенную цель и происходить по заранее составленному плану.

Эксперимент может быть реальным и воображаемым. Кстати, существование мельчайших частиц вещества — атомов — впервые было доказано античным философом Демокритом именно благодаря мысленному эксперименту. Описывая и сравнивая явления, которые мы наблюдали, можно выделить некоторые закономерности. Вы, конечно, замечали, что в горячей воде сахар растворяется быстрее, чем в холодной. Вы наблюдали, как ржавеют оставленные под дождем железные изделия. А серебро и золото не «боятся» воды. Подобные наблюдения подводят нас к выводу о том, что в горячей воде вещества растворяются быстрее, а металлы проявляют разную активность при взаимодействии с водой.

Для того чтобы объяснить полученные факты, мы строим предположения, или гипотезу (от греч. ηψποτηεσισ — основание, предположение). Любая гипотеза должна быть подтверждена экспериментально. Доказанное предположение перестает быть гипотезой и становится теорией. Теория — это комплекс взглядов или мнений, который описывает, объясняет и предсказывает какие-либо явления. Теория может быть создана на основании ряда экспериментов. Но некоторые теории были выдвинуты на теоретической основе и лишь затем подтверждены фактами, как, например, самый важный в химии Периодический закон Д. И. Менделеева.

Во время учебы в школе и далее в своей жизни вам не раз придется наблюдать и экспериментировать. Большинство знаний о свойствах веществ, теории и законы были получены и открыты экспериментально. И вы также свои познания в химии будете получать или подтверждать, проводя эксперименты самостоятельно или наблюдая за действиями учителя.

Умение наблюдать и делать выводы, основываясь на своих наблюдениях, выдвигать гипотезы и отстаивать свои взгляды — важнейшие качества любого человека.

Выводы:

1. Для проведения химических экспериментов используют специальную посуду, приборы и приспособления. Каждое устройство используют по своему назначению с соблюдением соответствующих правил.
2. Для нагревания используют газовые горелки, спиртовки или сухое горючее. Газовые горелки позволяют нагревать предметы и вещества до большей температуры. При нагревании пробирку или другой объект, который нагревают, нужно держать в верхней части пламени, так как там самая высокая температура.
3. При работе в химической лаборатории нужно строго соблюдать правила безопасности, обращать внимание на предупреждающую маркировку на реактивах и предметах.
4. Для исследования веществ в первую очередь проводят наблюдения (невооруженным глазом либо с использованием специальных приборов). Основываясь на результатах опытов, формулируют гипотезы. Экспериментально доказанные гипотезы становятся основой законов и обобщаются в теории.

Правила безопасности при работе в кабинете химии. Приемы работы с химическим оборудованием

Кабинет химии — это небольшая химическая лаборатория. В нем вы будете проводить множество опытов. Работа будет безопасной для вас и окружающих, если соблюдать простые правила.

1. Работу начинайте с изучения описания опытов и только с разрешения учителя. Выполняйте только те опыты, которые приведены в описании.

2. Перед работой наденьте защитный халат, а также перчатки и очки (если они нужны).

3. Во время работы поддерживайте чистоту и порядок на рабочем месте. После работы помойте использованную посуду и вымойте руки с мылом.

4. При выполнении работы не разговаривайте, не занимайтесь посторонними делами и не отвлекайте соседей.

5. Каждая емкость с реактивами обязательно должна иметь этикетку с названием или формулой реактива. Не используйте емкости с реактивами без этикетки.

6. Открыв банку с реактивом, не кладите пробку на стол боком, а кладите ее низом кверху.

7. Реактивы для опытов нужно брать только в количестве, предусмотренном в описании опыта. Излишки взятого реактива нельзя сливать (ссыпать) назад в сосуд, где он хранился, а нужно помещать в специальную банку для отходов.

8. Никогда не берите реактивы руками, пользуйтесь для этого специальными ложечками, шпателями или пинцетами.

9. Наливая жидкости, емкость с реактивом берите так, чтобы этикетка была направлена вверх (рис. 23).

Рис. 23. Как правильно наливать жидкость

Снимайте каплю с края горлышка емкости, так как жидкость будет стекать по стеклу и может испортить этикетку или повредить кожу рук. Набирать жидкость из емкости можно также при помощи пипетки.

10. Химические реактивы нельзя пробовать. Это касается даже тех веществ, которые в повседневной жизни употребляются в пищу (поваренная соль, сахар, уксус).

11. Если вы хотите проверить запах реактива, никогда не подносите емкость к лицу, а, удерживая ее на некотором расстоянии, взмахами руки направьте воздух над емкостью к себе (рис. 24).

12. Для нагревания растворов в пробирке пользуйтесь пробиркодержателем. Внимательно следите за тем, чтобы отверстие пробирки было направлено в сторону от вас и окружающих, поскольку жидкость при перегревании может выплеснуться из пробирки.

13. Нагреваемая в пламени пробирка снаружи должна быть абсолютно сухой. Во избежание перегревания, сначала равномерно прогрейте всю пробирку, перемещая ее в пламени вверх и вниз, а затем нагревайте ее содержимое снизу.

14. Не заглядывайте в пробирку, в которой нагревается жидкость. Не наклоняйтесь над емкостью, в которую наливают какую-либо жидкость, так как мелкие капельки могут попасть в глаза. Лучше надеть защитные очки.

15. Горячая посуда по внешнему виду не отличается от холодной. Прежде чем взять емкость рукой, убедитесь, что она остыла.

16. Во время работы с растворами кислот и щелочей следите за тем, чтобы они не попали на кожу и одежду. Если случайно прольете кислоту на руки, немедленно смойте ее водой и протрите руки разбавленным раствором соды. В случае попадания на кожу раствора щелочи, сразу же смойте его водой и протрите это место разбавленным раствором борной кислоты.

17. В случае попадания едких растворов в глаза необходимо немедленно промыть их под струей воды, наклонившись над раковиной.

18. Если вы разбили посуду с химическими реактивами, осколки нужно выбрасывать только в специальный бак для мусора.

Рис. 24. Как правильно проверять запах реактива

Вещества и их физические свойства

Рис. 30. Тела изготавливают из материалов, а материалы — это индивидуальные вещества или их смеси

Все окружающие нас предметы называются физическими телами или просто телами. Тела могут быть природными, например Солнце, камень, зерно, снежинка, или созданными человеком — книга, мяч, ваза, автомобиль. То, из чего состоит тело, называют веществом. Например, гвозди сделаны из железа, мяч — из резины, ваза — из стекла, свечи — из воска или парафина. Железо, резина, стекло, парафин — это вещества. Иногда, говоря о том, из чего сделано тело, используют термин «материал». Материал — это вещество (или смесь веществ), которое используется человеком для изготовления предметов (рис. 30). Например, фундамент домов (тело) заливают бетоном (материал), а бетон изготовляют из цемента, песка и воды (веществ). Часто названия материалов и веществ совпадают. Например, для изготовления гвоздей используют железо. В таком случае «железо» обозначает и материал, и вещество.

Каждое тело имеет определенные массу, объем, плотность и множество свойств (признаков), по которым оно отличается от других тел или сходно с ними. На рисунке 31 изображены тела, изготовленные из железа. Они отличаются формой и размерами, но имеют целый ряд одинаковых свойств, обусловленных тем, что все они

Рис. 31. Тела, изготовленные из железа. Они отличаются по форме и назначению, но сходны по свойствам: твердые, не растворимые в воде, серого цвета, тугоплавкие, проводят электрический ток и имеют металлический блеск

Рис. 32. Тела одинакового размера и формы, но изготовленные из разных веществ.

Их можно различить по внешнему виду и свойствам изготовлены из одного и того же вещества. Таким образом, физические тела, образованные одним и тем же веществом, имеют подобные свойства.

Тела, изображенные на рисунке 32, имеют одинаковые форму и объем, но изготовлены из разных веществ. У них разный цвет, стеклянный шар прозрачный, а железный имеет металлический блеск и притягивается магнитом. Вещества, из которых изготовлены эти шары, имеют разную плотность, поэтому если их поместить в воду, то шар из дерева будет плавать на поверхности, а другие утонут. Резиновый и пластмассовый упругие, поэтому, если их бросить на пол, они подпрыгнут. А стеклянный шар при этом может разбиться. Таким образом, физические тела, образованные разными веществами, могут иметь одинаковую форму, но они обязательно отличаются по своим свойствам.

Физические свойства веществ

Свойства веществ — это признаки, по которым они отличаются друг от друга или сходны между собой. Выделяя главные признаки веществ, мы сможем их описывать, различать и правильно применять. Исследовать вещество — означает узнать о его свойствах. Различают физические и химические свойства.

Физические свойства характеризуют явления (процессы), в которых не происходит превращения веществ из одного в другое. К физическим свойствам веществ относят цвет, запах, вкус, способность изменять агрегатное состояние (она характеризуется температурой плавления и кипения), способность проводить электрический ток и теплоту, растворимость в воде, пластичность и др. Например, при обычных условиях вода — это бесцветная жидкость без вкуса и запаха, которая замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С, плохо проводит электрический ток, ее плотность равна 1000 кг/м3.

Рис. 33. Иллюстрация физических свойств воды: а — замерзает при 0 °С; б — кипит при 100 °С, температуру замерзания и кипения можно определить термометром; в — вода имеет плотность 1000 кг/м3 , ее можно измерить ареометром

Некоторые физические свойства, такие как плотность или температуру плавления, можно измерить (рис. 33). Соответствующие данные для некоторых веществ приведены в справочниках (см. Приложение 1). А такие свойства, как цвет, запах или вкус, определяются только непосредственным наблюдением, поэтому их сложно точно описать. Например, кому-то из нас море кажется синим, а кому-то — зеленым.

Нередко цвет вещества зависит от различных факторов. Так, вещества, кажущиеся бесцветными (например лед, стекло), в результате измельчения становятся белыми. Все видели медь — блестящий металл красноватого цвета, однако если его очень сильно измельчить, то по цвету он не будет отличаться от цвета почвы.

Таким образом, каждому веществу присущ определенный набор свойств. Конечно же, некоторые свойства у разных веществ могут быть сходными. Например, и сахар, и поваренная соль — вещества белого цвета, хорошо растворяются в воде. Однако сахар плавится при температуре 185 °С, а поваренная соль — при 800 °С, и кроме того, они отличаются по вкусу. Два разных вещества не могут быть похожи друг на друга по всем свойствам.

Почему же разные вещества имеют разные свойства? Дело в том, что вещества состоят из очень мелких частиц — атомов или молекул. Именно они определяют все свойства веществ. Каждое вещество имеет свой уникальный набор атомов или молекул. Молекулы разных веществ не подобны, часто они отличаются очень существенно, поэтому и образованные ими вещества отличаются по свойствам.

Агрегатные состояния веществ Описывая физические свойства веществ, необходимо указывать их агрегатное состояние при обычных условиях: твердое, жидкое или газообразное. Агрегатное состояние не является в полной мере физическим свойством вещества — это только состояние вещества при определенных условиях. Каждое вещество может находиться в разных агрегатных состояниях. В твердом состоянии частички вещества плотно закреплены в определенных положениях, они не могут перемещаться относительно друг друга, а только колеблются вокруг определенного положения (рис. 34а). Поэтому твердые вещества почти не сжимаются, не могут течь и сохраняют форму. В жидком состоянии молекулы также расположены плотно, но они более свободны и могут перемещаться относительно друг друга. Благодаря этому жидкие вещества также почти не сжимаются, но могут течь и приобретать форму сосуда, в котором хранятся (рис. 34б). В газообразном состоянии молекулы вещества находятся на значительных расстояниях друг от друга и свободно двигаются. Благодаря этому газообразные вещества легко сжимаются и расширяются и занимают весь объем сосуда, в котором хранятся, приобретая его форму (рис. 34в).

При изменении температуры и давления вещество может менять свое агрегатное состояние. Например, когда на улице температура воздуха опускается ниже 0 °С, вода в лужах превращается в лед — замерзает, или, научным языком, кристаллизируется. При кипении вода из жидкого состояния переходит в газообразное. Этот процесс называется испарением. А когда водяной пар охлаждается на холодной крышке кастрюли, то происходит обратный процесс — переход из газообразного состояния в жидкое — конденсация (рис. 35).

Рис. 34. Строение веществ в разных агрегатных состояниях: а — твердое вещество; б — жидкость; в — газ

Рис. 35. Названия переходов между агрегатными состояниями веществ

Когда говорят о веществах в газообразном состоянии, иногда наряду с термином «газ» используют термин «пары´ ». Пара´ми называют газ, образовавшийся вследствие испарения твердого или жидкого вещества. Так, в воздухе всегда присутствует бесцветный и незаметный для глаз водяной пар. А пар, который выделяется из чайника при кипении, состоит не только из водяного пара, но и из мельчайших капель воды, образующихся в результате конденсации. Таким же образом образуются облака и туман. Большинство веществ в определенном диапазоне температуры и давления могут одновременно находиться во всех трех агрегатных состояниях. Например, вода в условиях нашей планеты одновременно находится в виде твердого вещества (льда), жидкого и газообразного (водяной пар в атмосфере).

Чистые вещества и смеси

Вспомните: вещества состоят из мельчайших частиц — атомов и молекул, каждому веществу соответствует определенный набор атомов или молекул.

Смеси и чистые вещества в природе

В природе вещества в индивидуальном состоянии — чистые вещества — почти не встречаются (рис. 37, с. 44). Чаще вещества в природе смешаны друг с другом и образуют смеси. Смесями является морская и газированная вода, молоко и сок, гранит и сталь

Обозначение степени чистоты химических реактивов

Обычно химикам не требуются абсолютно чистые вещества, но иногда посторонние примеси могут влиять на результаты опытов. Поэтому на банках с химическими реактивами обязательно указывается степень чистоты вещества. Этикетка с надписью «Техн.» (техническое) указывает на высокое, до нескольких процентов, содержание примесей. Для химических опытов такие вещества не используют, но в строительстве и на заводах такой степени чистоты достаточно. Степень чистоты «Ч» (чистое) или «ХЧ» (химически чистое) обозначает, что в веществе примесей мало, менее одного процента. Чистые вещества уже можно использовать для производства лекарств, а химически чистые — для проведения научных опытов. В некоторых случаях нужны очень чистые вещества. Такие реактивы обозначаются «ОСЧ» (особо чистые), в них содержится меньше чем 10–6 процента примесей. Такие вещества нужны для проведения очень точных экспериментов, а также используются в производстве микросхем для компьютеров. Очистка веществ — это дорогой процесс, поэтому чем чище вещество, тем оно дороже. Например, особо чистые медь и железо стоят значительно дороже обычного золота.

Понятие о смесях и чистых веществах существовало еще у древнегреческих ученых. Согласно их представлениям, чистое вещество состоит из частиц одного вида, а смесь — из частиц разных видов.

Когда химики говорят о каком-либо веществе, имеется в виду, что оно чистое и состоит из частиц одного вида. Однако на практике идеально чистое вещество получить почти невозможно. Среди частиц одного вещества обязательно попадется несколько частиц другого.

Рис. 37. Редкие примеры чистых веществ в природе: а — самородное золото; б — самородная сера

Даже те вещества, которые называют чистыми, содержат посторонние частицы других веществ — примеси.

Однородные и неоднородные смеси

Во многих случаях мы не можем различить отдельные вещества в составе смеси. Так, мы не замечаем, что воздух — это смесь нескольких газообразных веществ. Внешне нельзя определить, что молоко — это смесь разных веществ, что большинство металлических предметов сделаны из сплавов, а не из чистых металлов. Такие смеси называют однородными. В них частицы, образующие смесь, настолько малы, что их невозможно рассмотреть невооруженным глазом (рис. 38).

Рис. 38. Однородные смеси: а — морская вода; б — пряжка ремня из латуни — смеси меди и цинка

Рис. 39. Неоднородные смеси: а — в граните можна увидеть вкрапления различных минералов; б — в газированной воде видны пузырьки углекислого газа

Когда мы пьем чай, кофе или другие напитки, мы имеем дело с водными растворами разных веществ. Отдельные частицы сахара или другие соединения в них увидеть невозможно, поэтому все растворы являются однородными смесями. Рассматривая гранит (рис. 39а), можно заметить в нем розовые зерна и прозрачные кристаллы. Это пример неоднородной смеси. В таких смесях отдельные вещества заметны невооруженным глазом.

Свойства чистых веществ и смесей

На рисунке 40 частицы двух чистых веществ схематически изображены в виде шариков разного цвета. Перемешаем эти шарики. Изменились ли они после этого? Нет, они просто перемешались. Ни форма, ни размер, ни цвет шариков в результате перемешивания не изменились. Так же и в смеси все вещества — компоненты — сохраняют свои свойства. Поэтому, основываясь на индивидуальных свойствах, смеси можно разделить на отдельные компоненты.

Рис. 40. В смеси свойства веществ не меняются

Рис. 41. Железо из смеси с солью притягивается магнитом (а), а соль не теряет способности растворяться (б)

Например, если поднести магнит к смеси железного порошка и поваренной соли, то железо к нему притянется, а соль — нет (рис. 41). Если эту смесь поместить в воду, то соль растворится, а железо — нет.

Сахар имеет сладкий вкус, а лимонная кислота — кислый. Попробуйте растворить в воде небольшое количество сахара и лимонной кислоты. Какой вкус будет иметь эта смесь? Кислый плюс сладкий равняется кисло-сладкому. Следовательно, каждое вещество в смеси не меняет своих свойств и придает некоторые свои свойства всей смеси.

На принципе сохранения свойств веществ в смеси основано изготовление материалов, ведь большинство материалов являются смесями. Например, чистое золото является очень мягким металлом и изготовленные из него предметы могут испортиться даже от слабого удара. Поэтому для изготовления ювелирных изделий в золото обязательно добавляют определенное количество меди или серебра. Конечно же, цвет такой смеси (сплава) немного отличается от цвета чистого золота, однако изделия из нее получаются более стойкими.

Как отличить чистое вещество от смеси

Рис. 42. Изображение капли молока под микроскопом

Это легко сделать, если смесь неоднородная и ее отдельные компоненты хорошо видны, как, например, песчинки в воде. Чистое вещество всегда однородное, поэтому даже при сильном увеличении его изображения под микроскопом все частицы, из которых оно состоит, будут иметь одинаковый вид.

Иногда, чтобы отличить смесь от чистого вещества, можно воспользоваться микроскопом.

Рис. 43. Измерение температуры кипения: жидкость внутри колбы нагревается на горелке, а термометр покажет температуру, при которой жидкость закипит

Молоко имеет вид однородной жидкости, но под микроскопом в нем видны капельки жира, плавающие в жидкости (рис. 42). Но даже микроскоп не поможет нам увидеть отдельные частицы в водном растворе сахара. Раствор, конечно, приобретет сладкий вкус, но в химической лаборатории пробовать вещества нельзя!

В этом случае нам помогут знания о физических свойствах веществ. Хотя каждое вещество передает свои свойства смеси, но никогда смесь не имеет таких же свойств, как чистые вещества по отдельности. Например, температура, при которой плавится сплав олова и свинца, ниже, чем температура плавления чистого олова или чистого свинца. Морская вода или раствор соли в воде замерзает при более низкой, а кипит при более высокой температуре, чем чистая вода. В этом случае достаточно измерить температуру плавления или кипения смеси (рис. 43) и сравнить результат с данными справочника для чистых веществ. Если есть отклонения от справочных данных, то исследуемое вещество не чистое, а является смесью.

Разделение смесей

Смесь можно разделить на отдельные компоненты, если знать их физические свойства. Смесь, компоненты которой существенно отличаются по свойствам, разделить легко. Но если свойства веществ подобны, этот процесс затрудняется. Современные химики научились разделять почти любые смеси, даже те, которые содержат большое количество компонентов.

В воде, зачерпнутой из реки, есть примеси ила, песка и растворенных солей. Песок от воды можно отделить отстаиванием — тяжелые песчинки быстро осядут на дне. Этот метод называют отстаиванием. Он основан на том, что более легкие вещества всплывают на поверхность, а более тяжелые — оседают на дно сосуда (рис. 44, с. 48).

Рис. 44. Если смесь серы с железом попадает в воду (а), то частицы серы всплывают, а железа — тонут (б)

Этим методом можно отделить, например, сливки от свежего молока, так как капельки жира легче воды и всплывают на поверхность, образуя сливки.

Если частицы в жидкости слишком мелкие и почти не оседают, то их можно отделить фильтрованием. Например, для очистки речной воды от речного ила ее можно пропустить через фильтр. В химических лабораториях используют специальную фильтровальную бумагу (рис. 45а). Это обычная бумага с очень маленькими порами (отверстиями). Для фильтрования смесь воды с илом наливают в воронку с бумажным фильтром (рис. 45б). Молекулы воды очень маленькие, намного мельче, чем любые частицы, которые видно невооруженным глазом. Они легко проходят сквозь поры в фильтре, а большие частицы, размер которых больше, чем размер пор, задерживаются фильтром (рис. 45в).

Фильтрованием можно разделить только неоднородные смеси. В однородных смесях с водой (растворах) растворенные частицы по размеру подобны молекулам воды и легко проходят через фильтр. Но такие смеси можно разделить выпариванием или перегонкой.

Рис. 45. Для разделения смесей фильтрованием используют фильтровальную бумагу (а), через которую пропускают неоднородную смесь с водой (б). При этом большие частицы, размер которых больше, чем поры фильтра, задерживаются, а вода и более мелкие частицы просачиваются (в)

Если необходимо разделить растворенные вещества, раствор наливают в фарфоровую чашку и выпаривают (рис. 46). Вода испарится, а растворенные вещества останутся на дне чашки. Выпариванием можно разделить смесь нелетучего вещества с летучим.

Для разделения смесей двух летучих веществ выпаривание применять нельзя. Смесь таких веществ можно разделить перегонкой (рис. 47). Для этого смесь помещают в колбу и нагревают. Жидкость, которая кипит при более низкой температуре, испаряется первой, и ее пары попадают в холодильник. В холодильнике они конденсируются (превращаются в жидкость), и в приемник по каплям стекает чистая жидкость. Этот метод разделения смесей называют также дистилляцией, поэтому воду, очищенную таким способом, называют дистиллированной.

Рис. 46. При выпаривании раствор нелетучего вещества в воде нагревают до полного испарения воды

Рис. 47. Приспособление для перегонки состоит из колбы с термометром для контроля температуры паров, холодильника, в котором охлаждаются пары´ , и приемника, в котором собирается очищенная жидкость

Перегонкой можно разделить однородную смесь двух жидкостей, которые кипят при разных температурах, например смесь спирта с водой. При нагревании такой смеси сначала испаряется и собирается в приемнике жидкость с более низкой температурой кипения — спирт. Когда весь спирт выкипит, жидкость в колбе продолжит нагреваться, а при температуре 100 °С начнет испаряться вода.

Действием магнита можно выделить из неоднородной смеси вещество, имеющее магнитные свойства (рис. 41, с. 46). Используя описанные методы, можно разделить большинство смесей на чистые вещества.

На греческом языке смеси называют словом «миксис». Какое значение, по вашему мнению, имеют слова «микстура», «миксер»? В переводе с латинского distille означает «капля». Как высчитаете, почему перегонка жидкостей получила название «дистилляция»?

Выводы:

1. Чистые вещества образованы одинаковыми частицами, а смеси — разными. Чистые вещества, входящие в состав смесей, называют компонентами смеси. В неоднородных смесях частицы компонентов видны невооруженным глазом, а в однородных смесях отдельных компонентов не видно, и на вид они кажутся чистыми веществами.
2. В смесях вещества сохраняют свои свойства и передают их смеси. На этом основана возможность разделения смеси веществ на чистые вещества. Для разделения смесей чаще всего используют фильтрование, отстаивание, выпаривание, перегонку и действие магнитом.

Атомы

Уже более двух тысяч лет назад ученые задумывались над тем, из чего состоят вещества. Размышляя над этим вопросом, известный древнегреческий философ Демокрит предположил, что все вещества должны состоять из некоторых частиц с очень маленькими массами. Он назвал их атомами, что в переводе с греческого означает «неделимый».

Существование атомов было доказано сравнительно недавно, лишь в XIX в., и вместе с этим ученые установили, что атом не является неделимой частицей. Атом состоит из ядра, вокруг которого движутся электроны. Ядро любого атома заряжено положительно, а электроны имеют отрицательный заряд. Благодаря этому электроны притягиваются к ядрам и вращаются вокруг них на некоторых расстояниях. Таким образом образуется атом. Заряд электронов очень мал. Частиц с меньшим зарядом в природе не существует, поэтому заряд электрона принимают за единицу. Так как он отрицательный, то заряд электрона равен –1.

Заряд ядер атомов также измеряется в условных единицах, но со знаком «+». В атомах положительный заряд ядер нейтрализуется отрицательным зарядом электронов, благодаря чему атом не имеет электрического заряда. Если заряд ядра атома равен +1, то такой атом содержит один электрон (в сумме +1–1 = 0), а если +3, то атом содержит три электрона.

Атомы — это мельчайшие электронейтральные частицы вещества, состоящие из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, которые движутся вокруг ядра.

В начале XX в. датский физик Эрнест Резерфорд предложил одну из первых моделей строения атома. Он сравнивал атом с Солнечной системой (рис. 49, с. 54). Но это сравнение очень условное, так как атом имеет более сложное строение, с которым вы познакомитесь в следующем классе.

Размеры атомов очень малы — около 10–10 м (0,0000000001 м), а ядро атома еще меньше: его диаметр составляет около 10–15 м (0,000000000000001 м), т. е. в сто тысяч раз меньше, чем диаметр атома.

Рис. 49. Строение Солнечной системы. Планеты вращаются вокруг Солнца

Рис. 50. Строение атома. Электроны вращаются вокруг ядра атома

В природе электронейтральные атомы встречаются довольно редко. Чаще всего в результате определенных процессов (по большей части в химических реакциях) атомы отдают или присоединяют электроны. В этом случае заряд ядра уже не компенсируется зарядом электронов, и атом превращается в электрически заряженную частицу. Такие частицы называют ионами. Если атом присоединяет электроны, то у него появляется избыточный отрицательный заряд и он превращается в отрицательно заряженный ион с зарядом –1:

0 + (–1) = –1

Соответственно, если атом присоединяет два электрона, то заряд иона равен –2: 0 + 2 · (–1) = –2 Если же атом отдает электроны, то он превращается в положительно заряженный ион. Заряд иона, который образуется вследствие потери атомом одного электрона, равен +1:

0 – (–1) = +1

Если же атом теряет два или три электрона, заряд его иона равен соответственно +2 или +3:

0 – 2 · (–1)= +2

или

0 – 3 · (–1) = +3

Множество веществ состоит из противоположно заряженных ионов, в частности поваренная соль или сода.

Обычная поваренная соль состоит из ионов, т. е. является веществом ионного строения

Молекулы

Из разных атомов могут «собираться» различные молекулы. Атомы соединяются друг с другом в определенном порядке посредством особых химических связей. В одной молекуле может объединяться разное число атомов, причем атомы могут соединяться в разном порядке. В этом случае образуются молекулы разных веществ. Например, молекула кислорода состоит из двух атомов, молекула воды — из трех, а молекула сахарозы — из сорока пяти. Если атомы условно представить в виде маленьких шариков, то молекулы будут иметь вид набора разных шариков определенной формы и размеров (рис. 51). Состав и строение молекул веществ предопределяют их свойства. Разные вещества имеют разные молекулы, а следовательно, и разные свойства.

Молекулы — это наименьшие частицы вещества, которые способны существовать самостоятельно и являются носителями химических свойств веществ.

Свойства молекул существенно влияют не только на химические, но и на физические свойства веществ. Если молекулы тяжелые и очень плотно расположены, то у такого вещества будет большая плотность. Если молекулы сильно притягиваются друг к другу, то такое вещество сложно расплавить или испарить. Каждая молекула имеет определенную форму и размер, от чего зависит, имеет ли вещество запах. А способность молекул поглощать видимый свет определяет цвет вещества.

Рис. 51. Модели молекул: а — углекислого газа; б — воды; в — кислорода, г — сахарозы. Модели можно изображать в виде перекрывающихся шариков или шариков, соединенных связями в одну молекулу

Несмотря на то, что понятие о мельчайших частицах вещества и термин «атом» существуют еще с античных времен, термин «молекула» в химическом языке появился сравнительно недавно. Одним из первых ученых современной химии был Роберт Бойль. Мельчайшие частицы вещества он назвал «корпускулами», что на латыни означает «маленькое тело», «тельце», или «частица». Через полвека эти частицы стали называть «массовыми частицами» или «масс-корпускулами». А поскольку на латыни слово «масса» звучит как «молес», то «молес-корпускулы» со временем сокращенно превратились в «молекулы».

Атомы и молекулы в веществах

Молекулы и атомы — это частицы, из которых состоят вещества. Когда мы говорим о мельчайших частицах вещества, то почти всегда имеем в виду молекулы. Молекулы бывают самыми разными. Например, молекула кислорода состоит из двух атомов, а молекула серы немного больше — она состоит из восьми атомов. Молекулы белков, которые входят в состав всех живых организмов, намного больше, в них насчитывается сотни тысяч, а иногда и миллионы атомов (рис. 52).

Но есть вещества, молекулы которых состоят лишь из одного атома. К ним относится, например, гелий (газ, которым наполняют воздушные шары), а также некоторые другие вещества. О веществах, которые состоят из молекул, говорят, что они имеют молекулярное строение.

У многих веществ вообще сложно выделить отдельные молекулы. Например, алмазы состоят из атомов, очень прочно связанных друг с другом (рис. 53). 

Рис. 52. Молекулы веществ молекулярного строения: а — молекула воды состоит из трех атомов; б — серы — из восьми; в — белка — из сотен тысяч

Рис. 53. Алмаз состоит из огромного множества атомов, соединенных друг с другом в определенном порядке.

Можно сказать, что каждый алмаз — это одна огромная молекула (супермолекула), которая состоит из сотен тысяч миллиардов атомов. Таких веществ довольно много, и по отношению к ним термин «молекула» обычно не применяют. О таких веществах говорят, что они состоят из атомов и имеют атомное строение. Атомное строение имеют металлы, кварц, графит и много других веществ.

Структура веществ оказывает значительное влияние на их физические свойства. Между отдельными молекулами взаимодействие значительно более слабое, чем между атомами или ионами, поэтому вещества молекулярного строения очень хрупкие и характеризуются низкими температурами плавления и кипения. Если вещество при обычных условиях находится в жидком или газообразном состоянии, то оно однозначно имеет молекулярное строение. Твердые вещества молекулярного строения при нагревании обычно довольно легкоплавки. К веществам с молекулярным строением относятся вода, кислород, азот, углекислый газ, сера, полиэтилен, спирт и др. Вещества немолекулярного строения при обычных условиях всегда находятся в твердом агрегатном состоянии. Благодаря сильному взаимодействию между атомами и ионами они имеют высокие температуры плавления и кипения.

Выводы:

1. Вещества могут состоять из атомов и молекул. Наименьшая неделимая частица вещества — это атом. Атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются электроны с зарядом –1.
2. Число электронов в атоме равно заряду ядра атома. В результате этого атом — элекронейтральная частица.
3. Атомы соединяются друг с другом, образуя молекулы. В молекуле может соединяться разное число атомов: от двух до миллионов.
4. Молекула — наименьшая частица вещества, являющаяся носителем его свойств. Состав и строение молекул обусловливает как химические, так и физические свойства веществ.

• Если атом увеличить до размеров яблока, то в этом случае яблоко увеличится до размеров земного шара.
• В чайной ложке воды атомов в восемь раз больше, чем чайных ложек воды в Атлантическом океане.
• Платон считал, что мельчайшие частицы вещества (материи) имеют вид правильных многогранников.

Химические элементы

Другого ничего в природе нет ни здесь, ни там, в космических глубинах: все — от песчинок малых до планет — из элементов состоит единых. С. Щипачов «Читая Менделеева»

Все вещества состоят из молекул или атомов. Молекулы и ионы образуются из атомов. Таким образом, все в природе состоит из атомов. Всего на Земле и в космическом пространстве обнаружено 89 различных видов атомов, еще около 29 видов получены учеными искусственно. Они очень неустойчивы и существуют только в лабораториях в виде отдельных атомов в течение лишь нескольких секунд с момента получения. Атомы разных видов отличаются массой, размерами, строением и зарядом атомных ядер.

Атомы одного вида одинаковы по размерам, имеют приблизительно одинаковую массу и сходное строение, но обязательно — одинаковый заряд ядра. Атомы определенного вида называют химическим элементом.

Химический элемент — это разновидность атомов с одинаковым зарядом ядра.

Заряд ядра атома — это важнейшая характеристика химического элемента, по которой можно многое узнать о свойствах атомов и образованных ими веществ. Например, по заряду ядра можно определить число электронов в атоме химического элемента, а их число, в свою очередь, определяет химические свойства веществ, образованных этим элементом.

Аристотель (384–322 гг. до н. э.)

Античный философ, ученик Платона, наставник Александра Македонского. Учился в Академии у Платона в городе Афины. Основал собственную школу — Ликей, где разработал уникальную для Греции систему образования — когда учитель не просто разговаривает с учениками, а читает им заранее подготовленные и записанные на свитках лекции. Его изобретением также является разделение лекций на разные курсы — научные дисциплины — логику, физику, астрономию, метеорологию, зоологию, политику, этику, риторику и др. Аристотель — один из самых разносторонних древнегреческих ученых. Произведения Аристотеля охватывают все области знаний того времени

Самое давнее понятие об элементах связано с античным философом Аристотелем, который создал первую научную картину мира. В соответствии с ней все тела состоят из различных комбинаций пяти элементов: земли, воды, воздуха, огня и эфира.

Названия и символы химических элементов

У всех химических элементов есть названия и условные обозначения — химические символы. За основу названий элементов взяты их латинские названия. Названия химических элементов пишут с прописной буквы. В качестве символов химических элементов используются первые буквы их латинских названий.

Например, химический элемент с зарядом атомного ядра +1 называется Гидрогеном, его символ Н соответствует первой букве латинского названия Hydrogenium. Химический элемент с зарядом ядра +8 называется Оксигеном (от латин. Oxygenium) и обозначается символом О.

Если первая буква в названии элемента уже используется для обозначения другого элемента, то к ней прибавляется одна из последующих букв, например символ Гелия — He, Меркурия — Hg (от латин. Hydrargyrum).

Все открытые на сегодняшний день химические элементы сведены в таблицу — Периодическую систему химических элементов Д. И. Менделеева. Символы и названия элементов — это буквы химического языка. На этом языке разговаривают все химики мира. И вам также нужно выучить «алфавит» химического языка. Символы химических элементов, которые часто используются на уроках химии, приведены в таблице 1.

Таблица 1. Названия и символы химических элементов

Названия химическим элементам преимущественно давали ученые, которые впервые их открывали. Только элементы, известные издавна, имеют названия, сложившиеся исторически. Многие элементы назывались с учетом их свойств или свойств веществ, которые они образуют: Оксиген — от оксос — кислый и геннео — рождаю, т. е. «рождающий кислоты», Гидроген — от гидро — вода и геннео — рождаю, т. е. «рождающий воду».

Алхимики обозначали элементы с использованием астрологических символов. К тому времени было известно семь планет и семь металлов: золото, серебро, медь, железо, олово, свинец и ртуть. Почему бы не объединить их парами? Именно тогда золото начали соотносить с Солнцем, серебро — с Луной, медь — с Венерой, ртуть — с Меркурием (рис. 54). А химические превращения пояснялись мифологическими сюжетами.

Элементы называли в честь богов (Титан, Прометий) и ученых (Эйнштейний, Менделевий, Нобелий). В названиях некоторых элементов звучат названия космических тел (Гелий, Уран, Теллур, Селен), стран и континентов (Франций, Германий, Америций).

Рис. 54. Алхимические обозначения химических элементов

Некоторым недавно открытым элементам еще не дали названий, поэтому их временно обозначают с использованием порядкового номера в Периодической системе. Например, элемент с номером 117 называют Унунсептий (ун — с латыни «один», а септа — «семь») и обозначают Uus, а элемент № 118 — Унуноктий (окта — с латыни «восемь») и обозначают Uuo.

Распространенность химических элементов в природе

Атомы элементов, которые встречаются в природе, распределены в ней очень неравномерно. В космосе наиболее распространенным элементом является Гидроген — первый элемент Периодической системы. На его долю приходится около 93 % всех атомов Вселенной (рис. 55а). Около 6,9 % составляют атомы Гелия — второго элемента Периодической системы. Остальные 0,1 % приходятся на все другие элементы.

Распространенность химических элементов в земной коре значительно отличается от их распространенности во Вселенной (рис. 55б). В земной коре больше всего атомов Оксигена и Силиция. Наряду с Алюминием и Феррумом они формируют основные соединения земной коры. А Феррум и Никол — основные элементы, из которых образовано ядро нашей планеты. Живые организмы также состоят из атомов различных химических элементов. В организме человека больше всего содержится атомов Карбона, Гидрогена, Оксигена и Нитрогена.

Рис. 55. Распространенность химических элементов: а — во Вселенной (в процентах от общего числа атомов); б — в земной коре (в процентах от общей массы)

Выводы:

1. Атомы бывают разных видов. Атомы одного вида называют химическим элементом. Атомы одного химического элемента имеют одинаковый заряд атомного ядра.
2. Химические элементы обозначают буквами латинского алфавита по латинскому названию элемента.
3. Наиболее распространенным элементом во Вселенной является Гидроген. В земной коре больше всего содержится атомов Оксигена

Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

Мы уже упоминали о Периодической системе химических элементов, а сейчас ознакомимся с ней подробнее.

Периодическая система — перечень известных элементов

Периодическую систему можно представить как своеобразный перечень химических элементов. Однако это не просто перечень. Периодическая система отображает классификацию химических элементов, которая основана на особенностях строения их атомов. В ней существует множество закономерностей и зависимостей, с которыми вы ознакомитесь при изучении химии.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907)

Выдающийся российский ученый. Родился в семье директора Тобольской гимназии. Закончил Петербургский педагогический институт, где позднее преподавал химию. Его труды посвящены не только химии, но и физике, технологии, экономике и географии. Самое значительное его достижение — открытие периодического закона. Создал в России первую палату мер и весов. В 1887 году сам осуществил полет на воздушном шаре для наблюдения солнечной короны во время затмения, пролетел 100 км на высоте около 4 км. Выдвигался на соискание Нобелевской премии, но так и не получил ее: Нобелевскую премию ввели лишь в 1901 году и давали только за открытия, совершенные в год присуждения.

Периодическая система была составлена на основе периодического закона, открытого в 1869 г. Д. И. Менделеевым. Периодический закон мы рассмотрим чуть позже, а к Периодической системе будем обращаться в течение всего курса изучения химии. На момент своего создания Периодическая система содержала только 63 элемента — именно столько их было открыто к тому времени (рис. 56). По мере открытия новых элементов она дополнялась новыми данными. В честь Д. И. Менделеева химики называют

Периодическую систему его именем. Гениальность Д. И. Менделеева заключалась в том, что он предусмотрел существование неоткрытых на тот момент элементов и оставил для них свободные места в таблице. На сегодняшний день в Периодическую систему внесены 118 элементов. Она пополняется новыми элементами, и пока ученые не могут однозначно утверждать, сколько всего элементов существует.

Рис. 56. Изображение первой Периодической системы, составленной Д. И. Менделеевым. В первой Периодической системе было только 63 элемента. По внешнему виду она отличалась от современной

Структура периодической системы

Периодическая система химических элементов имеет вид таблицы. Элементы в ней расположены в определенном порядке — по мере увеличения массы их атомов. Каждый элемент имеет свой порядковый номер, и этот номер равен заряду ядра атомов этого элемента.

Существует множество вариантов изображения Периодической системы: круговые, спиральные, пирамидальные, с расположением элементов сверху вниз и слева направо. Общепринятым является изображение в виде таблицы с расположением элементов слева направо.

В Периодической системе все элементы объединены в периоды — горизонтальные ряды элементов, и группы — вертикальные столбцы элементов. В длинном варианте Периодической системы элементы объединены в 7 периодов и 18 групп, а в коротком — тоже в 7 периодов, но в 8 групп (см. форзацы).

В нашей стране традиционно пользуются короткопериодным вариантом. Международное сообщество IUPAC* рекомендует для использования длиннопериодный вариант Периодической системы. Первые три периода называют малыми, так как в них содержится небольшое число элементов: первый период состоит из 2 элементов (Гидроген и Гелий), а второй и третий — из 8 элементов. Остальные периоды называют большими: четвертый и пятый периоды состоят из 18 элементов, а шестой и седьмой — из 32 элементов.

Группы объединяют элементы со схожими свойствами. Некоторые группы элементов имеют названия, например группа щелочных элементов или группа инертных элементов.

В нижней части таблицы расположены семейства элементов — лантаноиды и актиноиды. Эти элементы идут после Лантана (№ 57) и Актиния (№ 89) и формально относятся к третьей группе. Однако размещение этих элементов в таблице сделало бы ее громоздкой и неудобной, поэтому их обычно выносят за ее границы.

Каждый элемент имеет свой «адрес» в Периодической системе. Чтобы описать положение элемента в Периодической системе, нужно назвать его порядковый номер, а также номер группы и периода. Например: элемент Оксиген имеет порядковый номер 8, расположен во втором периоде, шестой группе.

* IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) — международное сообщество по фундаментальной и прикладной химии. Это сообщество принимает решения о присвоении названий новым элементам, а также о правилах составления названий веществ.

Элементы, так же как вещества или молекулы, имеют определенные свойства. Самые важные характеристики элементов приведены в Периодической системе — это порядковый номер, относительная атомная масса и т. п. (рис. 57).

Рис. 57. Описание характеристик элементов в таблице Периодической системы

Выводы:

1. Периодическая система содержит все известные на сегодня химические элементы. Она состоит из семи периодов — горизонтальных рядов, и восьми групп (короткий вариант) — вертикальных рядов.

2. Первые три периода называют малыми, они состоят из 2 или 8 элементов, а другие — большими, они состоят из 18 и более элементов. Некоторые группы элементов также имеют собственные названия.

Химические формулы веществ

С тех пор, как химические знания изображались в виде мифических сюжетов на гравюрах (рис. 11, с. 15), прошло несколько столетий. За это время химический язык очень изменился. Вы уже познакомились с «буквами» химического языка — символами химических элементов. Эти «буквы» могут складываться в «слова» — химические формулы.

Химическая формула — это условная запись состава вещества посредством символов химических элементов и индексов.

С помощью химических формул записывают состав веществ. Запишем химическую формулу воды. Молекула воды состоит из двух атомов Гидрогена H и одного атома Оксигена O (рис. 58). С помощью химической формулы состав воды записывается так: H2O.

Цифра 2 в этой формуле называется индексом и показывает число атомов Гидрогена в молекуле воды. Индекс записывается маленькой цифрой справа от символа элемента, к которому он относится. В составе молекулы воды есть также один атом Оксигена, но индекс 1 обычно не пишут. Поэтому если справа от символа элемента индекса нет, то подразумевается, что в составе молекулы есть только один атом этого элемента.

Рис. 58. Молекула воды состоит из одного атома Оксигена и двух соединенных с ним атомов Гидрогена

Джон Дальтон (1766–1844)

Выдающийся английский химик. Сын бедного ткача из Кемберленда. Самостоятельно освоил химию, физику и математику. Всю жизнь работал простым школьным учителем, не имея специального образования. Изучал процессы в атмосфере, разработал атомную теорию. Ввел символы химических элементов. При этом атомы разных химических элементов он изображал различными графическими символами. Поскольку придумывать новые символы становилось все сложнее, Дальтон начал использовать начальные буквы английских названий элементов. Он также исследовал и описал дефект зрения, заключающийся в неспособности различать некоторые цвета, позже названный в его честь дальтонизмом.

Составим формулу сахарозы — основного компонента сахара. Известно, что в молекулу сахарозы входят двенадцать атомов Карбона, двадцать два атома Гидрогена и одиннадцать атомов Оксигена. Запишем символы перечисленных элементов и поставим соответствующие индексы:

Для того чтобы правильно читать химические формулы, необходимо запомнить произношение символов элементов (табл. 1, с. 61). С учетом этого, формулы необходимо читать таким образом:

Часто в составе веществ содержатся группы атомов, которые повторяются несколько раз. Для удобства в химических формулах эти группы записывают в скобках, а число групп указывают индексом за скобками. Например, формула мочевины, состоящая из одного атома Карбона, одного атома Оксигена и двух групп , записывается так:

Индекс за скобками относится ко всем атомам, взятым в скобки, т. е. кроме одного атома Карбона и одного атома Оксигена в молекуле мочевины содержатся два атома Нитрогена и четыре атома Гидрогена.

Йенс-Якоб Берцелиус (1770–1848)

Выдающийся шведский ученый, профессор. Начинал учиться на врача, но свою жизнь посвятил химии. В 29 лет был избран членом Шведской академии наук, а позднее — ее президентом. Берцелиус первым ввел понятие и определил атомные массы известных на тот момент элементов. Предложил систему записи химических формул с использованием индексов. Поэтому Берцелиуса можно назвать создателем современного химического языка. Автор главных открытий в области неорганической, аналитической и физической химии, выдающийся систематик химической науки. Открыл химические элементы Силиций, Церий, Селен, Торий.

Такие формулы читаются с указанием числа групп, например:

С помощью химических формул записывается состав не только молекул. У веществ атомного и ионного строения молекул не существует. Но у этих веществ можно выделить отдельный повторяющийся фрагмент. Химическими формулами у таких веществ записывают состав наименьшего фрагмента, который повторяется много раз,— структурной (формульной) единицы. Например, железо, как и другие металлы, состоит из атомов (рис. 59), поэтому структурная единица этого вещества — атом Феррума. Таким образом, формула железа — Fe. Алмаз состоит из атомов Карбона (рис. 53, с. 57), следовательно, его формула — C. Кварц состоит из химически связанных атомов Силиция и Оксигена, причем на один атом Силиция приходится два атома Оксигена (рис. 60а). Формула кварца — . Поваренная соль состоит из положительно заряженных ионов Натрия Na+ и отрицательно заряженных ионов Хлора Cl– . В составе соли на один ион Натрия приходится один ион Хлора (рис. 60б), таким образом, формула поваренной соли — NaCl.

Рис. 59. Металлы состоят из атомов, поэтому их формулы записывают, указывая символ данного элемента

Рис. 60. Состав: кварца — вещества атомного строения (а) и поваренной соли — вещества ионного строения (б)

Химическая формула вещества отображает его качественный и количественный состав, т. е. показывает, атомы каких элементов и в каком количестве содержатся в составе вещества. Каждое вещество имеет свою, присущую только ему, формулу. Она неизменна независимо от того, каким образом это вещество получено. Другими словами, углекислый газ, который выделяется при сжигании угля или в результате дыхания живых организмов, имеет один и тот же состав, одну и ту же химическую формулу .

Выводы:

1. Состав химических веществ записывается посредством химических формул. Химические формулы записывают с помощью символов химических элементов и индексов. Индекс — это цифра, которую записывают внизу и справа от символа элемента, он показывает число атомов элемента, рядом с которым он записан.
2. Химическая формула отображает качественный и количественный состав вещества. Если вещество состоит из молекул, то его формула отображает состав молекулы. Для других веществ — соотношение числа атомов в них.

Относительная атомная масса

Относительная молекулярная масса Вспомните: определить, какое тело тяжелее, можно, сравнивая их массы. Масса тел измеряется в килограммах, граммах, тоннах и других единицах. Относительная атомная масса Одной из самых важных характеристик химического элемента является его относительная атомная масса. Масса атомов настолько мала, что выражать ее в граммах или килограммах очень неудобно. Масса даже самых тяжелых атомов составляет около г, т. е. 0,0000000000000000000001 г. Удобнее выражать массу атомов, сравнивая ее с какой-нибудь маленькой величиной.

Раньше массу атомов сравнивали с массой самого легкого атома — атома Гидрогена. Сегодня массы атомов сравнивают с 1/12 массы атома Карбона. Эту единицу измерения называют атомной единицей массы, сокращенно а. е. м. (рис. 61). Масса атома Карбона равна , следовательно, атомная единица массы равна:

Зная значение а. е. м., можно сравнить с ней массы других атомов и узнать, насколько они тяжелее 1/12 массы атома Карбона. Массу атома, определенную путем сравнения с атомной единицей массы, называют относительной атомной массой и обозначают Ar (индекс r — от англ. relative — относительный). Относительная атомная масса — это отношение массы атома данного элемента к 1/12 массы атома Карбона. Таким образом, для химического элемента E: .

Относительная атомная масса — безразмерная величина, так как она является отношением двух величин с одинаковой размерностью

Рис. 61. Одна атомная единица массы — это масса 1/12 атома Карбона

Относительные атомные массы легко вычислить, зная массы атомов в граммах. Например, масса атома Сульфура равна г, следовательно, его относительная атомная масса равна (рис. 62):

Относительная атомная масса Карбона, вычисленная аналогичным путем, равна 12. Относительная атомная масса показывает, во сколько раз масса любого атома больше 1/12 массы атома Карбона. Например, относительная атомная масса Оксигена = 16, следовательно, атом Оксигена в 16 раз тяжелее 1/12 массы атома Карбона. Относительные атомные массы почти всех элементов определены с высокой точностью и приведены в Периодической системе (рис. 57, с. 67). Обычно точные значения относительных атомных масс округляют до целых чисел. Только значение относительной атомной массы для Хлора округляют с точностью до десятых: = 35,5.

Рис. 62. Один атом Сульфура в 32 раза тяжелее 1/12 массы атома Карбона, следовательно, его относительная атомная масса равна 32

Относительная молекулярная масса

Относительная масса применяется не только для атомов, но и для молекул. Относительная молекулярная масса показывает, во сколько раз масса молекулы больше 1/12 массы атома Карбона.

Таким образом, для вещества Х:

Относительная молекулярная масса равна сумме относительных атомных масс всех химических элементов, которые входят в состав молекулы, с учетом числа атомов каждого элемента. Для определения относительной молекулярной массы вещества с формулой необходимо относительные атомные массы элементов E и D умножить на число их атомов, соответственно на х и у, и затем сложить:

Например, молекула воды состоит из двух атомов Гидрогена и одного атома Оксигена. Следовательно, относительная молекулярная масса воды равна сумме двух относительных атомных масс Гидрогена и одной относительной атомной массы Оксигена:

Аналогично можно вычислить относительную молекулярную массу любого вещества, если известна его химическая формула. Например, определим относительные молекулярные массы азота и углекислого газа :

Если в химической формуле вещества есть скобки, то перед вычислениями их необходимо раскрыть, например:

Относительные молекулярные массы веществ, в состав которых входят атомы только одного химического элемента, принято считать равными их относительной атомной массе, например:

Зная относительную молекулярную массу, можно вычислить абсолютную массу молекулы вещества Х (в граммах).

Если относительная молекулярная масса воды равна 18, то масса молекулы воды равна:

Для веществ немолекулярного строения часто используют термин «относительная формульная масса», но ее обозначение и вычисление такое же, как и для относительной молекулярной массы.

Выводы:

1. Относительная атомная масса — это отношение массы атома к 1/12 массы атома Карбона. Используя относительную атомную массу, сравнивают массы атомов. Относительные атомные массы элементов приведены в Периодической системе.
2. Массу молекул определяют, также сравнивая с 1/12 массы атома Карбона. Молекулярную массу вычисляют как сумму относите

Массовая доля элемента в веществе

Химическая формула вещества содержит определенную информацию. Она не только отображает качественный состав вещества (т. е. информацию о химических элементах, из которых она состоит), но и его количественный состав. Например, в молекуле воды на два атома Гидрогена приходится один атом Оксигена. Суммарная относительная атомная масса атомов Гидрогена равна 2 (2 • = 2 • 1 = 2), а относительная атомная масса атома Оксигена равна 16 = 16). Следовательно, на 2 массовые части Гидрогена в воде приходится 16 массовых частей Оксигена. Чтобы описать количественный состав веществ, используют массовую долю элемента в соединении, которую можно вычислить по химической формуле. Массовая доля элемента показывает, какая часть массы вещества приходится на атомы данного элемента. Ее вычисляют как отношение атомной массы данного элемента с учетом числа его атомов в молекуле к относительной молекулярной массе вещества:

где w(E) — массовая доля химического элемента E, выраженная в долях единицы;

• n — число атомов элемента E, обозначенное индексом в формуле соединения;
• — относительная атомная масса элемента E;
• — относительная молекулярная масса вещества.

Физическая суть массовой доли заключается в том, что она показывает массу атомов данного элемента в 100 г вещества. Массовая доля может выражаться в долях единицы или процентах. Чтобы перевести доли единицы в проценты, необходимо полученные по формуле значения умножить на 100 %. Сумма массовых долей всех элементов, которые входят в состав соединения, должна быть равна 1 или 100 %.

Пример №1

Вычислите массовые доли химических элементов в углекислом газе .

Решение:

Вычислим относительную молекулярную массу углекислого газа:

Вычислим массовые доли Карбона и Оксигена:

Сумма массовых долей Карбона и Оксигена в углекислом газе должна быть равна 1, поэтому массовую долю Оксигена можно определить, вычитая из единицы массовую долю Карбона:

Ответ: w(С) = 27,3 %, w(О) = 72,7 %

Пример №2

Вычислите массу атомов Оксигена, содержащихся в воде массой 1 кг.

Решение:

Вычислим массовую долю Оксигена в воде:

Массовая доля элемента показывает часть массы вещества, приходящуюся на данный элемент. Вычислим массу атомов Оксигена в воде массой 1 кг:

Законы Пруста и Дальтона

До начала XIX в. измерениям масс веществ не придавали особого значения и в науке бытовала мысль, что состав вещества может изменяться в зависимости от способа его получения.

Жозеф Луи Пруст (1754–1826)

Выдающийся французский химик, сын аптекаря. С 11 лет изучал аптекарское дело. В лаборатории своего отца в одиночестве любил смешивать реактивы, в результате чего чуть не отравился ядовитым газом. С 14 лет изучал химию в Париже. Был руководителем кафедры химии в университете Мадрида. Пруст проводил исследования в различных областях химии — минералогии, фармации, аналитической химии, изучал пороховые смеси. Он изобрел лекарство от цинги и некоторые пищевые добавки, разработал технологию выделения сахара из винограда и свеклы. Открыл закон постоянства состава веществ.

И действительно, почему соединение всегда должно содержать, скажем, 4 г элемента Х и 1 г элемента Y? Почему оно не может содержать 4,1 или 3,9 г Х? Но если материя состоит из атомов, то соединение образуется в результате соединения одного атома Х с одним атомом Y в одну молекулу, и никак иначе. В таком случае соотношения масс атомов Х и Y должны быть постоянными и ни от чего не зависеть. Проведя многочисленные опыты, французский химик Ж. Л. Пруст доказал постоянство соотношений масс элементов в различных веществах. На основании своих экспериментов он сформулировал закон постоянства состава вещества, который утверждает, что любое вещество имеет постоянный состав независимо от способа его получения. Например, кислород можно получить разложением разных веществ, но его формула всегда будет одинаковой —

Позднее Дж. Дальтон определил, что атомы разных элементов могут соединяться в разных соотношениях, но эти соотношения всегда кратны относительным атомным массам элементов. Например, атомы Карбона и Оксигена могут образовывать молекулы CO (угарный газ) и (углекислый газ). Но в этом случае образуются разные вещества, для каждого из которых характерно постоянство состава. Эти исследования Дальтона со временем оформились в закон кратных соотношений.

Выводы:

1. Химическая формула содержит информацию о количественном составе вещества. По химической формуле можно определить соотношение масс атомов разных химических элементов в веществе.
2. По химической формуле вычисляют массовую долю элемента в веществе как отношение массы атомов данного элемента к относительной молекулярной массе вещества. Массовая доля элемента показывает, какая часть массы вещества приходится на данный химический элемент.

По соотношениям масс атомов в XIX в. были определены химические формулы почти всех известных к тому времени веществ. Возможность выражения состава вещества простыми соотношениями стала одним из доказательств существования атомов.

Простые и сложные вещества

Вспомните: смеси состоят из молекул разных веществ; в смеси вещества сохраняют свои химические и физические свойства; смеси можно разделить на чистые вещества определенными методами.

Простые вещества

В природе существует огромное многообразие веществ, и все они отличаются по составу и строению. Вещества могут состоять как из одинаковых, так и из разных атомов. Соответственно, все чистые вещества по составу разделяют на простые и сложные.

Вещество, образованное одним химическим элементом, является простым.

Например, вещество железо состоит только из атомов Феррума, его формула Fe (рис. 59, с. 71). Газ кислород состоит из молекул, образованных только атомами Оксигена (рис. 63), его формула O2. Часто название простого вещества отличается от названия химического элемента, который его образует, однако нередко названия простых веществ и химических элементов совпадают. По правилам современной химической номенклатуры названия элементов пишутся с прописной буквы, а названия веществ — со строчной. Например: «вещество алюминий состоит из атомов Алюминия», «вещество бром состоит из молекул, образованных двумя атомами Брома».

В таблице 2 (с. 82) приведены названия простых веществ, которые образованы известными вам химическими элементами. Следует различать понятия «простое вещество» и «химический элемент». Вещества и элементы характеризуются разными свойствами. Для веществ характерны агрегатное состояние, цвет, плотность и т. п. А свойства химических элементов — это свойства их атомов: строение (размеры), способность отдавать или присоединять электроны и др.

Рис. 63. Газ кислород — простое вещество, его молекулы состоят из двух атомов Оксигена

Таблица 2. Химические элементы и образованные ими простые вещества

Когда мы говорим о материале или компоненте смеси — например, банка наполнена газообразным хлором, приготовим раствор брома, возьмем небольшой кусочек фосфора,— то в данном случае речь идет о простом веществе. Если же мы говорим, что заряд ядра атома Хлора равен +17, вещество содержит Фосфор, молекула состоит из двух атомов Брома, то имеем в виду химический элемент.

Многие химические элементы могут образовывать не одно, а несколько простых веществ. Это явление называют аллотропия, а простые вещества, образованные данным химическим элементом,— аллотропными модификациями. Аллотропные модификации отличаются друг от друга строением или составом молекул. Например, атомы Карбона образуют несколько простых веществ: алмаз, графит, карбин, фулерен. Они отличаются расположением атомов относительно друг друга. Атомы Оксигена образуют две аллотропные модификации: кислород и озон. Эти два вещества отличаются составом молекул. Аллотропные модификации — это разные простые вещества со своими собственными физическими и химическими свойствами.

Металлы и неметаллы

Металлы — железо, хром, цинк, магний, золото, свинец и другие — отличаются от неметаллов характерным металлическим блеском и ковкостью, они хорошо проводят электрический ток и теплоту (рис. 64). В обычных условиях все металлы (за исключением ртути) находятся в твердом агрегатном состоянии. Свойства металлов обусловлены их внутренней структурой. Металлы являются веществами атомного строения.

Рис. 64. Простые вещества металлы

Рис. 65. Простые вещества неметаллы

Неметаллы, в отличие от металлов, не имеют металлического блеска (кроме йода и графита) (рис. 65). Они хрупкие и разрушаются от удара, плохо проводят электрический ток и теплоту. Неметаллы могут быть твердыми, жидкими и газообразными (см. табл. 2, с. 82).

Четкой границы между металлами и неметаллами не существует. Например, йод и графит являются неметаллами, но оба имеют металлический блеск, а графит хоть слабо, но проводит электрический ток. Для отнесения веществ к металлам или неметаллам следует принимать во внимание все их физические свойства в совокупности, а также их внутреннее строение и химические свойства.

Как и простые вещества, химические элементы разделяют на металлические и неметаллические. Металлы образованы металлическими элементами, а неметаллы — неметаллическими.

Если провести условную линию от Бора до Астата, то в длинном варианте Периодической системы над этой линией будут расположены неметаллические элементы, а под ней — металлические (рис. 66, см. также последний форзац). В коротком варианте Периодической системы под линией также будут расположены металлические элементы, а над нею — как металлические, так и неметаллические элементы (см. первый форзац). Таким образом, определять, является ли элемент металлическим или неметаллическим, удобнее по длинному варианту Периодической системы. Это разделение условно, так как все элементы в той или иной степени проявляют как металлические, так и неметаллические свойства, но в большинстве случаев такое распределение соответствует действительности.

Рис. 66. Расположение металлических и неметаллических элементов в Периодической системе элементов (длинный вариант)

Классификация элементов на металлические и неметаллические основана на способности атомов отдавать или принимать электроны в химических реакциях. Атомы металлических элементов преимущественно отдают электроны и превращаются в положительно заряженные ионы. Атомы неметаллических элементов преимущественно присоединяют электроны и превращаются в отрицательно заряженные ионы.

Сложные вещества

Вещество, образованное несколькими химическими элементами, является сложным.

Сложные вещества также называют химическими соединениями. К ним относятся поваренная соль, сода, глюкоза, вода, уксусная кислота и множество других. Сложных веществ в природе значительно больше, чем простых.

Сложные вещества могут быть образованы разным числом элементов:

• двумя (метан , кварц , углекислый газ );
• тремя (сода , мрамор , сульфатная кислота );
• четырьмя (малахит;
• пятью (соль Мора .

Сложные вещества необходимо отличать от смесей простых веществ (рис. 67, с. 86), которые также состоят из атомов разных элементов. Для этого необходимо вспомнить отличительные особенности смесей и чистых веществ. Количественное соотношение компонентов смеси может быть разным.

Рис. 67. Модель смеси водорода и кислорода, состоящих из атомов Оксигена (красные шарики) и Гидрогена (белые шарики) (а). В составе воды также содержатся атомы Оксигена и Гидрогена, но в молекулах воды они химически связаны (б)имеют постоянный состав.

Например, можно приготовить смесь 100 г воды с одной ложкой сахара, а можно и с двумя или полуторами ложками. А в соединении FeS на каждый атом Феррума приходится только один атом Сульфура, а не полтора или три.

Это значит, что состав соединений можно описать одной химической формулой, а состав смесей — нет.

Кроме того, компоненты смеси сохраняют свои физические и химические свойства. Например, если смешать железный порошок с серой, то образуется смесь двух веществ. И сера, и железо в ее составе сохраняют свои свойства: железо притягивается магнитом, а сера не тонет в воде. Из этой смеси с помощью магнита можно выделить железо. Если же железо и сера прореагируют друг с другом, то образуется новое соединение с формулой FeS. Это соединение уже не проявляет свойств ни железа, ни серы, оно обладает своими свойствами. Никаким методом разделения смесей мы не сможем выделить атомы Феррума из соединения FeS.

Классификация сложных веществ

Сложные вещества разделяют на две большие группы: неорганические и органические. Неорганические вещества могут состоять из атомов любых элементов. В состав органических соединений обязательно входят атомы Карбона, поэтому большинство из них при нагревании обугливаются. В подавляющее большинство органических веществ входят также атомы Гидрогена. Примерами органических веществ являются: метан , сахароза , этиловый спирт

Ученый-энциклопедист, врач, алхимик и философ. Получил разностороннее образование — изучал медицину, философию, метафизику, поэзию, магию и алхимию. Прославился как искусный врач. Именно он сформулировал основную задачу алхимии как превращение металлов с помощью «эликсира» в золото, а также получение из обычных камней (кварца и стекла) драгоценных. Первым предложил классификацию всех известных веществ на землистые (минеральные), растительные и животные. Минеральные вещества, в свою очередь, он распределял на шесть групп: «духи» (спирты), «тела» (металлы), «камни», купоросы, «бораки» и соли.

, уксусная кислота . Органических веществ существует значительно больше, чем неорганических. Неорганические и органические вещества, в свою очередь, делятся еще на ряд групп. Но в седьмом классе вы подробно ознакомитесь лишь с некоторыми неорганическими веществами, а другие будете изучать в дальнейшем. Распределение веществ на разные группы по их признакам и свойствам называется классификацией.

Выводы:

1. Простые вещества состоят из одного химического элемента. Простые вещества разделяют на металлы и неметаллы. Для металлов характерны металлический блеск, ковкость, электро- и теплопроводность. Металлы образованы преимущественно металлическими элементами, а неметаллы — неметаллическими.
2. Сложные вещества состоят из нескольких химических элементов, их также называют химическими соединениями. Сложные вещества разделяют на органические и неорганические. В составе неорганических могут содержаться любые химические элементы, а в органические соединения обязательно входят атомы Карбона и Гидрогена.

Существование аллотропных модификаций Станума объясняет так называемую «оловянную чуму». Обычное белое олово на сильном морозе превращается в другую аллотропную модификацию — очень хрупкое серое олово. Из-за этого оловянные изделия на морозе рассыпаются в порошок.

Валентность

При образовании молекул атомы соединяются не беспорядочно, а в определенной последовательности особыми химическими связями. Каждый атом может образовать не бесконечное, а только определенное число таких связей. В XIX в. ученые установили, что атомы разных элементов имеют разную способность присоединять к себе другие атомы. Так, например, было подмечено, что атом Гидрогена может присоединить только один атом другого химического элемента (HCl, HF, NaH), атом Оксигена — два атома Гидрогена , атом Нитрогена — три атома Гидрогена . Это свойство атомов было названо валентностью.

Валентность — это число связей, которые данный атом может образовать с другими атомами.

Чтобы показать, как атомы соединены в молекуле, используют графические (структурные) формулы. Они показывают не только число атомов в молекуле, но и последовательность их соединения. Графическая формула молекулы воды H2O имеет вид:

Из этой формулы видно, что в молекуле воды атом Оксигена соединен с двумя атомами Гидрогена, причем атомы Гидрогена друг с другом не связаны. Каждая связь в графической формуле обозначается черточкой. Атом Оксигена образует две связи, следовательно, валентность Оксигена равна двум (Оксиген двухвалентен), а атомы Гидрогена образуют по одной связи — валентность Гидрогена равна единице (Гидроген одновалентен). Рассмотрим графическую формулу молекулы углекислого газа

В молекуле углекислого газа атомы Оксигена образуют по две связи с атомом Карбона (такую связь называют двойной), а Карбон в этом случае образует четыре связи (или две двойные связи). В этом соединении валентность Карбона равна четырем.

Некоторые элементы проявляют постоянную валентность — во всех соединениях им присуще только одно определенное значение валентности. Так, Гидроген всегда одновалентен, а Оксиген всегда двухвалентен. Другие элементы могут проявлять различную валентность в разных соединениях. Например, валентность Сульфура может быть равна двум, четырем и шести. О таких элементах говорят, что они проявляют переменную валентность. Для обозначения валентности используют римские цифры.

Таблица 3. Валентность некоторых химических элементов

По известной валентности одного химического элемента можно определить валентность других элементов в соединении. Определим, например, валентность элементов в молекуле хлороводорода HCl. Атомы Гидрогена всегда одновалентны, следовательно, валентность атомов Хлора также равна единице, поскольку атом Хлора связан только с атомом Гидрогена и не может образовать с ним более одной связи. В молекуле аммиака атом Нитрогена связан с тремя одновалентными атомами Гидрогена, следовательно, Нитроген трехвалентен, так как он образует три связи. Исходя из этого, можно изобразить графические формулы хлороводорода и аммониака:

В химических формулах валентность записывают над символом соответствующего элемента:

Валентность химических элементов можно определить по Периодической системе. Высшая (максимальная) валентность химического элемента в большинстве случаев равна номеру группы Периодической системы, в которой расположен данный элемент. Чтобы определить и другие возможные валентности, необходимо из значения высшей валентности вычесть 2, 4 или 6 (табл. 4).

Таблица 4. Определение валентности по Периодической системе*

* Для короткого варианта Периодической системы.

Приведенный в таблице 4 принцип определения валентности с помощью Периодической системы не всегда точен. Из него есть исключения. Например, Оксиген (шестая группа) проявляет только валентность II, а для Феррума (восьмая группа) характерны валентности II и III. Однако для большинства элементов, с которыми вы будете сталкиваться в школьном курсе, этот принцип справедлив.

Определение валентности химических элементов по формулам бинарных соединений

Соединения, состоящие из двух химических элементов, называют бинарными. Для определения валентности элементов в бинарном соединении не обязательно составлять структурные формулы. Суммарное число связей атомов одного элемента в бинарном соединении всегда равно суммарному числу связей всех атомов другого элемента. Например, в молекуле углекислого газа Карбон четырехвалентен (общее число связей равно 1 • IV = 4), а Оксиген двухвалентен (общее число связей равно 2 • II = 4). Для всех элементов в бинарном соединении произведение числа атомов на валентность будет одинаковым. Для определения валентности в бинарных соединениях можно использовать следующий алгоритм:

Составление формулы бинарного соединения по валентности элементов Зная значения валентностей элементов, можно составить формулу бинарного соединения. Составим, например, формулу соединения, которое состоит из атомов шестивалентного Сульфура — S(VI) и двухвалентного Оксигена — O(II). Каждый атом Оксигена образует только две связи, поэтому для образования шести связей с атомом Сульфура понадобится три атома Оксигена. Таким образом, формула этого соединения — , а его графическая формула:

Составляя химические формулы, необходимо учитывать порядок написания символов элементов в формуле. На первом месте в химической формуле записывается символ того элемента, который в Периодической системе расположен левее или ниже. Так, если соединение состоит из атомов Нитрогена и Оксигена, то на первом месте записывается символ Нитрогена, а если соединение состоит из атомов Калия и Брома, то на первом месте — символ Калия.

Для составления формул бинарных соединений также можно воспользоваться следующим алгоритмом:

Понятие валентности возникло более двухсот лет назад и сегодня вызывает множество нареканий от многих химиков. Так, по приведенным правилам сложно определить валентность элементов в простых веществах, а также в веществах немолекулярного строения. Например, в железе каждый атом Феррума окружен восемью соседними атомами. В поваренной соли — натрий хлориде — каждый ион Натрия взаимодействует с шестью ионами Хлора, а каждый ион Хлора — с шестью ионами Натрия (рис. 60б, с. 71). Вместе с тем Натрий и Хлор в этом соединении принято считать одновалентными. Понятие валентности имеет реальный смысл только в случае молекулярных веществ.

Во многих европейских языках слово «валентность» имеет множество однокоренных слов. Так, в испанском языке valencia означает «цена». Французское слово valable и английское valid означают «способность» (соответственно, invalable и invalid — «неспособный»). Также есть слова value — «значение» и valeur — «стоимость». У древних римлян слово valentia означало «сила». Как вы считаете, что означает слово «валентность»?

Выводы:

1. Валентность равна числу связей, которые определенный атом может образовать с другими атомами. При составлении графических формул связи обозначают черточками.
2. Некоторые элементы проявляют постоянную валентность во всех соединениях: Гидроген всегда одновалентен, Оксиген — двухвалентен и т. д. Некоторые элементы проявляют переменную валентность, валентность таких элементов обязательно указывают в названиях соединений.
3. Для определения валентности по химической формуле или при составлении формул по валентности необходимо придерживаться принципа, что общее число связей всех атомов одного элемента в соединении равно общему числу связей всех атомов другого элемента.

Первые высказывания о химической связи принадлежат Роберту Бойлю. Он представлял атомы в виде шариков, на поверхности которых есть крючки. Этими крючками атомы цепляются друг за друга, как колючие головки репейника. Наличием и числом крючков на поверхности атомов Бойль также объяснял кислый, горький или жгучий вкус некоторых веществ.

Физические и химические явления

Физические явления В окружающем нас мире постоянно происходят изменения. Смена времен года, движение воды в реке, рост растений, кипение воды в чайнике — все это примеры процессов, происходящих вокруг нас. Эти процессы называют явлениями. В зависимости от того, в какой сфере жизни происходят явления, их можно разделить на политические, социальные, геологические, биологические, а также на физические и химические. Сравним действия двух ремесленников: кузнеца и металлурга. Кузнец берет железный брусок, нагревает его, бьет по нему молотом и в результате получает изделие, например подкову или шлем. Изменяется ли в данном случае железо — вещество, из которого состоит брусок? Нет. Под ударами молота частицы (атомы) в железе движутся, смещаются, но сами не меняются (рис. 71). Такое явление относится к физическим.

Явления, при которых изменяется форма предмета или агрегатное состояние вещества, но не меняется его состав, называют физическими.

В результате протекания физических явлений частицы в веществе не изменяются, следовательно, не изменяются и свойства веществ.

Кипение воды, появление капель воды или льда в холодильнике, замерзание рек, отливание изделий из расплавленного металла, измельчение веществ — все это примеры физических явлений.

Рис. 71. Железный брусок и железный шлем состоят из одного вещества — железа. Поэтому превращение бруска в шлем является физическим процессом

Химические явления

А что же делает металлург? Он берет железную руду и превращает ее в блестящие бруски железа. Изменилось ли при этом вещество? Железная руда — это бурый порошок или камни, которые не проводят электрический ток и легко рассыпаются от удара молотком. А железо имеет металлический блеск, хорошо проводит электрический ток, при ударе не рассыпается, а расплющивается. Таким образом, железная руда и брусок железа состоят из разных веществ, которые имеют разные свойства (рис. 72). В отличие от кузнеца, металлург превратил частицы железной руды в частицы железа. Такой процесс является химическим.

Явления, при которых одни вещества превращаются в другие, называют химическими.

Горение древесины, появление ржавчины на поверхности железных изделий (рис. 73), скисание молока, пригорание пищи на сковороде — все это примеры химических явлений.

В процессе химических явлений частицы одного вещества (атомы, молекулы или ионы) превращаются в частицы другого, т. е. из одного вещества образуется другое вещество с другими свойствами.

Часто вместо слов «химическое явление» говорят химический процесс или химическая реакция. О веществах, которые вступают в химическую реакцию, говорят, что они реагируют, или взаимодействуют, между собой. Эти вещества называют реагентами или исходными веществами, а новые вещества, образующиеся в результате реакции,— продуктами реакции.

Рис. 72. В химических явлениях изменяется само вещество: железная руда и железный брусок состоят из разных частиц, поэтому преобразование руды в железо является химическим явлением

Рис. 73. Превращение железного бруска в железные опилки — физическое явление, поскольку свойства веществ не меняются. А превращение в ржавчину — химическое, так как по свойствам ржавчина отличается от железа

В химических явлениях проявляются химические свойства веществ — их способность изменяться под влиянием различных условий и реагировать с другими веществами. Описать химические свойства вещества — означает указать, как оно может изменяться, с какими другими веществами и при каких условиях может реагировать. Изучение химических свойств веществ — одна из задач химии.

Признаки химических реакций

Очень часто химические и физические явления происходят одновременно. Например, при горении свечи парафин сначала плавится и испаряется (физические явления), а потом пары парафина начинают гореть (химическое явление). Если нагревать кусочек сахара, то он расплавится (физическое явление), а в случае продолжительного нагревания превратится в углевидную черную массу (химическое явление).

Как же отличить химические явления от физических? Конечно, можно сказать, что если молекулы вещества изменились, то явление относится к химическим, а если не изменились, то к физическим. Но молекулы сложно увидеть даже в самый сильный микроскоп.

Поскольку в процессе химической реакции образуются новые вещества с новыми свойствами, то о протекании реакции свидетельствует изменение физических свойств реагирующих веществ. Так, если поставить молоко в теплое место, то спустя некоторое время оно превратится в кислое молоко. При скисании молока из молочного сахара образуется молочная кислота, о ходе этой реакции можно судить по изменению вкуса.

Рис. 74. Признак химической реакции — образование нерастворимого вещества, выпавшего в осадок: а — на стенках чайника; б — при сливании двух жидкостей

Если жир на сковороде начинает подгорать, то о ходе этой реакции мы узнаем по появлению запаха акролеина — продукта разложения жира.

При кипении водопроводной воды из растворенных в ней веществ образуется вещество, которое не растворяется в воде и оседает в виде накипи на стенках чайника — выпадает в осадок (рис. 74).

Выделение газа также свидетельствует о химическом превращении: гашение пищевой соды столовым уксусом или лимонной кислотой сопровождается характерным шипением из-за образования углекислого газа (рис. 75). Если в стакан со столовым уксусом насыпать соду, то газ начинает выделяться так активно, что кажется, будто жидкость закипает.

Рис. 75. Признак химической реакции — выделение газа: а — цинк с кислотой образуют бесцветный газ; б — медь с кислотой также образуют газ, но с характерной бурой окраской

Рис. 76. Признаки химической реакции: а — чай при добавлении лимона меняет окраску; б — реакции с выделением энергии часто сопровождаются выделением света

Как в этом случае отличить кипение от химической реакции? Для этого нужно вспомнить, как происходит кипение: жидкость закипает, когда нагревается до определенной температуры — температуры кипения (для воды при нормальном давлении это 100 °С).

При кипении воды пузырьки газа (пара) образуются во всем объеме жидкости. В случае взаимодействия уксуса с содой жидкость не нагревается, а газ выделяется только в том месте, где сода контактирует с раствором, а значит кипением этот процесс назвать нельзя.

Часто о химических превращениях свидетельствует изменение окраски (рис. 76а). Например, цвет листьев на деревьях осенью меняется с зеленого на желтый или красный. Множество химических реакций, например реакции горения, сопровождаются выделением энергии (рис. 76б), обычно в виде теплоты и света. Однако есть реакции, которые происходят с поглощением энергии. Например, реакция фотосинтеза в растениях происходит с поглощением энергии солнечного света.

Признаки химических реакций:

• изменение окраски;
• изменение запаха;
• изменение вкуса;
• выпадение или растворение осадка;
• выделение или поглощение газа;
• выделение или поглощение теплоты;
• излучение света.

Условия протекания химических реакций

Для протекания химических реакций необходимы определенные условия. В первую очередь вещества необходимо соединить и перемешать или хотя бы привести в соприкосновение.

Но не всегда химическая реакция начинается сразу после перемешивания веществ. Древесина очень хорошо горит, однако сама по себе она не загорается. Для того чтобы началась реакция горения, древесину необходимо поджечь — т. е. нагреть до определенной температуры. Дальше реакция протекает самостоятельно, пока не закончится один из реагентов. Для протекания многих химических реакций необходимо постоянное нагревание или охлаждение.

Некоторые реакции происходят под действием света или электрического тока. Известны неустойчивые вещества, которые разлагаются от трения или удара.

Условия, необходимые для протекания различных реакций, очень разные. Большинство реакций не требует специальных условий, но некоторые происходят лишь при определенных условиях, которые описываются в химической литературе.

Выводы:

1. При физических явлениях изменяются форма или агрегатное состояние веществ, но их состав, а следовательно и физические свойства, не меняются. При химических явлениях (химических реакциях) вещества изменяются, т. е. одни вещества превращаются в другие. Это происходит из-за изменения состава веществ.
2. О протекании химических реакций можно судить по определенным признакам: изменение окраски, запаха, вкуса, образование или исчезновение осадка, выделение или поглощение теплоты, газа или света.

Кислород

Вокруг нашей планеты существует газообразная оболочка, которую называют атмосферой (рис. 77). Все мы живем на «дне» этого газообразного океана. Приземный слой атмосферы мы называем воздухом. Воздух — это сложная смесь 15 различных газов. Основными компонентами являются азот и кислород . Содержание азота

Рис. 77. Атмосфера Земли — это сравнительно тонкий газообразный слой вокруг нашей планеты. В нижних слоях атмосферы одна пятая часть — это кислород

Рис. 78. Состав сухого воздуха у поверхности Земли

составляет 78 % от объема воздуха, а кислорода — 21 %. Кроме того, в воздухе содержится небольшое количество аргона (0,9 %), углекислого газа (0,03 %), озона, водяного пара и других газов (рис. 78). Объемные доли кислорода и азота в воздухе определил А. Лавуазье в 1774 году.

Состав воздуха несколько меняется в зависимости от местности, погодных условий и высоты над уровнем моря. Например, водяного пара в воздухе в теплую и влажную погоду содержится больше, а в холодную и сухую — меньше. Углекислый газ образуется в результате горения и дыхания, поэтому в воздухе больших городов его больше, чем над лесами и морями. Содержание азота и кислорода в разных местностях почти постоянно.

В закрытых и непроветриваемых помещениях может скапливаться много углекислого газа. Воздух, который содержит более 0,1 % углекислого газа, негативно влияет на человека. Поэтому нужно регулярно проветривать помещения.

Кислород и озон

Главный компонент воздуха — это кислород. Он поддерживает дыхание, благодаря чему на Земле могут жить животные, и горение, без которого уже невозможна наша жизнь. В молекуле кислорода два атома Оксигена соединены друг с другом двумя химическими связями (рис. 79а). Графическая формула кислорода имеет такой вид:

Как видно, валентность атомов Оксигена и в простом веществе равна II.

Больше всего кислорода содержится в нижних слоях атмосферы (тропосфере). При подъеме над землей содержание кислорода

Рис. 79. Формулы и модели молекул: а — кислорода; б — озона

понемногу уменьшается. Именно поэтому при путешествии высоко в горах становится труднее дышать. В верхних, очень разреженных слоях атмосферы кислород почти отсутствует. Химический элемент Оксиген образует еще одно простое вещество — озон (рис. 79б). Озон также содержится в атмосфере, но он находится преимущественно на высоте 30–50 км, образуя так называемый озоновый слой. Озоновый слой защищает нас от вредного ультрафиолетового излучения Солнца.

Физические свойства кислорода

При обычных условиях кислород — газ без цвета, вкуса и запаха. Толстый слой кислорода имеет светло-голубую окраску. Кислород малорастворим в воде — в 1 л воды при температуре 20 °С растворяется 31 мл кислорода (0,004 % по массе). Однако этого количества достаточно для дыхания рыб, которые живут в водоемах. Газообразный кислород немного тяжелее воздуха: 1 л воздуха при температуре 0 °С и нормальном давлении весит 1,29 г, а 1 л кислорода — 1,43 г.

Жидкий кислород — это подвижная, слегка голубоватая жидкость, которая кипит при –183 °С (рис. 80). Твердый кислород — это синие кристаллы, которые плавятся при еще более низкой температуре — –218,7 °С.

Кислород — парамагнитное вещество, т. е. в жидком и твердом состояниях он притягивается магнитом (рис. 81, с. 110).

Рис. 80. Жидкий кислород имеет голубоватый цвет

Часто можно услышать, что голубой цвет неба связан с окраской кислорода. Однако это не совсем соответствует действительности. Цвет кислорода вносит свою лепту в окраску неба, однако синий цвет небосвода связан по большей части с более сложным явлением — рассеиванием солнечного света в воздухе.

Рис. 81. Жидкий кислород притягивается магнитом

Открытие кислорода

Кислород был открыт в 1774 году Дж. Пристли. Он изучал газообразные вещества, которые образуются при прокаливании различных веществ солнечными лучами, сфокусированными с помощью линзы (рис. 82). При таком воздействии, в частности на меркурий(II) оксид, выделяется кислород.

Поскольку в чистом кислороде легче дышалось, то открытый газ Пристли назвал «улучшенным воздухом». Независимо от Пристли приблизительно в то же время кислород был открыт К. Шееле. Благодаря способности кислорода поддерживать горение Шееле назвал его «огненным воздухом». Шееле открыл кислород раньше, чем Пристли, но опубликовал свои результаты позднее. Поэтому первооткрывателем кислорода считают Дж. Пристли.

История открытия кислорода интересно переплетается с историей появления подводных лодок. Есть сведения, что кислород был открыт еще в XVII в. голландским ученым К. Дреббелем. Он использовал этот газ для дыхания в подводной лодке собственной конструкции. Но это открытие относилось к военной технике и держалось в секрете, поэтому не повлияло на дальнейшие исследования.

Рис. 82. Для получения кислорода Пристли прокаливал меркурий(II) оксид HgO в пробирке, наполненной ртутью. Образовавшийся кислород вытеснял ртуть и собирался над слоем ртути

Джозеф Пристли (1733–1804)

Английский химик, философ и общественный деятель. Был священнослужителем, а в свободное время занимался наукой, владел девятью языками. Один из ведущих ученых в области пневмохимии (химии газов). В 1774 г. открыл кислород. Кроме кислорода впервые получил азот, хлороводород, фтороводород, аммиак, сернистый газ, углекислый газ. Он был первым, кто специально растворил углекислый газ в воде, после чего вода стала удивительно вкусной. Так была изобретена газированная (содовая) вода. За это изобретение ему была присуждена награда Лондонского королевского общества. Содовая вода стала первым товарным продуктом химии газов.

Оксиген в природе

Оксиген — один из важнейших элементов в природе. Кроме простых веществ, он также образует соединения почти со всеми химическими элементами. Исключение составляют только инертные элементы — Гелий, Неон, Аргон. На поверхности нашей планеты Оксиген является самым распространенным элементом. В составе соединений с другими элементами он составляет 49 % от массы земной коры. Оксиген входит в состав самых важных минералов литосферы (красный железняк, кварц, гипс, полевой шпат и др.) и веществ, которые обеспечивают плодородие почв (гумус и соли).

Карл Вильгельм Шееле (1742–1786)

Известный шведский фармацевт и химик-самоучка. В 15 лет он стал учеником в аптеке в Гетеборге, потом работал во многих аптеках Швеции, и, хотя неоднократно получал предложения занять должность профессора, предпочел остаться аптекарем. Уже в 32 года Шееле был удостоен звания члена Стокгольмской академии наук. Современники говорили о нем: «Аптекарь Шееле не мог не притронуться к чему-нибудь, чтобы не сделать открытия». Шееле открыл семь химических элементов (О, F, Cl, Mn, Мо, Ba, W). Он впервые выделил множество органических кислот: щавелевую, лимонную, винную, молочную и др. Открыл множество ценных неорганических соединений.

Рис. 83. Распространенность Оксигена в природе (по массе)

Самое распространенное соединение Оксигена — это вода . Огромные объемы воды — реки, моря и океаны — образуют гидросферу Земли. С учетом растворенных веществ гидросфера содержит 86–89 % Оксигена по массе.

Оксиген входит в состав многих сложных веществ: оксидов, кислот, щелочей, солей и др. Живые организмы также содержат большое количество Оксигена. В составе разных соединений на долю Оксигена приходится около 60 % массы тела человека.

В Периодической системе Оксиген имеет порядковый номер 8, соответственно заряд ядра атома Оксигена +8 (рис. 84). Химический символ элемента — O, относительная атомная масса 16 — это означает, что атом Оксигена в 16 раз тяжелее 1/12 массы атома Карбона (рис. 85). В химических соединениях Оксиген всегда проявляет валентность II, несмотря на то, что он расположен в VI группе Периодической системы.

Рис. 84. Модель атома Оксигена

Рис. 85. Из Периодической системы можно узнать порядковый номер Оксигена и его относительную атомную массу

Оксиген является самым активным химическим элементом в природе после Флуора. Благодаря этому он образует соединения почти со всеми элементами.

Оксиды

Соединения, в составе которых кроме Оксигена есть только один какой-либо химический элемент, называют оксидами.

Оксиды—это бинарные соединения химических элементов с Оксигеном.

Чтобы различать оксиды, им присваивают названия. Названия оксидов состоят из двух слов: названия химического элемента (в именительном падеже) и слова «оксид».

• — натрий оксид;
• — алюминий оксид.

Если оксид образован элементом с переменной валентностью, то также указывают его валентность:

CuO — купрум(II) оксид; — купрум(I) оксид Формулы оксидов составляют по валентности элементов, которые их образуют.

Своим названием элемент Оксиген обязан А. Лавуазье. Согласно теории Лавуазье, Оксиген был основным функциональным компонентом кислот, в связи с чем и получил свое название Oxygenium — «рождающий кислоты» (от оксос — кислый и геннео — рождаю).

Выводы:

1. Оксиген — один из наиболее распространенных и самых важных элементов в природе. Он образует соединения почти со всеми известными элементами. Больше всего Оксигена содержится в гидросфере, также велико содержание Оксигена в литосфере и атмосфере.
2. Оксиген в соединениях всегда двухвалентен, его относительная атомная масса равна 16.
3. Кислород и озон — простые вещества, образованные Оксигеном. Из них наиболее распространен кислород, который содержится в атмосфере Земли. Кислород — бесцветный газ, немного тяжелее воздуха и малорастворимый в воде. Жидкий и твердый кислород имеет голубую окраску и притягивается магнитом.

Уравнения химических реакций. Закон сохранения массы веществ в химических реакциях

Закон сохранения массы:

Все химические превращения удобно описывать посредством химических формул и уравнений реакций. Процесс горения угля можно описать такой схемой:

Эту схематическую запись называют уравнением химической реакции. В левой части уравнения записан один атом Карбона и одна молекула кислорода, которая состоит из двух атомов Оксигена. В правой части уравнения записана одна молекула углекислого газа (карбон(IV) оксида), которая состоит из одного атома Карбона и двух атомов Оксигена.

Число атомов каждого химического элемента в обеих частях уравнения одинаково. Для того чтобы подчеркнуть равное число атомов всех элементов, в данной записи стрелку можно заменить на знак равенства:

Уравнение химической реакции является отображением закона сохранения массы веществ в химических реакциях.

Масса веществ, которые вступили в химическую реакцию, равна массе веществ, которые образовались в результате реакции.

Этот закон был открыт М. В. Ломоносовым в 1748 году и, независимо от него, А. Лавуазье в 1789 году, поэтому данный закон называют также законом Ломоносова–Лавуазье.

В результате химических реакций одни вещества превращаются в другие: атомы, из которых состоят исходные вещества, не исчезают, не появляются и не превращаются из одного вида в другой, а только перегруппировываются, образуя молекулы новых веществ.

Рис. 86. Опыт, иллюстрирующий закон сохранения массы в химических реакциях: при горении вещества в закрытой емкости равновесие на весах сохраняется

Сегодня это утверждение кажется очевидным, однако в XVII в. наблюдения некоторых ученых противоречили ему. Например, спирт при горении постепенно утрачивает массу и, наконец, исчезает. Если железная пластинка лежит на воздухе, она постепенно ржавеет и ее масса при этом увеличивается. Как это объяснить? Объяснение этим фактам нашли только после проведения экспериментов с тщательным взвешиванием исходных веществ и продуктов реакций.

Докажем, что во время горения закон сохранения массы выполняется. Горение свечи — это химическая реакция, которая происходит с образованием углекислого газа и воды (в виде водяного пара). Продукты реакции (углекислый газ и водяной пар) — это газообразные вещества, которые испаряются, и потому кажется, что вещество исчезает. Если реакцию проводить в закрытом сосуде, то продуктам реакции не будет куда исчезать.

На одну чашу весов поместим горючее вещество в герметично закрытой емкости, заполненной кислородом (рис. 86). Уравновесим весы и подожжем. Вещество некоторое время горит, а потом, когда израсходуется кислород, горение прекращается. Во время горения равновесие весов сохраняется. Таким образом, масса колбы с исходными веществами равна массе колбы с продуктами реакции.

В случае ржавления железа атомы Феррума реагируют с кислородом и водой из окружающего воздуха. В этом случае образуется ржавчина, масса которой больше, чем масса исходного железа, поэтому кажется, что вещество возникает ниоткуда.

Рис. 87. Прокаливание металла в закрытой колбе. После окончания реакции место кислорода, израсходованного на реакцию, занимает вода

Проведем подобный опыт в герметичной колбе (рис. 87а). Поместим образец металла в колбу, закроем ее пробкой с запаянной газоотводной трубкой и нагреем. После прокаливания металл изменяет свой цвет, так как он превратился в оксид (рис. 87б). Чтобы доказать, что часть воздуха израсходовалась на реакцию с металлом, опустим газоотводную трубку в емкость с водой и откроем конец трубки. Поскольку часть воздуха соединилась с металлом, то в колбе возникло свободное пространство, которое через трубку заполняет вода (рис. 87в).

Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765)

Выдающийся российский ученый. Учился в Словяно-греко-латинской академии, в Киево-Могилянской академии, Петербургском университете, в университете Гамбурга. Ломоносов был одним из образованнейших людей России того времени. Заслуживают внимания его труды не только в области химии, но и в минералогии, географии, металлургии, физике, истории, поэзии, изобразительном искусстве. Открыл закон сохранения массы, создал первую в России химическую лабораторию. По результатам наблюдений солнечного затмения установил существование атмосферы на Венере. По его инициативе был открыт Московский университет, который сегодня носит его имя.

Составление уравнений химических реакций

Уравнения химических реакций составляются с учетом закона сохранения массы. Рассмотрим, как составляются уравнения реакций образования бинарных соединений из простых веществ.

Пример №3

Составим уравнение реакции образования метана — основного компонента природного газа. Метан состоит из атомов Карбона и Гидрогена. Таким образом, для его получения необходимы простые вещества, одно из которых состоит из атомов Карбона (уголь C), а другое — из атомов Гидрогена (водород ).

В левой части записываем исходные вещества (реагенты) , а в правой — продукт реакции :

Но эта запись еще не является уравнением реакции — это схема реакции. Для того чтобы она превратилась в уравнение, необходимо уравнять число атомов каждого элемента в левой и правой частях. Для этого необходимо подобрать коэффициенты — цифры перед химическими формулами, которые указывают число молекул (атомов). Как видно, в левой и правой частях схемы по одному атому Карбона, но в левой части два атома Гидрогена (одна молекула водорода), а в правой — четыре атома (в составе одной молекулы метана). Это противоречит закону сохранения массы. Чтобы это исправить, перед формулой водорода в левой части уравнения нужно поставить коэффициент 2:

Теперь в обеих частях уравнения число атомов Гидрогена и Карбона одинаково, поэтому стрелку между реагентами и продуктами в уравнении можно заменить знаком равенства:

Пример №4

Рассмотрим реакцию горения метана. Горение — это взаимодействие с кислородом . При горении метана образуются углекислый газ и вода . Запишем схему реакции:

Теперь необходимо уравнять число атомов каждого химического элемента, т. е. подобрать коэффициенты. Начнем с атомов Карбона:

в обеих частях уравнения их по одному. Потом подсчитаем атомы Гидрогена: в левой части четыре атома, а в правой — два. Чтобы уравнять их число, нужно перед формулой воды поставить коэффициент 2:

Осталось уравнять число атомов Оксигена (обычно Оксиген уравнивают последним). В левой части уравнения два атома Оксигена в молекуле , а в правой — четыре (два атома в составе молекулы углекислого газа и два атома в составе двух молекул воды H2O). Таким образом, в левой части уравнения перед формулой кислорода необходимо поставить коэффициент 2:

Теперь число атомов всех элементов одинаково, следовательно, коэффициенты подобраны правильно. Подбирая коэффициенты в уравнении реакции, необходимо помнить следующие правила:

• коэффициент показывает число молекул, отдельных атомов или формульных единиц в уравнении реакции;
• коэффициент ставится только перед химической формулой;
• коэффициент относится ко всем атомам, из которых состоит молекула, перед которой он стоит, например: запись означает две молекулы воды, в которых содержится 4 атома Гидрогена (по два в каждой молекуле) и 2 атома Оксигена (по одному в каждой молекуле);
• коэффициент 1, как и индекс 1, не записывается;
• индекс показывает число атомов элемента (или групп атомов) в составе молекулы, а коэффициент — число молекул, например:
• H — один атом Гидрогена;
• 2H — два атома Гидрогена;
• — одна молекула водорода, состоящая из двух атомов Гидрогена;
• — две молекулы водорода, каждая из которых состоит из двух атомов Гидрогена.

Записи 4H и неравнозначны. Хотя в них и записано одинаковое число атомов Гидрогена, но первая запись означает четыре отдельных атома Гидрогена, а вторая — две молекулы водорода.

В уравнениях реакций часто указывают условия протекания реакций или выделение газа и осадка. Так, если из раствора выделяется газообразное вещество, то рядом с его формулой ставят стрелку, направленную вверх: ↑. Если из газов или жидкостей образуется нерастворимое вещество, то рядом с его формулой ставят стрелку, направленную вниз: ↓.

Выводы:

1. Массы веществ, вступающих в реакцию, равны массе образованных веществ, о чем свидетельствует закон сохранения массы в химических реакциях. Этот закон основан на том, что атомы в химических реакциях не исчезают, а просто переходят из одних веществ в состав других. Посредством химических символов и знаков закон сохранения массы отображают уравнением химической реакции.
2. При составлении уравнений химических реакций необходимо соблюдать условие, что число атомов всех элементов в левой и правой частях уравнения должно быть одинаковым. Для этого перед химическими формулами пишут коэффициенты, которые обозначают число молекул, отдельных атомов или формульных единиц.

Получение и хранение кислорода

Методы получения кислорода можно разделить на промышленные и лабораторные.

Разложение оксидов

В лаборатории кислород удобнее получать из тех его соединений, которые при нагревании легко разлагаются с выделением кислорода. Чаще всего для этого используют калий перманганат , калий хлорат (бертолетову соль), калий нитрат (индийскую селитру), гидроген пероксид .

Впервые кислород был получен нагреванием меркурий(II) оксида HgO сфокусированными солнечными лучами. При этом образуется жидкая ртуть и газообразный кислород (рис. 90):

Рис. 90. При прокаливании красного меркурий(II) оксида образуется жидкая серебристая ртуть и газообразный кислород

Таким же образом могут разлагаться соединения и других неактивных металлических элементов с Оксигеном. Но обычно такие реакции происходят при очень высоких температурах, поэтому использовать их для получения кислорода в лаборатории не очень удобно.

Разложение бертолетовой соли

Катализаторы Поместим в чистую сухую пробирку несколько кристаллов бертолетовой соли и нагреем ее в пламени спиртовки. Сначала соль начинает плавиться (357 °С), а потом расплав закипает (400 °С) — начинается разложение с выделением бесцветного газа в соответствии с уравнением:

Чтобы доказать, что выделяющийся газ является кислородом, в пробирку внесем тлеющую лучину (рис. 91). Лучина ярко вспыхивает. Это означает, что полученный газ — кислород, так как он поддерживает горение. Чтобы ускорить реакцию, к бертолетовой соли можно добавить небольшое количество порошка манган(IV) оксида . В его присутствии кислород начинает выделяться при более низкой температуре (200 °С), даже ниже, чем температура плавления. Сам по себе манган(IV) оксид в этой реакции не расходуется, он только ускоряет ее. Такие вещества называют катализаторами, а увеличение скорости реакции под действием катализатора — катализом.

Катализаторы — это вещества, которые изменяют скорость химической реакции, но сами в ней не расходуются. Способность некоторых веществ ускорять химические реакции известна уже более 200 лет, но первые научные объяснения этого явления, а также приведенное определение катализаторов было введено выдающимся химиком В. Оствальдом.

Рис. 91. Доказательство наличия кислорода в пробирке: тлеющая лучина при внесении в кислород вспыхивает

Вильгельм-Фридрих Оствальд (1853–1932)

Выдающийся немецкий физико-химик, лауреат Нобелевской премии 1909 г. Родился в Риге, где учился и в 28 лет начал работать профессором. В возрасте 35 лет переехал в Лейпциг, где возглавил Физикохимический институт. Вильгельм Оствальд изучал законы химического равновесия, электрические свойства растворов, открыл закон разбавления, названный его именем, разработал основы теории кислотно оснóвного катализа, занимался историей химии. Основал первую в мире кафедру физической химии и первый физико-химический журнал. В свое время активно поддержал теорию Аррениуса, чем способствовал ее признанию другими химиками.

Разложение калий перманганата Кислород в лаборатории удобно получать из калий перманганата . Калий перманганат представляет собой черно-фиолетовые кристаллы со специфическим блеском (рис. 92). Небольшое количество порошка калий перманганата поместим в пробирку. Во избежание разбрасывания порошка, в пробирку необходимо поместить ватный тампон (рис. 93). Для того чтобы началась реакция, пробирку необходимо нагреть приблизительно до 230 °С. Порошок постепенно нагревается и начинает растрескиваться — происходит реакция:

Если к пробирке присоединить газоотводную трубку, то выделяющийся кислород можно собрать в какую-нибудь емкость.

Рис. 92. Калий перманганат используют для получения кислорода в лаборатории

Рис. 93. Приспособление для получения кислорода разложением калий перманганата

Рис. 94. Приспособление для собирания кислорода: а — методом вытеснения воздуха; б — методом вытеснения воды

Как можно собрать полученный кислород?

Кислород тяжелее воздуха и малорастворим в воде, поэтому его можно собирать двумя способами: вытеснением воздуха и вытеснением воды. В первом случае (рис. 94а) кислород, который поступает в емкость по стеклянной трубке, постепенно вытесняет воздух. Во избежание смешивания кислорода с атмосферным воздухом, отверстие емкости неплотно закрывают куском ваты или листом фильтровальной бумаги. Чтобы убедиться, что емкость заполнилась кислородом, к ее отверстию подносят тлеющую лучину. Если емкость заполнена, то лучина вспыхивает у отверстия.

При собирании кислорода над водой (рис. 94б) выделяющийся газ постепенно вытесняет воду из пробирки, заранее заполненной водой. Когда газ полностью вытеснит воду из пробирки, ее отверстие закрывают стеклом и только потом вынимают из воды и переворачивают.

Получение кислорода из гидроген пероксида:

Часто для получения кислорода в лаборатории используют гидроген пероксид . Гидроген пероксид при обычных условиях разлагается, но очень медленно, даже если его подогреть на горелке. Но если в раствор гидроген пероксида добавить щепотку манган(IV) оксида, то жидкость сильно вспенивается, почти «закипает» — это выделяется кислород:

По окончании реакции в пробирке остается смесь воды и манган(IV) оксида. Эту смесь легко разделить фильтрованием. В данной реакции манган(IV) оксид выступает в роли катализатора. В этом легко убедиться, если отфильтрованный манган(IV) оксид снова добавить к гидроген пероксиду для разложения новой порции.

Поскольку катализаторы в процессе химической реакции не расходуются, то их добавляют к реагентам очень малыми дозами. Существует даже выражение «добавить реагент в каталитическом количестве», что означает «очень мало».

Реакции разложения

Если внимательно проанализировать приведенные уравнения реакций получения кислорода, то можно заметить общий признак: в левой части данных уравнений записана формула одного вещества, а в правой — нескольких. Такие реакции называются реакциями разложения.

Реакции, в которых из одного сложного вещества образуется несколько других веществ, называются реакциями разложения.

В общем виде уравнения реакции разложения можно записать следующим образом: A = B + C Получение кислорода в промышленности. Хранение кислорода Приведенные выше методы получения кислорода могут быть использованы только в лабораторных условиях. Для промышленного получения больших объемов кислорода они не используются из-за высокой стоимости исходных веществ. Большие количества кислорода получают из жидкого воздуха разделением (ректификацией). Сначала воздух охлаждают до –200 °С, а затем постепенно нагревают. При –196 °С азот испаряется, а жидкий кислород остается. Этот метод нельзя назвать химическим, поскольку в данном случае кислород просто выделяется из смеси газов — воздуха. Полученный жидкий кислород хранят в специальных емкостях — сосудах Дьюара (рис. 95), которые по строению напоминают обычный термос. Сосуд Дьюара имеет две стенки, из пространства между которыми откачан воздух. 

Рис. 95. Сосуд Дьюара для хранения сжиженных газов (а) и его строение (б)

Благодаря этому сосуд почти не пропускает тепло, и в нем длительное время при низкой температуре может храниться сжиженный газ. Часто в промышленности кислород получают из воды. Под действием электрического тока вода разлагается на два простых вещества — кислород и водород. Этот процесс называют электролизом (рис. 96).

Электролиз воды происходит довольно медленно и требует значительных затрат электричества, но полученный кислород довольно чистый, поэтому в некоторых случаях этот метод является целесообразным.

Полученный газообразный кислород хранят в специальных стальных баллонах под высоким давлением, чтобы он занимал меньше места. 

Рис. 96. Приспособление для получения кислорода электролизом воды

Рис. 97. Баллоны для хранения чистого кислорода под высоким давлением

Рис. 98. Газометр для хранения и использования газов в лаборатории: а — наполнение газометра кислородом методом вытеснения воды (краны 1 и 2 закрыты, кран 3 открыт); б — использование собранного кислорода (краны 1 и 2 открыты, кран 3 закрыт)

Баллоны с кислородом окрашивают в синий цвет, чтобы не перепутать их с баллонами, наполненными другими газами (рис. 97, с. 127). Вентили таких баллонов ни в коем случае нельзя смазывать машинными маслами, поскольку даже остатки смазочного масла в потоке чистого кислорода могут вызвать сильный взрыв.

Для хранения и удобного пользования кислородом в лаборатории используют другое устройство — газометр (рис. 98). Это большой стеклянный баллон с большой воронкой, заполненной водой. Сначала газометр заполняют кислородом методом вытеснения воды (рис. 98а). Когда газометр заполнен, открывают кран 2 и вода из воронки вытесняет собранный газ через кран 1 (рис. 98б).

Выводы:

1. В лаборатории кислород получают разложением сложных веществ: бертолетовой соли, калий перманганата или гидроген пероксида. Полученный кислород можно выявить, используя тлеющую лучину, а собирают его методом вытеснения воды или воздуха.
2. Реакции получения кислорода являются реакциями разложения, в которых из одного вещества образуется несколько. Часто они происходят при участии катализаторов — веществ, которые ускоряют химические реакции, но сами при этом не расходуются.
3. В промышленности кислород получают либо разделением (ректификацией) воздуха, либо реакцией разложения воды электролизом.

Химические свойства кислорода

Описать химические свойства вещества означает описать его способность вступать в различные химические реакции. Рассмотрим химические свойства кислорода.

Общая характеристика химических свойств кислорода

Кислород — одно из самых активных веществ. Из простых веществ по активности он уступает только фтору. Из курса природоведения вы знаете, что кислород поддерживает дыхание и горение. В чистом кислороде ярко вспыхивает тлеющая лучина и могут воспламеняться некоторые вещества, такие как бензин, спирт, смазочное масло.

При взаимодействии веществ с кислородом образуются оксиды. Такие реакции называют окислением.

Взаимодействие кислорода с простыми веществами

Многие реакции взаимодействия с кислородом происходят бурно, с выделением большого количества теплоты и света. Такие реакции мы обычно называем горением.

Быстрый процесс окисления вещества, сопровождающийся выделением большого количества теплоты и, как правило, света, называют горением.

Раскалим в пламени спиртовки кусочек древесного угля до покраснения и внесем в емкость с кислородом. Уголь продолжает гореть, не образуя пламени, но намного ярче, чем на воздухе (рис. 99а). Продуктом сгорания угля является карбон(IV) оксид — углекислый газ:

Поместим в стальную ложечку для сжигания небольшой кусочек серы и нагреем на спиртовке. Сера сначала плавится, а затем вспыхивает тусклым синим пламенем. В случае внесения ложечки в емкость с кислородом пламя становится намного ярче (рис. 99б). В результате сгорания серы образуется удушливый сульфур(IV) оксид — сернистый газ:

Аналогично поступим с фосфором. Фосфор на воздухе горит относительно активно, но без пламени, образуя густые клубы белого удушливого дыма. В чистом кислороде фосфор сгорает ослепительно-белым пламенем (рис. 99в). Дым, выделяющийся при сгорании фосфора, состоит из мельчайших частиц твердого фосфор(V) оксида:

Кислород очень активно взаимодействует со многими веществами. Причем, чем выше содержание кислорода в смеси газов, тем активнее происходит горение. 

Рис. 99. Горение различных веществ в кислороде: а — угля; б — серы; в — фосфора; г — железа

В обычных условиях железо на воздухе не горит, но в атмосфере чистого кислорода оно активно взаимодействует с кислородом. Если сильно нагреть кончик тонкой железной проволоки и опустить его в емкость с кислородом, то железо загорится, разбрасывая яркие искры — частицы раскаленного феррум(III) оксида (рис. 99г):

Некоторые металлы взаимодействуют с кислородом намного активнее, например магний. Если поджечь магниевую ленту в воздухе, то произойдет реакция с выделением большого количества энергии в виде света (рис. 100):

Менее активные металлы взаимодействуют с кислородом не так бурно, т. е. они не способны гореть. Например, медь и ртуть взаимодействуют с кислородом только при сильном нагревании. Так, при нагревании в пламени горелки меди — металла красного цвета образуется купрум(II) оксид черного цвета:

А некоторые металлы, например золото или платина, вообще не взаимодействуют с кислородом. Обратите внимание на уравнения реакций взаимодействия простых веществ с кислородом. Во всех этих уравнениях в левой части записаны формулы двух веществ, а в правой части — одного вещества. Следовательно, в процессе реакции из двух веществ образуется одно. Такие реакции называют реакциями соединения.

Рис. 100. Горение магниевой ленты

Реакции, в которых из двух простых или сложных веществ образуется одно вещество, называют реакциями соединения.

В общем виде уравнение реакции соединения можно записать так:

A + B = C

Взаимодействие кислорода со сложными веществами Многие сложные вещества также способны гореть в кислороде. При горении сложного вещества образуются оксиды всех элементов, из которых состоит данное вещество. Например, в результате горения метана образуются два оксида: карбон(IV) оксид и гидроген оксид (рис. 101):

Сероводород — газ с запахом тухлых яиц — сгорает в кислороде также с образованием двух оксидов: сульфур(IV) оксида и гидроген оксида:

При определенных условиях с кислородом может взаимодействовать глюкоза — это сахар, содержащийся в винограде и в некоторых других плодах. В этой реакции также образуется смесь оксидов:

Приведенные реакции не отображают всего многообразия химических свойств кислорода, мы рассмотрели лишь самые важные из них. Со многими свойствами вы ознакомитесь в дальнейшем.

Рис. 101. Горение метана на нефтедобывающей платформе

С кислородом могут взаимодействовать также некоторые оксиды. Элементы с переменной валентностью способны образовывать несколько оксидов. В этом случае оксид с низшей валентностью элемента может взаимодействовать с кислородом с образованием оксида с высшей валентностью. Например, Карбон способен образовывать карбон(II) оксид и карбон(IV) оксид. В этом случае угарный газ CO способен взаимодействовать с кислородом с образованием углекислого газа :

Аналогично нитроген(II) оксид может взаимодействовать с кислородом с образованием нитроген(IV) оксида:

Нитроген(IV) оксид при образовании выделяется в виде густого бурого газа, что напоминает хвост лисы, поэтому его иногда называют «лисий хвост».

Выводы:

1. Кислород — химически активное вещество. Кислород взаимодействует почти со всеми простыми веществами (металлами и неметаллами) и со множеством сложных веществ. Многие вещества взаимодействуют с кислородом с образованием пламени, т. е. горят.
2. Реакции простых веществ с кислородом являются реакциями соединения, поскольку из нескольких веществ образуется одно. Взаимодействие веществ с кислородом называют реакцией окисления.
3. При взаимодействии простого вещества с кислородом образуется один оксид, а при взаимодействии сложных — несколько оксидов.

Горение и окисление веществ в воздухе

Люди издавна задумывались над природой горения веществ. За тысячелетия развития науки выдвигалось множество гипотез, которые пытались объяснить, почему одни вещества горят, а другие — нет. Большинство из этих гипотез сегодня вызывают улыбку, а их изучение интересно разве что с исторической точки зрения.

Впервые современную теорию горения выдвинул французский химик А. Лавуазье. Он установил, что горение происходит при участии воздуха, а точнее, одного из его компонентов — кислорода. Кроме того, Лавуазье доказал, что воздух является не простым веществом, а смесью газов, и определил его состав.

Из всех газов, которые входят в состав воздуха, только кислород поддерживает горение. Горение веществ может происходить с различной скоростью в зависимости от активности вещества и содержания кислорода в воздухе. Активные вещества, такие как фосфор, метан, магний и другие, сгорают очень быстро (рис. 103). Менее активные вещества, например сахар, сгорают медленнее.

Горение веществ в воздухе

Существенным образом на активность горения влияет содержание кислорода в воздухе. Если бы в воздухе содержалось менее 15 % кислорода, то горение было бы невозможным. А если бы содержание кислорода превышало 30 %, то было бы очень сложно загасить огонь. Все деревья на нашей планете сгорели бы в результате лесных пожаров, которые мог бы потушить только очень сильный ливень.

Но главное, что при горении выделяется много теплоты (энергии), которую можно использовать для бытовых и промышленных нужд. Также при горении выделяется свет, и часто этот процесс сопровождается образованием пламени.

Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794)

Выдающийся французский химик. С ранних лет проявлял интерес к физике и химии. Длительное время изучал горение веществ, первым установил, что в процессах горения и дыхания участвует кислород. Чтобы доказать состав алмаза, в складчину с друзьями купил большой бриллиант и сжег его, чем доказал, что алмазы состоят из атомов Карбона (рис. 102). Открыл закон сохранения массы веществ в химических реакциях. Доказал, что кислород и металлы являются простыми веществами, а вода — сложным. В то время химики считали воду простым веществом, поскольку не могли ее разложить. Ввел систему присвоения названий веществам, основанную на их составе. Дал современные названия многим элементам.

Рис. 102. Приспособление, на котором Лавуазье сжег алмаз в солнечных лучах, доказав его химический состав

Рис. 103. Горение метана происходит довольно быстро с образованием пламени и выделением теплоты

Медленное окисление

Взаимодействие веществ с кислородом может происходить медленно, без заметного выделения теплоты. В этом случае горение не наблюдается. Такие процессы называют медленным окислением. Например, железо при хранении на воздухе медленно превращается в рыжий порошок ржавчины, что условно можно описать уравнением:

Медленное окисление — это процесс медленного взаимодействия веществ с кислородом без образования пламени и большого количества теплоты.

Медленное окисление отличается от горения отсутствием пламени и длительностью протекания. В повседневной жизни часто встречаются оба процесса. Мы разжигаем костер в лесу, сжигаем природный газ или дрова в печи и наблюдаем горение. Процессы медленного окисления не так заметны, но встречаются не менее редко. Все мы сталкивались с тем, что металлические предметы со временем тускнеют — покрываются слоем оксида. Если залезть в свежий стог сена, то можно ощутить тепло и запах веществ, выделяющихся при прении влажной травы. Из-за этой теплоты сено может даже воспламениться. Прение и гниение — примеры медленного окисления веществ в природе.

Процессы горения и медленного окисления могут переходить друг в друга: дрова в прогоревшем костре еще некоторое время продолжают тлеть, и наоборот, тлеющая спичка, брошенная в лесу, может стать причиной большого пожара. На предприятиях пропитанную смазочным маслом ветошь после обтирания станков запрещено накапливать в кучах. Внутри такой кучи процессы медленного окисления с выделением теплоты настолько повышают температуру, что может произойти самовозгорание. Медленное окисление способно при определенных условиях перейти в горение.

Взрыв:

При некоторых условиях горение может происходить так быстро, что вещество взрывается. Обычно это происходит, если горючее вещество сильно измельчено. Например, муку горючим веществом назвать сложно, но на мукомольных заводах происходили взрывы, когда очень мелко смолотая мука, взвешенная в воздухе, взрывалась от небольшой искры.

Взрываться могут смеси кислорода с некоторыми газами. Смесь кислорода с водородом в соотношении 1 : 2 называют «гремучий газ». Он взрывается от наименьшей искры с образованием воды (рис. 104):

Взрываться могут смеси природного газа или угольной пыли с воздухом. Вот почему необходимо следить за исправностью газовых плит и газовых трубопроводов, расположенных в закрытых помещениях. Шахты постоянно проветриваются мощными насосами не только для того, чтобы в них легче дышалось, но и для того, чтобы уменьшить до безопасных значений содержание рудничного газа (метан), выделяющегося из угольных пластов.

На вентилях и трубопроводах, по которым подается чистый кислород, не должно быть даже следов смазочного масла. Масло, измельченное в капли, в потоке кислорода становится взрывчаткой огромной разрушительной силы.

Обычные опилки, пропитанные жидким кислородом, становятся взрывчатым веществом. Смеси пористых горючих материалов с жидким кислородом — оксиликвиты — применяют как взрывчатку при прокладывании туннелей, строительстве дамб, при добыче руды или камня в карьерах.

Условия возникновения и протекания реакции горения

Рассмотрим, от чего зависит протекание реакции горения. В первую очередь для начала горения необходим контакт горючего вещества с кислородом. Если в закрытом пространстве горит какое-то вещество, то кислород быстро расходуется и горение прекращается. Поэтому для поддержания беспрерывного горения в печах и каминах строят вытяжные трубы (рис. 105). Нагретые продукты сгорания легче воздуха и под нимаются вверх, а на их место поступает свежий воздух, обеспечивая доступ кислорода.

Рис. 105. Устройство камина

Рис. 106. Меха для нагнетания воздуха в пламя для повышения его температуры

Чем выше труба, тем сильнее тяга воздуха и тем активнее происходит горение. Интенсивность горения зависит от содержания кислорода в воздухе. Поэтому, для того чтобы увеличить температуру пламени, сквозь него продувают воздух или подают чистый кислород (рис. 106). Этим приемом пользуются кузнецы, газосварщики, металлурги, стекловары. Возможно, вы также им пользовались. Вспомните, чтобы разжечь костер на пикнике, вы нагнетали воздух на загоревшиеся дрова.

Еще одним условием горения является то, что вещество должно быть нагретым до температуры воспламенения. Даже если вещество может гореть, но пока его не нагреть, оно не загорится. Например, бумага вспыхивает на воздухе в случае нагревания до 230 °С, а бензин нужно нагреть до 300 °С. Обычно для достижения температуры воспламенения вещество поджигают. Загоревшееся вещество продолжает гореть самостоятельно, так как в процессе горения выделяется большое количество теплоты, благодаря которой постепенно нагревается следующая порция вещества.

Температура воспламенения некоторых веществ близка к комнатной. Такие вещества вспыхивают на воздухе самостоятельно, без нагревания. Это явление называют самовоспламенением. К самовоспламеняющимся веществам относится белый фосфор, поэтому его нельзя хранить на воздухе, а только под слоем воды.

Итак, для возгорания горючих веществ необходимы два условия: доступ кислорода и нагревание вещества до температуры воспламенения. И наоборот, для того чтобы потушить горящий предмет, необходимо либо охладить его, либо перекрыть к нему доступ кислорода.

Тушение пламени:

Часто для тушения огня используют воду. Она препятствует доступу воздуха и охлаждает предмет за счет испарения. Но есть вещества, которые нельзя тушить водой. К ним относятся некоторые металлы (калий, натрий), которые сами активно взаимодействуют с водой, что может только усилить пожар. Нельзя тушить водой и некоторые органические вещества, такие как бензин, керосин и др. Они легче воды, поэтому в случае попытки потушить их водой они всплывают на поверхность и продолжают гореть, распространяя пламя на соседние участки. Также нельзя тушить водой пожар, вызванный неисправным электрооборудованием.

Самый эффективный способ тушения пламени, используемый в химических лабораториях,— это прекращение доступа воздуха при помощи песка, пены, огнетушителей или специальных асбестовых одеял (рис. 107). На прекращении доступа кислорода основано действие углекислотных огнетушителей (рис. 108а, с. 142).

При открытии вентиля сжатый под давлением углекислый газ поступает в зону горения и перекрывает доступ кислорода к горючему веществу (сам углекислый газ не поддерживает горение). Конечно же, углекислый газ быстро испаряется, но за это время вещество успевает остыть и уже не загорается снова. В быту чаще используются кислотные или порошковые огнетушители. 

Рис. 107. Тушение пожара пеной (а) и водой (б); (в) — рулон асбестовой ткани

Рис. 108. Огнетушители: а — углекислотный; б — кислотный

В кислотных огнетушителях (рис. 108б, с. 142) углекислый газ образуется в результате химической реакции соды с кислотой, а порошковые огнетушители разбрасывают специальный порошок, который, попадая в пламя, разлагается с образованием углекислого газа. В домашних условиях, чтобы потушить горящие предметы или одежду, загоревшуюся на человеке, необходимо набросить одеяло, шубу, ковер или покрывало и плотно завернуть, чтобы прекратить доступ воздуха.

Выводы:

1. Горение — быстрый процесс взаимодействия вещества с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением теплоты и образованием пламени. Для возникновения горения необходимы доступ воздуха и нагревание вещества до температуры воспламенения.
2. Медленное окисление — это процесс медленного взаимодействия вещества с кислородом. Оно происходит с постепенным выделением теплоты и без пламени. При определенных условиях медленное окисление может переходить в горение и наоборот.
3. Взрыв — также реакция окисления. В отличие от горения, он происходит очень быстро, а выделяющаяся теплота (энергия) вызывает разрушения.
4. Для прекращения горения необходимо, чтобы не было хотя бы одного из условий его возникновения. Для этого необходимо либо охладить горящее вещество, либо перекрыть доступ воздуха.

Применение кислорода

Проблема чистого воздуха:

Применение кислорода основано на его способности поддерживать процессы дыхания и горения. Огромное количество кислорода, который образуется в природе, поглощается в процессе дыхания живых организмов. Основная масса кислорода, который производится в промышленности, расходуется для ускорения процессов окисления.

Металлургическая промышленность:  Кислород используется при выплавке чугуна и стали. Вдувание в доменную печь обогащенного кислородом воздуха повышает температуру.

Химическая промышленность:  Кислород используют на химических заводах при производстве оксидов и кислот (сульфатной, нитратной, уксусной и др.).

Резка и сварка металлов:  Горючие газы при горении в чистом кислороде дают более высокую температуру пламени. При такой температуре плавятся многие металлы.

Выплавка стекла:  Кислород используется в горелках, пред назначенных для создания высокой температуры в процессе выплавки стекла.

Ракетное топливо:  Жидкий кислород используют в качестве окислителя в ракетных двигателях и ракетоносителях.

Медицина:  В медицине кислород применяют при нарушении функции дыхания, в случае недостаточного снабжения тканей кислородом, при анестезии и др.

Взрывчатые вещества:  Жидкий кислород используют для приготовления взрывных смесей — оксиликвитов. При их поджигании горение происходит мгновенно с выделением большого объема газообразных продуктов.

Поддержка дыхания:  Газообразный кислород используется для поддержки дыхания в среде с недостаточным содержанием кислорода: для дыхания водолазов, шахтеров, пожарных, летчиков и космонавтов.

Проблема чистого воздуха Состав воздуха у поверхности Земли практически постоянен. Только высоко в горах содержание кислорода в воздухе уменьшается. Но в результате природных явлений или деятельности человека состав воздуха может существенно меняться, что приводит к его загрязнению. Загрязненным воздухом труднее дышать, растения поглощают загрязняющие вещества и могут стать ядовитыми, наличие некоторых веществ в воздухе вызывает кислотные дожди, опасные для окружающей среды.

Главными природными загрязнителями воздуха являются вулканы. Во время извержения они выбрасывают миллионы тонн пыли и углекислого и сернистого газов, распространяющихся на тысячи километров. Кроме того, природными загрязнителями воздуха являются большие лесные и степные пожары, пыльца растений, а также выделения животных.

Но больше всего на чистоту воздуха влияет техногенная деятельность человека. Автомобили, тракторы, самолеты ежегодно сжигают миллионы тонн топлива, на тепловых электростанциях сжигают мазут и уголь, а на промышленных предприятиях — природный газ. В результате в атмосферу выделяются углекислый и сернистый газы, оксиды Нитрогена и другие вредные соединения. Больше всего от загрязненного воздуха страдают крупные промышленные города.

Для решения проблемы чистого воздуха необходимо использовать экологически чистое топливо (этиловый спирт, водород, биодизель), внедрять «зеленые» технологии на предприятиях и использовать возобновляемые источники энергии.

Выводы: Применение кислорода основано на его свойствах. Способность поддерживать горение используют для сжигания топлива в ракетах и различных горелках. Способность поддерживать дыхание используют пожарные, летчики в тех условиях, когда дыхание затруднено.

Круговорот оксигена в природе. Биологическая роль кислорода

Понятие о круговороте химических элементов:

Почти все элементы и вещества в природе совершают круговорот. Из курса природоведения вам уже знаком круговорот воды в природе: вода испаряется из океанов, образует облака, а потом, выпадая на землю в виде дождя, с водой рек снова попадает в Мировой океан.

Таким же образом могут совершать круговорот и атомы разных элементов. Только атомы, благодаря химическим процессам в живой и неживой природе, постепенно переходят из молекул одних веществ в другие. Впервые учение о круговороте элементов в природе разработал выдающийся российский ученый, первый президент академии наук В. И. Вернадский.

Владимир Иванович Вернадский (1863–1945)

Выдающийся российский ученый, академик Петербургской академии наук, первый президент академии наук. Основная научная деятельность Вернадского связана с минералогией. Основатель геохимии, биогеохимии, радиогеологии. Автор учения о биосфере и ее эволюции, о влиянии человека на окружающую среду и о превращении современной биосферы в ноосферу — сферу разума. Первым отметил огромную роль живых организмов в круговороте, концентрации и рассеивании химических элементов. По его мнению, решающим фактором развития биосферы должна стать разумная деятельность человека.

Связывание атомов Оксигена в другие соединения Кислород — одно из самых важных веществ на Земле, обеспечивающее возможность существования жизни. Почти все живые организмы используют кислород для дыхания, и только некоторые микроорганизмы могут без него обходиться.

Почему же кислород так необходим живым организмам? При окислении органических веществ выделяется большое количество энергии, которую организмы используют для своей жизнедеятельности. Один из основных процессов, происходящих в организме при участии кислорода,— дыхание можно схематично изобразить уравнением:

При дыхании животных и растений выделяется углекислый газ и вода, т. е. атомы Оксигена из молекул кислорода переходят в состав углекислого газа и воды.

Но не только живые организмы потребляют атмосферный кислород. Большое количество кислорода тратится при гниении и горении различных веществ, особенно во время лесных пожаров и извержений вулканов (рис. 109а).

За последние сто лет значительно возросли объемы потребления кислорода человечеством. Тепловые электростанции, автомобили, самолеты и другие виды транспорта расходуют огромное количество кислорода при сжигании топлива — бензина, керосина и мазута (рис. 109б).

Рис. 109. Большие количества кислорода расходуются при извержении вулканов (а) и различными промышленными предприятиями (б)

Рис. 110. Круговорот Оксигена в природе

Образование кислорода

При современных объемах потребления кислорода весь его запас в атмосфере очень быстро исчерпался бы, если бы не происходило его восстановление и пополнение. Главный поставщик кислорода на Земле — это растения. Они образуют и выделяют кислород в атмосферу в процессе фотосинтеза.

Фотосинтез происходит с использованием энергии солнечного света. Растения поглощают углекислый газ из атмосферы и воду из почвы, а из них синтезируют глюкозу и кислород. Фотосинтез, как и дыхание, является очень сложным процессом и состоит из огромного числа реакций. Схематически его суммарное уравнение можно записать таким образом:

В процессе фотосинтеза атомы Оксигена из молекул углекислого газа и воды частично переходят в молекулы кислорода. Таким образом они совершают круговорот в природе (рис. 110). В этом круговороте также принимают участие атомы Карбона, Гидрогена и некоторых других элементов.

Круговорот атомов Оксигена сопровождается поглощением или выделением энергии. В результате фотосинтеза энергия Солнца переходит в энергию химических связей в молекуле глюкозы. Глюкоза, «сгорая» в живых организмах, высвобождает эту энергию для их жизнедеятельности. Это значит, что круговорот Оксигена в природе обеспечивает «транспортировку» энергии Солнца к живым организмам.

Итак, Оксиген вместе с Карбоном и Гидрогеном являются теми элементами, которые обеспечивают существование жизни на Земле

Средний автомобиль за 100 км пробега расходует около кислорода. Этого количества хватило бы одному человеку для дыхания на протяжении полутора месяцев.

Выводы:

1. Атомы Оксигена в природе совершают круговорот, переходя из кислорода в сложные соединения и наоборот. Основные пути расходования кислорода — дыхание живых организмов, горение и хозяйственная деятельность человека. Основной источник пополнения кислорода в атмосфере — фотосинтез растений на поверхности Земли и водорослей в Мировом океане.
2. Совершая круговорот, атомы Оксигена способствуют переносу энергии от Солнца к живым организмам, поддерживая их жизнедеятельность.

Вода

Вода — самое важное вещество на Земле

Сегодня общее количество воды на Земле оценивается в 2 млрд км3 . Она покрывает 71 % поверхности нашей планеты. Около 97 % общего количества воды находится в морях и океанах (только один Тихий океан занимает около половины поверхности земного шара). Вода наполняет реки и озера, в виде льда и снега покрывает горные вершины и образует ледники, содержится в составе минералов и горных пород, присутствует в почве (рис. 111). Каждый день с земной поверхности испаряются миллионы тонн воды, которые образуют облака, а потом выпадают в виде дождя и снега. Без воды невозможна жизнь, ведь вода содержится в каждом живом организме. Содержание воды в теле человека составляет 68 %, а некоторые медузы почти целиком состоят из воды.

И даже совсем сухие на вид вещества в микротрещинах и на поверхности содержат небольшое количество воды. Например, высушенная на воздухе древесина содержит до 15 % воды. Для ее удаления древесину выдерживают в течение нескольких часов при температуре около 100 °С. Высушенные вещества рекомендуется хранить в плотно закрытых банках, пакетах из полиэтилена или плотной бумаги. Вещества, поглощающие влагу из воздуха, называют гигроскопическими.

Рис. 111. На Земле вода встречается во всех агрегатных состояниях: а — твердом; б — жидком; в — газообразном

Гигроскопичность характерна для поваренной соли и сахара. Если рядом с мешком сухого сахарного песка поставить ведро воды, то через некоторое время часть ее поглотится сахаром и он увлажнится. Поваренная соль в солонке при длительном хранении слеживается — собирается в ком. Это также вызвано ее гигроскопичностью.

Физические свойства воды

Формула воды (гидроген оксида) известна каждому — . При комнатной температуре вода находится в жидком состоянии — это бесцветная жидкость, в толстом слое бледно-голубая. Чистая вода, не содержащая примесей, имеет слегка горьковатый вкус. При атмосферном давлении и температуре 0 °С она превращается в лед, а при 100 °С кипит. Плотность воды равна (при 4 °С). Чистая вода плохо проводит электрический ток и теплоту.

При замерзании вода расширяется, так как плотность льда меньше плотности жидкой воды. Поэтому зимой водоемы покрываются льдом только на поверхности, а внизу остается жидкая вода, в которой могут жить животные (рис. 112). Весной во время ледохода льдины не тонут, а плывут по поверхности воды.

Рис. 112. Плотность льда меньше, чем плотность жидкой воды, благодаря чему зимой реки не промерзают насквозь, а под слоем льда могут жить животные

Вода имеет высокую теплоемкость, т. е. медленно нагревается и медленно остывает. Поэтому вблизи морей и океанов климат значительно мягче, чем в центре континента: днем вода поглощает солнечное тепло, а ночью медленно его отдает, нагревая сушу.

Вода в природе

Хотя формула воды всегда одинакова и не зависит от места нахождения на планете, но по разным признакам природную воду можно классифицировать в соответствии со следующей схемой:

Природную воду с химической точки зрения нельзя назвать чистой, потому что она содержит растворенные вещества, в основном различные соли. Именно поэтому морская вода соленая, а дождевая по вкусу отличается от речной. Наличие солей в природной воде можно доказать опытным путем. В фарфоровой чашке выпарим немного речной или водопроводной воды. Когда она вся испарится, на дне чашки останется твердый налет — это и есть соли, содержащиеся в воде. При выпаривании морской воды выделяется больше солей. Таким образом можно убедиться, что самой чистой из природных вод является дождевая — при ее выпаривании почти не образуется твердого остатка.

Вода встречается почти повсюду. И не только в водоемах, но и в составе почв, горных пород, некоторых минералов. Даже в космосе есть вода: как отдельные молекулы в космическом пространстве или в составе ледяных комет.

В некоторых местах на поверхность земли выходят воды, богатые растворенными солями, которых мало в речной или родниковой воде. Воду, в одном литре которой содержится более 1 г растворенных солей, называют минеральной. Минеральные воды отличаются по составу в зависимости от месторождения. Некоторые минеральные воды имеют полезные свойства и используются для лечения заболеваний желудочно-кишечного тракта, печени, почек или нервной системы. В некоторых городах существуют богатые месторождения минеральных вод: Миргород, Трускавец, Евпатория, Моршин, с. Березовское (Харьковская обл.), некоторые районы Закарпатья. В этих местах налажено специальное производство минеральных вод, и эти воды можно купить под специальными названиями («Миргородская», «Моршинская», «Нафтуся», «Березовская» и др.). Но следует помнить, что минеральные воды нельзя пить неограниченно, а только в определенных количествах, необходимых для лечения.

Выводы:

1. Вода — одно из наиболее распространенных веществ на Земле, она встречается в природе почти повсюду. Вода образует реки, озера, моря и океаны. Содержится в составе многих материалов и природных объектов. Вода — это уникальное вещество, которое в условиях Земли встречается во всех возможных агрегатных состояниях.
2. Для воды характерны необыкновенные свойства: , плотность , но плотность льда меньше плотности жидкой воды, благодаря чему лед плавает на поверхности жидкой воды и зимой не тонет.

Растворы. Количественный состав растворов

Понятие о растворах:

Вода — самый распространенный растворитель в природе. Можно смело утверждать, что вода является универсальным растворителем. Это не означает, что она может растворять все существующие вещества, но среди всех существующих растворителей она растворяет больше веществ, чем другие.

Попадая в воду, вещество под действием молекул воды распадается на отдельные частицы (молекулы или ионы) (рис. 113). Таким образом, при растворении вещества измельчаются и равномерно перемешиваются с водой.

Раствор может быть окрашенным (как в случае с медным купоросом или марганцовкой) или бесцветным (раствор поваренной соли или сахара), но при этом он всегда прозрачный. Окраску растворам придает растворенное вещество. В закрытом сосуде раствор может храниться бесконечно долго, при условии что растворенное вещество не вступает с водой в химическую реакцию и не разлагается.

Растворы — это однородные смеси переменного состава, состоящие из растворителя и растворенных веществ. Подобно другим смесям, растворы не имеют постоянного состава. В зависимости от соотношения количества двух смешанных веществ растворы могут иметь разный состав. Вещество, которое содержится в растворе в избытке и находится в таком же агрегатном состоянии, что и раствор, называют растворителем, а другие компоненты — растворенными веществами. В смесях с водой растворителем является

Рис. 113. Кусочек твердого вещества (калий перманганата, или марганцовки) измельчается и перемешивается с водой, образуя раствор

вода. Кроме нее в качестве растворителя применяют и другие жидкости: этиловый спирт, керосин и др. Йодная настойка, которую используют для дезинфекции ран, является спиртовым раствором йода. Смыть краску с рук или одежды можно при помощи кусочка ваты, смоченного ацетоном или бензином,— эти жидкости хорошо растворяют краску. Но в школьном курсе химии вы будете иметь дело преимущественно с водными растворами.

Массовая доля растворенного вещества

Работая с раствором, важно знать его состав: сколько он содержит растворителя и растворенного вещества. Существует несколько способов выражения состава растворов, но чаще всего используют массовую долю растворенного вещества, которой выражают массу растворенного вещества в 100 г раствора в процентах или в долях от единицы. Например, раствор соли с массовой долей 3 % — это раствор, в 100 г которого содержится 3 г соли. Масса воды в этом растворе составляет: 100 г – 3 г = 97 г. Значит, для приготовления 100 г такого раствора необходимо растворить 3 г соли в 97 г воды.

Массовая доля вещества в растворе показывает, какая часть массы раствора приходится на растворенное вещество.

Массовую долю растворенного вещества вычисляют по формуле:

Если данную дробь умножить на 100 %, то получим значение массовой доли вещества в процентах:

При этом масса раствора равна сумме масс всех компонентов раствора:

Зная массу раствора и массовую долю растворенного вещества, можно вычислить массу вещества:

Знание массовой доли растворенного вещества используют для вычислений, связанных с приготовлением растворов из чистого вещества и воды, разбавления растворов до определенной концентрации и др. Рассмотрим решения типовых задач с использованием массовой доли растворенного вещества.

Пример №5

Вычислите массовую долю сахара в растворе, содержащем 200 г воды и 50 г сахара.

Дано: m (сахара) = 50 г m (воды) = 200 г

Решение:

Записываем расчетную формулу:

В этой формуле для вычисления необходимо определить массу раствора: она состоит из массы воды и массы растворенного вещества. Таким образом: w m m m сахара сахара воды сахара

Подставляем данные из условия задачи:

Ответ: 20 %.

Пример №6

Какая масса соли содержится в растворе массой 50 г с массовой долей растворенного вещества 25 %?

Дано: m (раствора) = 50 г w (соли) = 25 %

Решение:

Используя формулу для массовой доли, определяем по ней массу вещества: Подставляем в нее данные из условия задачи: , Ответ: 12,5 г соли.

Пример №7

Вычислите массу раствора кислоты с массовой долей 30 %, который можно приготовить из кислоты массой 90 г.

Дано: m (кислоты) = 90 г w (кислоты) = 30 %

Решение:

По формуле для вычисления массовой доли: Подставляем данные из условия задачи: Ответ: 300 г раствора кислоты.

Пример №8

Определите массу воды, в которой необходимо растворить 2 г соли, чтобы получить раствор с массовой долей соли 0,1 %.

Дано: m (соли) = 2 г w (соли) = 1 %

Решение:

Сначала вычисляем массу раствора, в котором содержится 2 г соли: Таким образом, m (воды) = m (раствора) – m (вещества) = 200 г – 2 г = 198 г. Ответ: 198 г воды.

Важнейшие химические понятия и законы

Любая наука характеризуется прежде всего тремя составляющими которые позволяют считать ее самостоятельной областью знания: основным объектом изучения, собственными методами исследования и своим языком, с помощью которого описываются объекты и результаты исследовании.

Химия — наука о веществах и их превращениях.

Таким образом, предметом (или объектом) химии является изучение химических веществ и их превращений, а также создание нужных человеку веществ с заданными свойствами.

Метод - в самом общем смысле слова это путь познания окружающего мира и способы действий в решении конкретных научных и практических задач. Химия как и каждая паука, имеет свои собственные методы: определение состава, строения, свойств веществ. В то же время она использует и общие методы, присущие всем наукам: наблюдение, эксперимент, анализ, синтез.

Научный язык современной химии включает в себя химическую символику, номенклатуру и терминологию (рис. 116).   

Основные положения химической символики и номенклатуры вам уже хорошо известны, поэтому сейчас мы поговорим о третьей составляющей химического языка - терминологии. Конечно, основные понятия, термины, формулировки законов и теоретических положений химии рассматривались на ваших занятиях Вы не могли не заметить, что многие понятия и термины изучались неоднократно при этом они получали новое, более научное объяснение и, естественно более точную и строгую формулировку.

Рассмотрим основные, наиболее общие химические понятия и законы которые используются во всех разделах химии и. следовательно, являются ее научным фундаментом.

Химическое вещество

В физическом смысле вещество — это вид материи, т. е. материальное образование, состоящее из частиц, обладающих массой покоя. Разные уровни организации вещества показаны на рисунке 117.

Химическая форма организации вещества возникает на атомном уровне.

Атом — электронейтральная, химически неделимая частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов.

Ионы — одноатомные или многоатомные частицы, имеющие электрический заряд.

И атом, и образующиеся из него одноатомные ионы, содержащие одинаковое ядро, называются атомными частицами. Поэтому можно дать более точное определение понятия химический элемент.

Химический элемент — это вид атомных частиц (атомов или ионов) с одинаковым положительным зарядом ядра.

Атомные частицы, за редким исключением, не могут существовать долго в свободном состоянии, поскольку это энергетически не выгодно. Они стремятся достичь более устойчивого состояния, соединяясь между собой или с другими атомными частицами при помощи сил химической связи в более сложные образования — молекулы или кристаллы. Такой процесс всегда сопровождается выделением энергии. 

Молекулой мы можем назвать нейтральную группу атомов, способную к самостоятельному существованию. Такая группа может состоять из двух и большего числа атомов. Она проявляет определенные химические свойства, т. е. способность вступать в химические реакции.

Отдельные молекулы не имеют большинства физических свойств, присущих химическому веществу: цвета, плотности, температуры плавления и кипения, электро- и теплопроводности и др. Такие свойства возникают только при объединении молекул в более сложные группы (агрегаты) за счет сил межмолекулярного взаимодействия. Точно так же и атомные частицы, соединяясь между собой, образуют сложные агрегаты, обладающие определенными физическими и химическими свойствами. Такие объединения частиц называются химическими веществами.

Химическое вещество — это устойчивая система частиц (атомов, ионов или молекул), обладающая определенными физическими и химическими свойствами.

Каждое химическое вещество характеризуется тремя составляющими: составом строением и свойствами. Проявление определенных физических и химических свойств у одного вещества определяется его составом и строением.

Все вещества можно разделить по составу на два вида: простые — образованные атомами одного химического элемента, и сложные — образованные атомами разных химических элементов.

Одной из важнейших характеристик химического вещества является строение, т.е. порядок соединения в системе образующих его частиц. Сочетание одинаковых молекул приводит к образованию веществ молекулярного строения. Слабые межмолекулярные силы между отдельными молекулами обусловливают и сравнительно низкие температуры плавления и кипения таких веществ. Поэтому среди веществ с молекулярным строением при обычных условиях много жидкостей и газов. Молекулярное строение характерно для органических веществ и некоторых неорганических веществ.

Вещества в кристаллах которых нет молекул, называются немолекулярными Такие вещества образованы из огромного числа атомных частиц, связанных между собой силами химических связей. В зависимости от вида частиц и типа химической связи между ними различают ковалентные (атомные), ионные и металлические кристаллы.

На рисунке 118 приведены формы существования простых и сложных вещей молекулярного и немолекулярного строения при нормальных условиях.

Элементарной структурной единицей веществ молекулярного строения является молекула, а веществ немолекулярного строения — формульная единица.

Количественные характеристики веществ

Взаимосвязь между основными физическими величинами, с помощью которых характеризуются химические вещества, приведена в таблице 31.

Основные законы химии

Закон постоянства состава. Каждое химическое вещество характеризуется качественным и количественным составом. Вещества немолекулярного строения, в отличие от молекулярных веществ, не имеют строго постоянного состава. В условиях реальных процессов получения в кристаллических решетках таких веществ могут возникать дефекты, т. е. отклонения от идеального расположения атомов и от строгих стехиометрических соотношений между атомами элементов, входящих в состав данного вещества. Поэтому современная формулировка закона постоянства состава следующая.

Всякое чистое вещество молекулярного строения независимо от способа получения имеет постоянный качественный и количественный состав.

Законы сохранения массы и энергии. Вам давно уже хорошо знаком закон сохранения массы веществ, основанный на принципе химической неделимости атомов в процессе химических реакций.

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции.

На основе закона сохранения массы веществ составляются уравнения химических реакций и проводятся различные вычисления.

В то же время закон сохранения массы является частным случаем общего закона природы — закона сохранения энергии, который утверждает, что энергия не создается и не уничтожается, но может превращаться из одной формы в другую.

Взаимосвязь массы и энергии была доказана А. Эйнштейном в начале XX в..

где Е — энергия тела, с — скорость света в вакууме (с = 300 ООО км/с), — масса тела.

В химических процессах изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергии, исключительно мало и не может быть зарегистрировано экспериментально. Поэтому при химических реакциях это изменение можно не принимать во внимание. Однако всегда необходимо помнить, что каждое химическое уравнение символизирует собой законы сохранения массы и энергии при химических реакциях.

Суммарные массы и энергия веществ, вступающих в реакцию, всегда равны суммарным массе и энергии продуктов реакции.

На основе закона сохранения энергии составляют термохимические уравнения, учитывающие не только массу, но и энергию, которая выделяется или поглощается в химических реакциях.

• Атомы и ионы, содержащие одно ядро, называются атомными частицами.
• Атомные частицы соединяются между собой в молекулы или кристаллы.
• Устойчивая система молекул или атомных частиц, обладающая определенными физическими и химическими свойствами, называется химическим веществом.
•  Каждое химическое вещество характеризуется составом, строением и свойствами.
• Закон постоянства состава справедлив только в случае молекулярных веществ.
• Закон сохранения массы веществ является частным случаем общего закона природы — закона сохранения энергии.

Периодичность изменения свойств простых и сложных веществ

Периодический закон Д. И. Менделеева является одним из наиболее фундаментальных и общих законов природы. Его открытие ознаменовало начало новой эпохи в развитии химии — ее современного этапа. Периодический закон позволил обобщить разрозненные факты о химических элементах, раскрыть глубокую внутреннюю связь между ними и тем самым объединить в единую систему. Вся живая и неживая природа состоит из атомов самых различных химических элементов. Следовательно, периодический закон — это не только основной закон химии, но и основной закон природы. Его открытие оказало огромное влияние на развитие химии, физики, геологии, других естественных наук и не утратило своего значения до сих пор.

Периодичность изменения свойств атомов химических элементов

Большую роль сыграл периодический закон в развитии теории строения атома. Выявленная с его помощью глубокая внутренняя связь между элементами позволила сделать вывод о том, что все атомы построены принципиально одинаково. Поэтому создание моделей атомов стало возможным только после открытия периодического закона. В свою очередь, знание строения атома позволило глубже понять суть этого закона, объяснить причину периодичности в изменении свойств атомов химических элементов, простых веществ и соединений.

Графическим изображением периодического закона является таблица периодической системы, в которой химические элементы располагаются в порядке возрастания их атомного (порядкового) номера. По мере возрастания атомного номера происходит постепенная «застройка» электронной структуры атомов элементов. Химические свойства атомов и их соединений определяются, главным образом, строением внешних электронных оболочек. В зависимости от того, какой энергетический подуровень заполняется электронами последним, различают четыре типа элементов: s-, p-, d- и f-элементы. Элементы с одинаковой электронной конфигурацией внешних электронных слоев находятся в одной группе (см. табл. 7). а их простые вещества обладают сходными химическими свойствами.

По мере роста атомного номера элемента периодически повторяются электронные конфигурации внешних энергетических уровней. Этим и объясняется периодический характер изменения свойств атомов в ряду химических элементов. В главе III мы уже рассмотрели закономерности изменения атомных характеристик элементов первых трех периодов по группам и периодам: атомных и ионных радиусов, энергии ионизации электроотрицательное  степени окисления. Обобщим известные нам факты в виде схемы (рис. 119).

Анализируя характер изменения атомных характеристик, можно выявить две основные закономерности:

1. в периоде слева направо ослабляются металлические и усиливаются неметаллические свойства элементов;
2. в группе с ростом атомного номера, т. е. сверху вниз, усиливаются металлические и ослабевают неметаллические свойства.

Отсюда следует, что наиболее активные металлы, т. е. элементы с наименьшей электроотрицательностью, располагаются в нижнем левом углу таблицы периодической системы. Наиболее активные неметаллы, а следовательно, наиболее электроотрицательные элементы располагаются в верхнем правом углу таблицы.

В серединной части таблицы, вдоль диагональной линии от левого угла р-блока элементов от бора В к астату At, располагаются элементы, обладающие смешанными свойствами, т. е. способные проявлять как металлические, так и неметаллические свойства (рис. 120). Их часто называют полуметаллами.

Периодичность изменения свойств простых веществ

Простые и сложные вещества — это формы реального существования атомов химических элементов в природе. Характер свойств атомов элементов влияет на свойства образованных ими веществ. Рассмотрим в качестве примера состав и строение простых веществ, образованных элементами второго и третьего периодов, а также изменение их температур плавления — важного физического свойства любого вещества (табл. 32).

Элементы металлы образуют простые вещества за счет металлической связи. Эти вещества представляют собой металлические кристаллы.

Типичные неметаллы — элементы VIA- и VIIA-групп существуют в виде простых молекул, образованных за счет ковалентных связей.

Элементы в средней части коротких периодов (IIIА- и IVA-группы), как правило, существуют в виде ковалентных (атомных) кристаллов, которые можно назвать макромолекулaми.

Элементы VIIIA-группы существуют в виде одиночных атомов, или, говоря по-другому, в форме одноатомпых молекул.

Из приведенных данных следует, что температура плавления простых веществ сначала повышается, достигая максимального значения у простого вещества, соответствующего элементу IVA-группы. После этого отмечается ее резкое понижение. При переходе к следующему периоду наблюдается аналогичная картина.

Подобным образом изменяются и другие свойства простых веществ: температура кипения, плотность и др.

Периодичность изменения свойств сложных веществ

Энергия ионизации и сродство к электрону химических элементов, их элек-троотрицательность (т. е. проявление ими металлических или неметаллических свойств) непосредственно связаны с типами химических реакций, в которые способны вступать атомы этих элементов, а также с типами и свойствами веществ, которые образуют эти атомы.

Металлы IA- и IIА-групп характеризуются способностью легко образовывать катионы и, следовательно, ионные соединения. p-Элементы середины периодов (кроме алюминия) образуют только ковалентные соединения. Более электроотрицательные элементы VIA- и VIIA-групп способны образовывать как ковалентные, так и ионные соединения, поскольку, достаточно легко присоединяя электроны, могут превращаться в анионы (табл. 33).

Максимальные положительные степени окисления элементов также обнаруживают периодический характер изменения (табл. 34). Они возрастают слева направо вдоль периода. Минимальная отрицательная степень окисления характерна только для элементов IVA—VIIA-групп и возрастает справа налево.

Закономерности изменения свойств сложных веществ рассмотрим на примере оксидов, образованных элементами третьего периода в высших степенях окисления, а также на примере соответствующих этим оксидам гидроксидов.

Изменение свойств простых веществ в пределах периода позволяет сделать предположение о характере изменения свойств оксидов этих элементов. Так как простые вещества элементов начала периода проявляют металлические свойства, то и их оксиды должны иметь основный характер. Элементы конца периода являются типичными неметаллами, поэтому их оксиды проявляют кислотные свойства.

Эти выводы наглядно подтверждаются характером взаимодействия оксидов с водой. Оксид натрия взаимодействует с водой очень активно, образуя щелочь:

Оксид магния реагирует гораздо менее активно, при этом образуется малорастворимое основание, т. е. наблюдается ослабление основных свойств:

Оксид алюминия с водой не взаимодействует, но при соответствующих условиях может реагировать как со щелочами, так и с кислотами, проявляя амфотерные свойства.

Активность кислотных оксидов растет к концу периода: с водой не взаимодействует, жадно поглощает воду с образованием фосфорных кислот, а реагирует с водой со взрывом.

Таким образом, с возрастанием атомного номера в периоде свойства оксидов изменяются от основных к кислотным (табл. 35).

Аналогичным образом изменяются кислотно-основные свойства гидроксидов в ряду элементов от натрия до хлора. Термин гидроксид, как вы уже знаете, является в современной химии сборным (т. е. общим) понятием оснований и кислородсодержащих кислот, формулы которых в общем виде можно представить как где R — атом соответствующего металла или неметалла. Следовательно, в любом гидроксиде можно выделить фрагмент структуры R —О—Н.

Проявление кислотных или основных свойств гидроксида определяется характером его диссоциации в водном растворе:

Возможность диссоциации по кислотному или основному типу зависит от относительной прочности связей R — О и О — Н. Если связь R — О слабее, то гидроксид диссоциирует по месту этой связи, проявляя тем самым свойства основания. И наоборот, меньшая сравнительная прочность связи О — Н приводит к диссоциации по кислотному типу.

Прочность той или иной химической связи является функцией длины этой связи и ее полярности, которая определяется разностью электроотрицательностей двух связанных атомов. Если прочность связи О—Н считать практически постоянной у всех гидроксидов, то характер диссоциации любого гидроксида в водном растворе будет определяться относительной прочностью связи R — О.

По периоду радиусы атомов и катионов уменьшаются, следовательно, длина связи R — О будет уменьшаться от натрия до хлора. Точно так же уменьшается и полярность связи R—О, поскольку растет электроотрицательность и, следовательно, уменьшается величина:

где — значение электроотрицательностей кислорода и элемента R.

Таким образом, относительная прочность связи R — О возрастает с увеличением атомного номера R, что приводит к изменению характера электролитической диссоциации от основного к кислотному. Как и в случае оксидов, гидроксид алюминия проявляет амфотерные свойства. Это можно отразить условной записью его формулы как основания — и как кислоты — Поскольку в группах элементов сверху вниз электроотрицательность уменьшается, а радиусы атомов увеличиваются, то основный характер диссоциации гидроксидов будет усиливаться, а кислотный — уменьшаться (табл. 36).

Таким образом, периодическая система элементов убедительно показывает, что природа не является просто собранием веществ, изолированных друг от друга, не связанных между собой. Периодический закон и периодическая система отражает закономерности изменения свойств элементов, простых и сложных веществ, подтверждая существование связи между всеми химическими элементами и доказывая, что развитие имеет место не только в живой природе, но и в мире химических веществ.

• По мере роста атомного номера свойства атомов химических элементов а также простых и сложных веществ, образованных ими, изменяются периодически потому, что периодически повторяются электронные конфигурации внешних энергетических уровней атомов.
• В соответствии с характером изменения атомных характеристик элементов: а) в периоде слева направо ослабляются металлические и усиливаются неметаллические свойства их атомов; б) в группе с ростом атомного номера элемента, т. е. сверху вниз, усиливаются металлические и ослабевают неметаллические свойства.
• Кислотно-основные свойства оксидов и гидроксидов элементов IA— VIIA-rpynn с возрастанием атомного номера элемента в периоде изменяются от основных к кислотным.

Неорганические вещества в повседневной жизни человека

Неорганические вещества незаменимы в различных областях нашей деятельности: от простого приготовления пищи до изготовления сложных высокоточных приборов.

Простые неорганические вещества

Неметаллы:

Можно сказать, что вся наша жизнь неразрывно связаны с кислородом (О₂), поскольку без этого простого вещества она невозможна вообще. Кислород необходим для дыхания не только человеку и животным, но и всем растительным организмам. Аллотропная модификация кислорода озон (О3) — важный компонент атмосферы нашей планеты. Без озонового слоя жизнь была бы невозможна. Все чаще озон используется в качестве мощного антисептика для дезинфекции питьевой воды. Спутник кислорода по атмосфере азот (N₂) также сопровождает нас всю жизнь, хотя жизненно важен только для некоторых простейших живых организмов (клубеньковые бактерии).

В домашней аптечке обычно имеется активированный уголь (С). Там же можно найти йодную настойку — раствор йода (I₂) в этиловом спирте — препарат, используемый в домашних условиях для дезинфекции ран и порезов. Еще один галоген — хлор (Cl₂) — широко используется для дезинфекции питьевой воды, поступающей в жилые дома по водопроводу.

Широко применяется (особенно в сельской местности) в качестве твердого топлива каменный уголь, основным компонентом которого является простое вещество углерод (С). Использование угля в быту основано на реакции горения углерода, служащей источником тепловой энергии. С другой аллотропной модификацией углерода — графитом —в повседневной жизни приходится также часто сталкиваться. Это карандаши, щетки в электродвигателях, контакты троллейбусов и др. Самая дорогая аллотропная модификация углерода — алмаз — используется в ювелирных украшениях (рис. 121, а). Без обрабатывающих инструментов, использующих высокую твердость алмаза, трудно представить себе современное производство. Это алмазные сверла, стеклорезы, шлифовальные и отрезные круги, наконечники для буровых установок (рис. 121, б) и др.

Ближайший аналог углерода по периодической системе — кремний (Si) — является основой подавляющего большинства современных полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, интегральных микросхем. Без кремния были бы недоступны электронные часы, радиоприемники, телевизоры, компьютеры и многая другая бытовая электронная техника. В настоящее время на эти цели расходуется значительное количество производимого кремния.

Металл:

Без простых веществ металлов жизнь современного человека представить трудно. Вокруг нас многие изделия сделаны из металлов или их сплавов, в состав которых входят железо (Fe), титан (Ti), алюминий (А1), магний (Mg) и др. Без медных проводов было бы невозможно огромное количество электротехнической продукции, начиная от настольных электроламп и заканчивая компьютерами. А титановые протезы в медицине, золотые и серебряные (Au, Ag) украшения, ртутные (Hg) термометры, вольфрамовые (W) спирали в лампочках накаливания, свинцовые (Pb) аккумуляторы в автомобилях! Кому не нравятся никелированные (Ni) или хромированные (Сr) покрытия разных предметов в жилом доме, на станциях метро? Они не только придают привлекательный вид деталям и изделиям из железа и его сплавов, но защищают их от коррозии.

Для защиты железа от коррозии широко используется цинк (Zn). Оцинкованное железо — важнейший материал в современном строительстве и машиностроении. Широкое применение находит цинк в производстве источников постоянного тока — батарей, аккумуляторов. Взаимодействие цинка с оксидом марганцa(IV) используется для прямого получения электрической энергии в ходе химической реакции.

Производство энергии в огромных масштабах трудно себе представить без еще одного простого вещества — металла урана (U). В современном мире значительная доля энергетических ресурсов производится благодаря процессу деления атомов этого простого вещества. При этом, безусловно, вы хорошо знаете о тех разрушительных возможностях, которые таит в себе энергия этого процесса, если использовать ее не в мирных целях. Атомное оружие представляет серьезную угрозу в современном мире.

Металлы в ультрадисперсном состоянии (золото, серебро и др.) входят в состав многих современных лекарственных препаратов и косметических средств.

Сложные неорганические вещества

Наверное, самым близким человеку сложным неорганическим веществом является вода (Н₂О). Она присутствует всюду и важна не только для всех животных и растительных организмов, но и для большинства промышленных производств, в быту. Напомним, что для нормальной жизнедеятельности человеку необходимо выпивать не менее 1,5 л воды вдень. Ближайший «родственник» воды пероксид водорода (Н₂О₂) также можно встретить в повседневной жизни достаточно часто: это вещество и его производные вы найдете и в домашней аптечке (Н₂О₂ — активный антисептик), и в составе многих отбеливающих косметических средств для окраски волос.

Оксид углерода(1V) (СО₂), больше известный как углекислый газ, незаменимое средство при производстве газированных напитков, отличный консервант и хладагент (в твердом виде). Еще один оксид углерода — СО, называемый угарным газом, является важнейшим промежуточным продуктом в ряде химических многотонажных производств органических веществ. В повседневной жизни с очень неприятным свойством угарного газа — высокой токсичностью — приходится сталкиваться, к сожалению, почти каждый день. Он образуется при неполном сгорании (т. е. при недостатке кислорода) большинства органических веществ (бензина, дизельного топлива, природного газа) и угля. Источником угарного газа является вес! автомобильный транспорт, неэлектрифицированная часть железнодорожного транспорта, самолеты. Правильная эксплуатация (т. е. своевременная регулировка и ремонт) этих средств передвижения может существенно снизить выбросы угарного газа в атмосферу.

Табачный дым содержит от 2 до 5 % угарного газа, который присоединяется к гемоглобину крови курильщика, тем самым существенно уменьшая способность гемоглобина переносить кислород. Это особенно серьезно сказывается на здоровье детей и подростков, больных легочными и сердечными заболеваниями и, прежде всего, на развитии плода у беременны) женщин.

В быту, по-видимому, наиболее часто используются соединения натрия. Поваренная соль, основным веществом которой служит хлорид натрия (NaCl), широко используется при приготовлении пищи. Различные виды соды: питьевая (NaHCО₃), безводная (Na₂CО₃) и кристаллическая (Na₂CО₃ • 10Н₂О)также находят широкое применение в быту, в составе моющих и чистящих средств.

Раствор борной кислоты (Н₃ВО₃) в этиловом спирте применяется в медицине под названием борный спирт, поэтому этот препарат многие из вас могут найти в домашней аптечке, как и водный раствор хлороводорода — соляную кислоту (HCl). Она используется в качестве средства для коррекции кислотности желудка а водный раствор аммиака (NH₃) под названием нашатырный спирт являетcя наиболее распространенным и доступным средством для приведения человека в «чувство» при обмороке. Огромные количества аммиака используются для производства азотной кислоты, удобрений (аммиачная вода), полимеров.

Водный раствор еще одной кислоты — серной (H₂SО4) — используется в качестве электролита во всех свинцовых аккумуляторах. Эту кислоту называют «хлебом» химической промышленности, из-за того, что она широко используется в химических производствах. Вследствие этого ее производят в огромных количествах.

Кто из вас не пробовал таких прохладительных напитков, как кока-кола, фанта? В качестве подкислителя, т. е. вещества, придающего напитку кислый вкус, на ряду с другими в них используется еще одна неорганическая кислота — фосфорная (Н₃РО4). В промышленности фосфорная кислота применяется для производства удобрений. Без калийных, азотных и фосфорных удобрений была бы немыслима ежегодная «производственная» активность большого числа дачников, жителей сельской местности и, естественно, продуктивность сельского хозяйства.

Давайте заглянем в состав современных зубных паст. В качестве абразив: (т. е. вещества, способствующего механическому удалению остатков пищи) в них используются карбонат кальция (СаСО₃), оксид титана (IV) (ТiО₃), оксид кремния(1V) (SiO₂) и др. Важной добавкой в зубные пасты являются фторсодержащие вещества, способствующие укреплению зубной эмали: фторид натрия (NaF) и фторофосфат натрия (Na₂PО₃F).

Мир неорганических веществ, красоту которых дает нам в пользование природа, также очень огромен. Взять хотя бы природные драгоценные (рис. 122) и полудрагоценные камни, например малахит (CuCО₃ • Cu(OH)₂), кварц (SiO₂), изумруд (А1₂О₃) и др.

Широкое применение находят сложные неорганические вещества в качестве строительных материалов. Стекло гашеная известь мел цемент, алебастр — это все неорганические вещества. А как представить себе нашу жизнь без фарфоровой и фаянсовой посуды? Сырьем для ее производства являются природные алюмосиликаты.

Мы совершили лишь очень краткий экскурс в мир неорганических веществ, которые окружают нас в повседневной жизни и деятельности. Все они — как раз те самые оксиды, кислоты, основания и соли, о которых вы подробно узнали на уроках химии. Их свойства (физические и химические) и составляют предмет изучения химии. Список таких веществ в действительности намного шире, и благодаря им нам стали доступны блага современной цивилизации. При этом нелишне еще раз напомнить, что неправильное или неумелое обращение со многими из указанных веществ, незнание их простейших свойств и областей применения могут нанести серьезный урон здоровью, окружающей природе, материальным объектам. Те знания, которые вы получили на уроках химии о свойствах неорганических веществ, помогут вам безопасно ими пользоваться.

Простые и сложные неорганические вещества всех классов — оксиды, кислоты, основания и соли — окружают нас в повседневной жизни. Многие из них являются незаменимыми в быту, медицине, промышленном производстве, сельском хозяйстве и других областях деятельности человека.

Химия и сельское хозяйство

Развитие сельского хозяйства призвано решить одну из важнейших задач современной цивилизации — продовольственную проблему. Для превращения сельского хозяйства в высокорентабельную отрасль экономики необходимо сконцентрировать усилия на следующих направлениях: применение химических веществ, процессов и методов для повышения урожайности почвы, защиты растений и животных; разработка способов выращивания экологически чистых сельскохозяйственных продуктов; производство веществ и материалов, используемых при переработке и хранении сельскохозяйственной продукции; использование методов биотехнологии и генной инженерии для решения продовольственных проблем и др.

Минеральные и органические удобрения
 

Кроме макроэлементов: азота, фосфора, калия, серы, магния, железа и кальция, растениям в очень небольших количествах нужны микроэлементы: марганец, кремний, бор, медь, цинк, молибден и др. Каждый элемент играет свою роль в питании и развитии растений. Так, например, магний позволяет растениям усваивать фосфор, образовывать семена и плоды; кальций придает корнеплодам крепость; медь участвует в фотосинтезе, повышает зимостойкость растений и т. д. Макро- и микроэлементы вводят в состав комплексных удобрений (рис. 123).

Специалисты знают множество способов управления урожаем и его качеством с помощью удобрений. Например, для того чтобы кочаны капусты не растрескивались, увеличивают дозу фосфорных удобрений.

В условиях облачности и отсутствия интенсивного солнечного освещения резко возрастает потребность томатов в калийной подкормке. Лук и другие ароматические растения требуют, чтобы в почве, на которой они растут, было достаточное количество соединений серы.

Напомним, что удобрения можно классифицировать по происхождению (минеральные, органические, органо-минеральные и бактериальные), агрегатному состоянию (твердые, жидкие и суспензированные) и составу (азотные, фосфорные, калийные и микроудобрения).

Минеральные удобрения получают химической или механической обработкой неорганического сырья.

Содержание питательных веществ в минеральных удобрениях выражают массовой долей основного химического элемента, например азота в азотных удобрениях (табл. 37) или фосфора (в пересчете на оксид фосфора(V)) в фосфорных удобрениях (табл. 38).

 При взаимодействии минеральных удобрений с почвенными водами может существенно изменяться значение pH среды. Поэтому при использовании удобрений надо всегда знать состав почвы, ее pH и другие характеристики. Этим занимается наука агрохимия.

Органические удобрения, в отличие от минеральных, постепенно разлагаются и медленнее усваиваются растениями. Питательные элементы в них находятся в веществах растительного и животного происхождения. Это, в первую очередь, навоз, а также торф, жмых, рыбная и кровяная мука и др. В Беларуси имеются большие запасы торфа, который может использоваться не только как удобрение, но и в качестве топлива. Ценным природным концентратом полезных веществ являются и донные отложения озер Беларуси — сапропели.

В общей прибавке урожая, полученной человечеством в последние десятилетия, примерно 50 % достигнуто благодаря применению удобрений.

Химическая мелиорация почв

Химическую мелиорацию производят для улучшения качества почв с повышенной кислотностью или щелочностью. В первом случае осуществляют известкование, во втором — гипсование.

Известкование проводят, внося в почву или на ее поверхность молотый известняк СаСO₃, мел, доломит или другие карбонатные минералы. Под действием углекислого газа и воды карбонат кальция превращается в гидрокарбонат (запишите самостоятельно уравнение реакции), который гидролизуется по аниону:

Образующийся при этом гидроксид-ион и нейтрализует избыток катионов водорода Н⁺ в кислых почвах.

Гипсование — внесение в почву гипса CaSO₄ — можно рассматривать как процесс, противоположный известкованию.

Для подкисления почв часто используют также гидросульфит натрия. (Объясните самостоятельно почему.)

Химические средства защиты растений

Вредители, сорняки и болезни растений наносят большой вред урожайности возделываемых сельскохозяйственных культур. Для борьбы с ними широко используются химические вещества, среди которых выделяют фунгициды (для борьбы с болезнями растений), инсектициды (против вредных насекомых), гербициды (для борьбы с сорняками) и др. Фунгицидными свойствами обладают медный купорос, который используется для приготовления бордосской жидкости, железный купорос, хлорная известь и др.

Для повышения урожайности используются регуляторы роста растений (тиомочевипа CS(NH₂)₂, роданид аммония NH₄CNS и др.).

Химизация животноводства

Основные направления использования химических веществ в животноводстве связаны с производством химических стабилизаторов и консервантов кормов, применением кормовых добавок, стимуляторов роста животных. Например, в качестве консерванта зеленых кормов используют гидросульфат натрия NaHSO₄. Недостаток протеина в рационе животных можно восполнить кормовыми добавками: гидрокарбонатом аммония, мочевиной и другими аммонийными солями органических и минеральных кислот. Так, например, добавка мочевины позволяет экономить 20—30 % кормового белка. A включение в рацион коров кормовых фосфатов позволяет увеличивать надои молока на 5—10 %. Для подкормки животных часто используют премиксы — смеси микроэлементов, витаминов, ферментных препаратов, антибиотиков.

 Химические вещества широко используются в сельском хозяйстве в качестве удобрений, средств защиты растений, стимуляторов роста, пищевых добавок и др.

 Удобрения можно классифицировать по происхождению, агрегатному состоянию и составу.

 Содержание питательных веществ в минеральных удобрениях выражают массовой долей основного химического элемента.

 Химическую мелиорацию почв с повышенной кислотностью или щелочностью производят путем их известкования или гипсования.

Химия и промышленность

Химические процессы и технологии широко используются в разных отраслях промышленности (рис. 124). Например, в электронике — это получение сверхчистых и легированных полупроводников, изготовление интегральных схем, кабелей, материалов для корпусов приборов; в пищевой промышленности — синтез красителей, ароматизаторов, подсластителей, загустителей, производство вин и прохладительных напитков, консервирование продукции и т. д.

Многие химические реакции, с которыми вы познакомились в этом учебном пособии или аналогичные им, осуществляются в промышленных условиях при производстве химической продукции. Научную основу химической промышленности составляет химическая технология.

Наиболее емкое определение химической технологии было дано Д. И. Менделеевым более 100 лет назад: «Технология — учение о выгодных (т. е. поглощающих наименее труда людского и энергии природы) приемах переработки природных продуктов в продукты, потребные для применения в жизни людей...»

Объем производства продуктов химической промышленности постоянно возрастает. По некоторым данным, сегодня на каждого жителя развитых стран в год приходится не менее 20 т добываемого минерального сырья, переработка которого сопровождается неизбежными отходами, загрязняющими окружающую среду. Поэтому насущной задачей сегодняшнего дня является создание производств, действующих по принципу безотходной технологии.

Полное и комплексное использование сырья достигается использованием на производстве замкнутых технологических циклов, созданием смежных производств и производств по переработке отходов.

Например, при комплексной переработке апатита при разложении его серной кислотой получают фосфорную кислоту, фосфорные удобрения, производные фтора, гипс. А при выплавке меди массой 1 т из газов, выделяющихся при обжиге медных руд, можно получить до 10 т серной кислоты. Интересно, что оксид железа(III), получаемый в качестве отхода при производстве серной кислоты из пирита, используется при выплавке чугуна. Поэтому для комплексного использования сырья необходимо комбинировать производства, например рядом с заводом цветной металлургии располагать завод по производству серной кислоты.

Рациональное энергопотребление в промышленных условиях связано с использованием теплоты химических реакций. Например, теплота, выделяющаяся при окислении аммиака в процессе производства азотной кислоты, используется для предварительного подогрева газовой смеси. Теплота реакций может использоваться для подогрева воды.

Применение оборотного водоснабжения, когда вода, использующаяся в теплообменных аппаратах, многократно охлаждается и снова поступает в эти аппараты, позволяет одновременно решать задачу сокращения расхода воды. Может применяться в технологическом процессе и энергия, выделяющаяся при беспламенном (в присутствии специальных катализаторов) сжигании топлива и твердых отходов.

Большое внимание при организации химических производств уделяется защите окружающей среды и человека. С этой целью осуществляются автоматизация вредных производств, герметизация аппаратов, утилизация отходов, нейтрализация выбросов в атмосферу. Так, пылевые выбросы металлургических производств и цементной промышленности служат источником загрязнения кобальтом, хромом и многими другими тяжелыми металлами. Необходимо также наладить очистку сточных води их повторное использование. Например, соединения кадмия попадают в окружающую среду с отходами металлургических производств, из кадмийсодержащих аккумуляторов.

Ртуть и ее соединения попадают в окружающую среду с отходами хлорно-щелочного производства, с неисправными ртутными лампами и измерительными приборами, с ртутьсодержащими пестицидами. Особенно опасен сброс металлической ртути в природные воды, поскольку существуют водные микроорганизмы, способствующие переводу Hg в диметилртуть  которая легко проникает в животные и растительные организмы.
В результате производственной деятельности в природные воды ежегодно попадает 500— 600 тыс. т. а через атмосферу на поверхность Земли оседает около 400 тыс. т свинца. В воздух основная часть свинца выбрасывается с выхлопными газами автотранспорта и при сжигании каменного угля. Ежегодный прирост содержания металла в воздухе составляет 5 %, т. е. удвоение количества свинца в воздухе происходит за 14 лет.

В настоящее время наблюдается новый этап в развитии химии, направленный на создание наиболее экономичного и экологически чистого химического производства. Формируется так называемая «зеленая химия». Ставится задача в промышленных масштабах использовать закономерности химических превращений, происходящих в живой природе. В связи с этим становятся востребованными профессии, для освоения которых необходимо глубокое знание не только химии, но и биологии, медицины, физики, информатики. С другой стороны, возрастает роль химических знаний в формировании производств, связанных с созданием новых лекарственных препаратов и форм, новых веществ и материалов с комплексом уникальных свойств, например в области сверхнизких и сверхвысоких температур, и т. д.

Основные принципы организации химического производства:

• создание оптимальных условий проведения химических реакций;
• полное и комплексное использование сырья;
• использование теплоты химических реакций;
• защита окружающей среды и человека.

Понятия о структуре атомов и молекул периодический закон

Структура атома:

Чтобы понять процессы и явления на уровне микромира человечеству приходилось создавать разные модели и теории. Некоторые результаты практических работ этого моделирования доказаны и некоторые из них остались на уровне предсказуемости. Одна из этих моделей - теории созданы для представления атомной структуры этих веществ, включая строения атома.
Впервые теория атомного строения была создана в 1911 году Э. Резерфордом и его коллегами. Эта теория называется планетарной моделью атома. Согласно этой теории, в центре атома находится положительно заряженное ядро. Вокруг ядра вращаются электроны вдоль орбиты, величина атома зависит от величины действующих электронных орбит. Модель Резерфорда занимает важное место в развитии теории строения атома. Его исследования помогли понять результаты многих экспериментов. Однако, согласно этой модели, электрон, бесконечно вращающийся вокруг атомного ядра, должен в результате потери энергии на излучение упасть на ядро, но на практике это явление не наблюдалось. Модель Резерфорда не смогла этого объяснить.

По теории датского учёного физика Н. Бора, есть предположение квантового излучения (небольшие порции) электронной энергии. Согласно этой теории электрон на определенном расстоянии вращается вокруг ядра, двигаясь строго по определенной орбите. Находясь на «разрешенной» орбите, электрон не излучает и не поглощает энергии и поэтому сколь угодно может находится на ней. Орбита, расположенная близко к ядру, соответствует самому стабильному «основному» состоянию атома. При поглощении энергии атомом, его электроны могут перейти на более высокий энергетический уровень. Это состояние называется «возбужденным» состоянием электрона. Поглощение или испускание энергии атомом наблюдается только при переходе электрона от одной орбиты на другую.

Сегодняшняя атомная структура является основой квантовой теории. Электрон обладает как свойствами частиц, так и волновыми свойствами, а его вероятность нахождения в пространстве объясняется современной квантовой теорией атомной структуры. Согласно этой теории, электрон находится в определенной небольшой части пространства. Пространство вокруг ядра, в котором вероятность пребывания электрона наибольшая (свыше 90%), называется атомной орбиталью. Таким образом, электрон не вращается вокруг ядра по орбите, а находится в трехмерном окружении вокруг ядра - на атомной орбитале (понятие орбиталь нельзя отожествлять с понятием орбита). Атом нужно представлять в качестве ядра окруженного электронными облаками. Форма этих облаков различна: s-орбиталь- в форме сферы (шара), р-орбиталь в форме гантели, d-орбиталь- соединение двух гантелей, f-орбиталь соединение трех гантелей.

Орбитали располагаются в атоме образовывая энергетические слои,
соответственно своей энергии. Согласно квантовой теории, энергия электрона имеет наименьшие и определенные значения. Состояние электрона в атоме описывается четырьмя квантовыми числами: главное квантовое число n, орбитальное квантовое число l, магнитное квантовое число спиновое квантовое число Квантовые числа используются для описания энергии и движения электрона в атоме
 

Главное квантовое число n - характеризует энергию электрона, нахождение его на определенном энергетическом уровне и степень удаления от ядра. Оно принимает любые целочисленные значения (n = 1, 2, 3 ...,)
По мере увеличения значения главного квантового числа, увеличивается расстояние электрона от ядра (орбитальный радиус атома) и вместе с этим уменьшается энергия притяжения ядра и электрона. Чем меньше значение главного квантового числа, тем больше энергия связи электрона с ядром, на данном энергетическом подуровне. Электрон находящийся близко к ядру, расходуя дополнительную внешнюю энергию (температура, электрический заряд), может перейти на более высокий энергетический уровень с большим квантовым числом (возбужденное состояние электрона). Если количество энергии велико, то электрон оставляя атом переходит в ионизирующее состояние.
 

Орбитальное квантовое число l определяет форму атомной орбитали. Оно может принимать целочисленные значения от 0 до до n - 1 [1 = 0, 1, 2 ... (n - 1)]. Если l = 0 атомная орбиталь независимо от значения главного квантового числа имеет сферическую форму(s-орбиталь). Значению l = 1 соответствует атомная орбиталь, имеющая форму гантели (р-орбиталь). Еще более сложную форму имеют орбитали при l =2, 3 и 4(d-, f-, g - орбитали).

Максимальное количество электронов на данном подуровне определяется формулой 2 (2 + 1). На каждом энергетическом уровне имеется по одному s-подуровню. На первом энергетическом уровне имеется только один s-подуровень. Второй энергетический уровень состоит из одного s и три р орбиталей. Третий энергетический уровень состоит из трех р, пяти d и семи f орбиталей. Формула определяет число (орбиталей)подуровней в каждом энергетическом уровне. Например, на третьем энергетическом уровне существует подуровней: 1s, три- р и пять -d орбиталей.

Магнитное квантовое число - определяет положение атомной орбитали в пространстве относительно внешнего магнитного или электрического поля. Магнитное квантовое число связано с орбитальным квантовым числом, изменяясь от -l до + l включая 0. Следовательно, каждому значению 1 соответствует 2l +1 значение магнитного квантового числа. Значению выражения 2l +1 соответствует и число орбиталей на каждом подуровне.
Поэтому для каждого значения l имеем магнитное квантовое число (2 l + 1).

Например:

• когда l = 1, будет иметь три значения, т.е. -1, 0, +1.
• когда l = 2, будет иметь 5 значений +2, +1, 0, -1, -2,
• когда l = 3, будет иметь 7 значений , +3, +2, +1, 0, -1, -2, -3

Спиновое квантовое число может принимать лишь два значения:  и Они соответствуют двум возможным и противоположным друг другу направлениям собственного магнитного момента электрона. Упрощенно считают, что это число характеризует вращение электрона вокруг собственной оси при его быстром движении в атомном пространстве.
s - подуровень ближайший к ядру атома подуровень каждого энергетического уровня, состоит из одной s орбитали, р-подуровень- второй подуровень каждого, кроме первого, энергетического уровня, состоит их трех р -орбиталей, d подуровень - третий подуровень каждого, начиная с третьего, энергетического уровня, состоит из пяти d - орбиталей; а f-подуровень каждого, начиная с четвертого, энергетического уровня, состоит из семи f-орбиталей. Таким образом, каждому значению п соответствуют число орбиталей, равное
Распределение электронов на орбиталях подчиняется в основном, двум принципам: принципу наименьшей энергии (правило Клечковского) и принцип Паули. Согласно принципу Паули, в атоме не может быть двух электронов с одинаковым значением всех четырех квантовых чисел.
Этот принцип позволяет рассчитать максимальное число электронов для разных значений главного квантового числа n:

Согласно правилу Клечковского, последовательное заполнение электронных орбиталей в атоме происходит от орбиталей с меньшим значением суммы главного и орбитального квантовых чисел (n + 1) к орбиталям с большим значением этой суммы. Если (n + 1) равны, то в первую очередь заполняются подуровни, отвечающие минимальному значению главного квантового числа.

Согласно вышеизложенному, заполнение подуровней происходит в следующем порядке:
ls 2s 2р 3s Зр 4s 3d 4р  5s 4d 5р 6s 4f 5d 6p 7s 5f 6d

С увеличением числа электронов в многоэлектронных атомах, увеличиваются возможность расположения орбитальных ячеек. Так как минимальное значение суммы (n + 1) равно единице, то единственный электрон атома водорода имеет такое состояние, когда n = 1, l = 0 и = 0. Устойчивое состояние атома водорода обозначается символом где 1- главное квантовое число, s обозначает орбитальное квантовое число и форму орбитали, степень над символом s обозначает количество электронов.

Иногда для выражения состояния электрона пользуются следующим методом: орбитали условно обозначают в виде клетки («квантовой ячейки»), электрон обозначается в виде стрелки (направление стрелки указывает ориентацию спина электрона). Так представленный этим методом атом водорода выглядит как  так как n + l = 1 .В атоме гелия в этом состоянии может быть два электрона  Для обоих электронов атома гелия значения  и l равны; эти электроны характеризуются различными спинами. Состояние атома гелия можно выразить как

С лития начинается второй период системы элементов; как показывают данные, у атома лития орбиталь n=2 начинается заполнятся электронами. Для n=2, орбитальное квантовое число имеет два значения (l=0 и l=1); сначала идет заполнение l = 0, так как при l = 0, сумма n + 1 минимальна. Стабильное состояние лития представлена формулой В атоме лития на 2s-орбитали находится один неспаренный электрон; поэтому атом лития может образовывать одну ковалентную связь.

В атоме бериллия (z=4) происходит завершение заполнения 2s - орбитали электронами. У атома бериллий нет неспаренных электронов, все они спаренные. Но когда атом бериллия принимает энергию, то он переходит в возбужденное состояние, в это время один его электрон переходит на более высокий энергетический уровень:

Для элемента бора (z = 5) соответственно (n + l) = 3 имеет состояние n = 2; l = 1. заполняются электронами. Поэтому электронная конфигурация записывается так: B или

В атоме бора пятый электрон занимает одну из трех вакантных р -орбиталей. В устойчивом состоянии атом бора имеет один неспаренный электрон.
Для определения электронных состояний атомов углерода и следующих за ним элементов нужно знать правило Гунда.

Согласно правилу Гунда суммарный спин электронов в данном подуровне должен быть максимальным.

Это объясняется тем, что отрицательно заряженные электроны отталкиваются друг от друга и по возможности стремятся занять разные ячейки.
Следовательно, согласно правилу Гунда электронные конфигурации атомов углерода (1), азота (2) могут быть представлены следующим образом:

Символами - обозначены направления в пространстве осей х, у, z. для 2p-орбитали.

Заполнение энергетических уровней в атомах элементов третьего
периода происходит аналогично элементам второго периода:
Na    
Mg  
Al    
Si  
P    
S    
Cl    
Ar  

У элемента скандия (z = 21), стоящего после кальция начинают заполняться энергетические уровни, соответствующие n + l = 5. Для кальция (n + l) = (4 + 0) = 4 для скандия (n + l) = (3 + 2) = 5. Поэтому сначала заполняются 4s, двумя электронами, а, затем 3d подуровень:

У атомов, следующих за скандием продолжается заполнение 3d орбитали электронами и полностью заканчивается у цинка.
Однако состояния, соответствующие n = 4 (l = 1) и n = 5 (l= 0) в пределах суммы n + 1 = 5, остаются свободными. Поскольку первое из этих двух состояний может иметь более выгодное положение, у последующих за цинком атомов элементов начинают заполняться 4р- орбитали. Так как общее число таких случаев равно 6, заполнение электронами данной орбитали заканчивается у криптона, который завершает четвертый период. Электронная формула криптона выглядит следующим образом:
Кг

Далее следует тяжелые элементы, для которых так же, как и для предыдущих элементов, присущи аналогичные энергетические состояния; заполнение энергетических уровней в них происходит по тем же правилам (принцип Праули, правило Гунда и Клечковского), как и для предыдущих элементов.

Пример №9

Напишите электронную конфигурацию элемента, с
1 набором квантовых чисел: n = 3; l = 2; -1;
 

Решение. Для этого используйте значения квантовых чисел.
Решение. По значениям квантовых чисел определяем атомную орбиталь, которую займет последний электрон: так как n = 3, этот элемент находится в 3 периоде. l = 2, этот элемент относится к семейству d-элементов. Значение магнитного квантового числа = -1, означает, что последним поступает d-электрон на вторую ячейку. По значению =+ 1/2 можно узнать, что спин электрона направлен вверх. Напишем электронную формулу элемента учитывая вышесказанное. Как показывают результаты, этот элемент представляет собой титан (Ti).
Ответ:
 

Пример №10

Опишите химические свойства элемента 21 исходя из положения в периодической системе.
 

Решение. С помощью периодической системы, определяем, что элемент с порядковым номером 21 находится в четвертом периоде побочной подгруппе III группы. Этот элемент-скандий Sc. Электронная формула Sc:  Итак, Sc - d - элемент.

Этот элемент может имеет степень окисления +3 и легко отдает 2 электрона с 4-го уровня. При этом он образует оксид гидроксид, проявляющий основные свойства. Скандий не образует газообразных соединений с водородом, так как расположен в побочной подгруппе.
Атом скандия также может отдавать электроны с d-подуровня предпоследнего энергетического уровня (1 электрон). Образует оксид  соответствующий высшей степени окисления
 

Пример №11

В какой группе и в каком периоде периодической системы элементов Д.И. Менделеева находится элемент с порядковым номером 40?
 

Решение. Расположение элементов в периодической системе в соответствии со строением их атомов следующее: в первом периоде 2, во втором 8, в третьем 8. Третий период заканчивается элементом с порядковым номером 18 (2+8+8=18). В четвертом периоде 18 элементов, те. он заканчивается элементом с порядковым номером 36. В пятом периоде также 18 элементов, поэтому элемент с порядковым номером 40 попадает в пятый период. Он занимает четвертое место, следовательно, находится в четвертой группе (побочной подгруппе). Это -цирконий Zr, элемент 5 периода и IV группы.
 

Пример №12

Напишите электронную конфигурацию элемента германия, в возбужденном состоянии.
 

Решение. По условию задачи нужно написать электронную конфигурацию элемента германия в возбужденном состоянии. Но сначала напишем электронную конфигурацию атома элемента германия в основном состоянии.

В основном состоянии атом германия на четвертом энергетическом уровне содержит 4 электрона: а при возбуждении атома:

Периодический закон И.Д. Менделеева

Периодический закон и периодическая система химических элементов - большое достижение науки, является основой современной химии. За основу, при создании периодической системы взята атомная масса. Многие химики, до Д.И. Менделеева: немецкие ученые И. Деберейнер (1780-1849) и Л. Мейер (1830-1895), английский ученый Дж. Ньюлендс (1838 - 1898), французский А. Шанкуртуа (1819-1886) и другие- предлагали различные варианты классификации химических элементов. Однако никто из них не смог систематизировать все химические элементы, известные в то время. Только открытие русским ученым Д.И.Менделеевым одного из фундаментальных законов природы- периодического закона химических элементов- позволило создать единую систему химических элементов.

Д.И. Менделеев назвал закон, который он открыл, «закон периодичности», и сформулировал периодический закон так: «Свойства простых веществ, а также форма и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины их атомных весов». Открытая на его основе периодическая система объективно отражает периодический закон.

Ко времени открытия периодического закона были известны лишь 63 химических элемента. Кроме того, для многих химических элементов были неверно определены относительные атомные массы. Последнее обстоятельство особенно затрудняло систематизацию химических элементов, так как Д.И.Менделеев брал за ее основу значение относительных атомных масс. Так, например, у бериллия относительная атомная масса была определена 13,5 вместо 9, а это значит, что бериллий следовало поместить не на четвертом, а на шестом месте. Однако Д.И. Менделеев был твердо убежден, что относительная атомная масса бериллия определена неверно и по совокупности свойств поместил его на четвертом месте. Сходные затруднения возникали и при расположении некоторых других элементов.

Чтобы разобраться в сущности открытого Д.И. Менделеевым закона, проследим за изменением свойств, химических элементов, расположенных в порядке возрастания их относительных атомных масс. Номер, который получает в этой последовательности каждый элемент, называется порядковым номером.

Используя таблицу, вы можете определить следующее:

1. В ряду от лития Li до фтора F с возрастанием относительных атомных масс наблюдается постепенное ослабление металлических и усиление неметаллических свойств. Литий Li-щелочной металл с ярко выраженными металлическими свойствами. У бериллия Be металлические свойства сильно ослаблены, его соединения амфотерны. У элемента бора В преобладает неметаллические свойства, которые затем постепенно усиливаются у последующих элементов, достигая наивысшей степени у фтора F. После него следует инертный элемент неон Ne.
2. С возрастанием относительных атомных масс от лития Li до углерода С валентность в соединениях с кислородом увеличивается от 1 до 4. Начиная с углерода С элементы в этом ряду образуют также летучие соединения с водородом. Валентность в соединениях с водородом уменьшается от 4 у
3. Начиная с элемента натрия Na (порядковый номер 11) наблюдается повторяемость свойств предыдущего ряда. Натрий Na (подобно литию Li)-элемент с сильно выраженными металлическими свойствами, у магния Mg (аналогично бериллию Be) металлические свойства выражены слабее. Алюминий А1 (подобно бериллию Be) образует соединения с амфотерными свойствами. Кремний Si (как и углерод С) - неметалл. У последующих элементов - фосфора Р и серы S- неметаллические свойства еще более усиливаются. Предпоследний в этом ряду элемент хлор Сl (подобно фтору F) обладает наиболее сильно выраженными неметаллическими свойствами. Этот ряд, как и предыдущий, заканчивается инертным элементом аргоном. Аналогично предыдущему ряду валентность в соединениях с кислородом возрастает от 1 у элемента натрия Na до 7 у элемента хлора О. Валентность в соединениях с водородом уменьшается: у кремния Si -4, у хлора Cl -1.
4. Начиная с калия (порядковый номер 19), вновь наблюдается постепенное изменение свойств от типичных щелочных металлов от типичного неметалла галогена. Периодически повторяются не только химические свойства, но и формы их соединений. Например, литий образует с кислородом соединение состава аналогичную форму имеют кислородные соединения элементов, повторяющих свойства лития -

Все ряды элементов, расположенные в порядке увеличения их атомных масс, Д.И Менделеев разделил на периоды. На границе каждого периода свойства элементов закономерно изменяются (например, начиная щелочным металлом, заканчивая галогеном). В периодах располагаются элементы, сходные по свойствам и обладающие одинаковой валентностью. Таким образом Менделеев составил таблицу, названную им периодической системой элементов. На основании периодической системы он исправил атомные массы ряда элементов, предсказал существование в природе нескольких еще не открытых элементов и оставил свободные клетки в таблице для 29 элементов.

Для трех таких предполагаемых элементов Д.И Менделеев предсказал физические и химические свойства на основании свойств, окружающих их в таблице элементов и дал им условные названия-экабор, экаалюминий и экасицилий. Окружающие их элементы Д. Менделеев назвал аналогами.

Например, атомная масса элемента магния определяется как средняя арифметическая величина масс атомных аналогов, а именно:

Предсказания Д.И.Менделеева блестяще подтвердились. Все три элемента были открыты еще при жизни Менделеева и предсказанные свойства их точно совпали со свойствами, определенными опытным путем.
Галлий - был открыт 1875 году Лекоком де Буабодраном, скандий - в 1879 году Нильсоном и германий - Винклером в 1886 году,

В настоящее время известно более 500 вариантов изображения периодической системы. В 1869 году впервые, предложенная Менделеевым система элементов называется вариантом длинной формы. В 1870 году Менделеевым был предложен второй вариант периодической системы элементов- вариант короткой формы. В этом варианте периоды были разделены на ряды, а группы - на подгруппы.

Наиболее распространен вариант короткой формы периодической системы как более компактный. Однако его существенный недостаток - сочетание в одной группе нескольких элементов те. сильное различие свойств элементов главных подгрупп. Это в какой-то степени «смазывает» (уменьшает яркость) периодичность свойств элементов и затрудняет пользование системой. Поэтому в последнее время, особенно в учебных целях больше используется вариант системы Д.И Менделеева в длинной форме.

Периодическая система элементов имеет семь периодов (обозначены римскими цифрами), из которых периоды I, II и III называются малыми, а периоды IV, V, VI и VII большими периодами. В первом периоде расположены 2 элемента, во втором и третьем периодах - по 8, в четвертом и пятом - по 18, в шестом - по 32, в седьмом - 32 элемент. Каждый период, за исключением первого, начинаются с щелочным металлом и заканчиваются инертным газом.

Все элементы в периодической системе пронумерованы в том порядке, в каком они следуют друг за другом. Номер элемента в системе называется порядковым, или атомным номером.

Элементы II и III периодов Д. И. Менделеев назвал типичными элементами. Их свойства закономерно изменяются от типичного металла до благородного газа. Закономерно изменяются в периодах и форма соединений элементов. Д.И

Менделеев придавал большое значение периодичности форм соединений.
Система делится на 10 рядов, которые обозначаются арабскими цифрами. Каждый малый период состоит из одного ряда, каждый большой период - из двух рядов: верхний ряд считается четным, а нижний -нечетным рядом. В четных рядах больших периодов (четвертый, шестой, восьмой и десятый) расположены только металлы, и свойства элементов в ряду при продвижении слева направо изменяется незначительно.

В нечетных рядах больших периодов (пятый, седьмой и девятый) свойства элементов в ряду слева направо изменяется подобно свойствам типичных элементов. Основанием для разделения элементов больших периодов на два ряда является их важное свойство- степень окисления (во времена Менделеева это называлось валентностью). Их одинаковые значения дважды повторяются в периоде с ростом атомных масс элементов. Дважды повторяются в больших периодах и формы соединений элементов.

Особое положение в периодической системе занимают элемент номер 57-лантан- и следующие за ним 14 элементов, называемые лантаноидами, расположенные в VI периоде. Их порядковые номера 58-71. Лантаноиды расположены отдельно в нижней части таблицы. Последовательность из расположения обозначена звездочкой в соответствующей клеточке таблицы: La *-Lu.Эти элементы по химическим свойствам похожи на лантан и очень сходны между собой.

В седьмом периоде 14 элементов с порядковыми номерами 90-103 составляют семейство актиноидов. Их также помещают отдельно - под лантаноидами, а в соответствующей клетке двумя звездочками указано на последовательность их расположения в системе: Ac*-Lr. Однако в отличие от лантаноидов горизонтальная аналогия у актиноидов выражена слабо. Они в своих соединениях проявляют больше различных степеней окисления. Например, степень окисления актиния +3, а урана +3, +4, +5 и +6.

Изучение химических свойств актиноидов крайне сложно вследствие неустойчивости, их ядер.

В периодической системе по вертикале имеется восемь групп (обозначены римскими цифрами). Номер группы связан со степенью окисления, которую проявляют элементы в соединениях. Как правило, высшая степень окисления элементов равна номеру группы. Фтор является исключением - его степень окисления равна -1; медь, серебро, золото проявляют степень окисления +1, +2 и +3.

Из элементов VIII группы степень окисления +8 известна только для осмия, рутения и ксенона.

В VIII группе расположены благородные газы. Ранее считалось, что они не способны образовывать химические соединения. Однако это не подтвердилось. В 1962 году было получено первое химическое соединение благородного газа тетрафторид ксенона В настоящее время химия благородных газов быстро развивается.

Каждая группа делится на две подгруппы - главную и побочную, что в периодической системе подчеркивается смещением одних вправо, а других влево. Главную подгруппу составляют типичные элементы (элементы второго и третьего периодов) и сходные с ним по химическим свойствам элементы больших периодов. Побочную подгруппу составляют только металлы -элементы больших периодов. VIII группа отличается от остальных. Кроме главной подгруппы гелия она содержит три побочные подгруппы: подгруппу железа, подгруппу кобальта и подгруппу никеля.

Химические свойства элементов главной и побочной подгрупп значительно различаются. Например, в VII группе главную подгруппу составляют неметаллы F, Cl, Br, I и At, побочную- металлы Мn, Тс и Re. Таким образом, подгруппы объединяют наиболее сходные между собой элементы.

Все элементы кроме гелия, неона и аргона, образуют кислородные соединения. Существует всего восемь форм кислородных соединений. В периодической системе их часто изображают общими формулами, расположенными под каждой группой в порядке возрастания степени окисления элементов: здесь R - элемент данной группы. Формулы высших оксидов относятся ко всем элементам группы (главной и побочной), кроме тех случаев, когда элементы не проявляют степень окисления, равной номеру группы.

Элементы главных подгрупп, начиная с IV группы, образуют газообразные водородные соединения. Форм таких соединений 4. Их также изображают общими формулами в последовательности Периодический закон имеет очень важное значение в формировании химии в качестве науки.

Периодический закон послужил основой для исправления атомных масс элементов. Д.И. Менделеев предсказал существование в природе нескольких еще не открытых элементов и оставил незаполненным значительное число клеток в периодической таблице для не открытых еще элементов, сумел предсказать свойства и атомные массы отдельных элементов и указал, где их следует искать. Например, были предсказаны элементы экабор (скандий), экаалюминий (галлий) и экасицилий (германий).

 

Пример №13

Определить количество s, р, d и f электронов в атоме, содержащем 42 протона.
 

Решение. Записываем электронную формулу элемента с порядковым номером 42.

Определим число s, р, d и f электронов.
s электронов - 9; р-электроны - 18; d-электроны - 15; f-электронов - 0.

Пример №14

Расположите элементы алюминия, магния, кремния и фосфора в порядке уменьшения их атомного радиуса.
 

Решение. Для этого вспомним расположение элементов в периодической системе. Данные элементы находятся в одном периоде. В периодах слева направо с увеличением порядкового номера (заряда ядра) радиус атома уменьшается. В группах с увеличением заряда ядра сверху вниз радиус увеличивается. Используя эти правила, мы определяем расположение данных элементов в порядке уменьшения радиуса. Na, Mg, Al, Si.

 

Атомная структура. Ядерные реакции

Согласно модели строения атома Резерфорда, атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, которое занимает очень малое пространства атома. Все положительные заряды и почти вся масса атома сосредоточены в ядре. Вокруг ядра на значительном расстоянии от него вращаются электроны, образующие электронную оболочку атома.
 

Поскольку атом в целом электронейтрален, то суммарный заряд электронов должен быть равен заряду ядра. Дальнейшие исследования показали, что положительный заряд ядра атома численно равен порядковому номеру элемента в периодической системе Д.И. Менделеева. Наиболее проста схема строения атома водорода (порядковый номер равен 1). Его ядро имеет один элементарный положительный заряд, и в поле ядра вращается один электрон. Ядро атома водорода - элементарная частица, которую называют протоном.
Порядковый номера атома цинка равен 30. Значит, его положительный заряд равен 30 и в поле ядра вращаются 30 электронов. У 78 -го элемента с положительным зарядом ядра, равным 78, в поле ядра вращаются 78 электронов. Аналогично можно представить строение и других атомов.

По современным представлениям ядра атомов всех элементов состоят из протонов и нейтронов (нуклонов). Протон обладает массой - 1 0073 а.е. м. и зарядом +1. Масса нейтрона равна 1,0087 а.е.м, а его заряд -нулю (частица электрически нейтральна). Можно сказать, что масса протона и нейтрона почти одинаковы.

Вскоре после открытия нейтрона 1932 году российские ученые Д. Д. Иваненко и Е. Н. Гапон создали протонно-нейтронную теорию строения ядра. Согласно этой теории ядра всех атомов, кроме ядра атома водорода, состоит из Z протонов и (A-Z) нейтронов, где, где Z- порядковый номер элемента, А -массовое число.
A = Z + N

Силы, удерживающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными. Это чрезвычайно мощные силы, действующие на очень коротких расстояниях (порядка м) и превосходящие силы отталкивания. В ядре сосредоточена почти вся масса атома. Так, например, для атома хлора на долю электронов приходится 1/1837 • 17=0,009(около 0,03% массы атома хлора). Массой электронов по сравнению с массой ядра можно практически пренебречь. Например, в ядре атома кислорода содержится 8 протонов и 16-8 = 8 нейтронов, что кратко записывается так: (8р,8n).

Исследования показали, что в природе существуют атомы одного и того же элемента с разной массой. Так, встречаются атомы хлора с массой 35 и 37. Ядра этих атомов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов.
Разновидности атомов одного элемента, обладающие одинаковыми зарядами ядер, но разными массовыми числами, называются изотопами. Каждый изотоп характеризуется двумя величинами: массовым числом (проставляется вверху слева от химического знака) и порядковым номером (проставляется внизу слева от химического знака) обозначается символом соответствующего элемента. Например, изотопы водорода: протия, дейтерия и трития записываются так:

Изотопы известны для всех химических элементов. Так кислород имеет изотопы с массовыми числами 16,17,18:  Изотопы аргона:
Изотопы калия:
 

Атомная масса элемента равна среднему значению из масс всех его природных изотопов с учетом их распространенности.

Формулу для вычисления средней атомной массы изотопов можно записать следующим образом:

Например, природный хлор состоит из 77,5% изотопа с массовым числом 35 и 22,5% изотопа с массовым числом 37. Находим среднюю атомную массу атома хлора:

Разновидности атомов с одинаковой атомной массой, но разным зарядом ядра называются изобарами.

Например, атомы калия и аргона массой 40, атомы хрома и железо массой 54 и атомы сурьмы и теллура, атомной массой 123. Известно также ещё одна группа частиц- изотоны, у которых одинаковое число нейтронов.
Атомы с одинаковым количеством нейтронов в ядре атома называются изотонами. Частицы атома (молекулы или иона) с одинаковым числом электронов называется изоэлектронными.

Примерами изотонов являются:

При взаимодействии протонов и нейтронов в ядре атома наблюдается 4 основных процесса:

• 1. Падение электрона;    
• 2. Позитронный захват;
• 3. Позитронный распад;    
• 4. Электронный распад;

1. Падение электрона на ядро происходит в результате поглощения ядром электрона. Это приводит к понижению его положительного заряда на одну единицу. Этот электрон взаимодействует с одним из протонов, содержащийся в ядре, в результате чего образуется нейтрон. В результате этого масса ядра элемента не изменяется, а заряд уменьшается на одну единицу.

2.    Позитронный захват. Процесс образования протона из нейтрона. В результате масса ядра атома не изменяется, а заряда ядра увеличивается на одну единицу.

3.    Позитронный распад - процесс перехода протона в нейтрон. Приводит к уменьшению заряда ядра без изменения атомной массы:

4.    Электронный распад-процесс превращения нейтрона в ядре в протон. В результате масса ядра атома остается неизменной, а заряд увеличивается на одну единицу.

Приведенные выше сведения позволяют дать новое определение химическому элементу и уточнить определение периодического закона.
 

Химический элемент - это определенный вид атомов с одинаковым зарядом ядра.

Свойства химических элементов и образованных ими простых и сложных веществ находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов этих элементов.
 

Ядерные реакции - это изменения ядер в результате взаимодействия их с элементарными частицами и друг с другом.
Различают естественные и искусственные ядерные реакции. Самопроизвольные ядерные реакции происходят из-за распада радиоактивных элементов. Радиоактивные элементы излучая лучи, превращаются в ядра других атомов.

излучение (-частица) это поток а-частиц, которые являются ядрами атомов гелия. Они обладает сильными ионизирующими свойствами и может преодолевать металлические барьеры толщиной менее 0,01 мм.

- излучение -частица) поток электронов с отрицательным зарядом (-1). Может преодолевать металлические барьера толщиной 0,01 мм.

-излучение-электромагнитное излучение высокой энергии, подобное рентгеновским лучам. Эти лучи могут проходить через барьер толщиной 0,1м.При испускании  частиц химический элемент не изменяется, его массовое число также не изменяется.

К основным видам радиоактивного распада относится распад,  распад. При распаде порядковый номер элемента уменьшается на 2.
При распаде заряд ядра увеличивается на единицу, а массовое число не изменяется. При распаде заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число не изменяется. Эта реакция идет с образованием -позитрона. В некоторых ядерных реакциях происходит захват ядром электрона. При этом заряд ядра уменьшается на единицу, а массовое число остается прежним.

При помощи ядерных реакций получают изотопы, обладающие радиоактивными свойствами. Все они в результате неустойчивого и радиоактивного распада превращаются в изотопы других элементов.
Радиоактивные изотопы получены для всех химических элементов. Известно примерно 1500 их разновидностей. Элементы, состоящие только из радиоактивных изотопов, называются радиоактивными. Это элементы с порядковыми номерами: z = 43, 61 и 84 -105.

Написание уравнений таких реакций основано на законах сохранения массы и заряда. Это означает, что сумма масс и сумма зарядов в левой части уравнения должна быть равна сумме масс и сумме зарядов в правой части уравнения.

Например:

Это уравнение показывает, что при взаимодействии атома алюминия с - частицей образуется атом кремния и протон. Радиоактивный распад радия с образованием радона и гелия следует записать так:

В 1919 году Резерфорд впервые осуществил ядерную реакцию искусственно, бомбардируя - частицами ядра атомов азота:

Стабильных (нерадиоактивных) изотопов известно около 300.Из них состоит большинство химических элементов периодической системы элементов Д.И. Менделеева. У некоторых элементов наряду со стабильными имеются и долгоживущие радиоактивные изотопы. Это:

Элементы, расположенные после урана в периодической системе Менделеева (трансурановые элементы) являются радиоактивными и не имеют стабильных изотопов. За счет ядерного распада эти атомы становятся относительно стабильными. Распад атомного ядра происходит под влиянием нейтронов, которые изменяют устойчивость ядер. Тяжелые ядра, имеющие избыток нейтронов, самопроизвольно распадаются. Распад ядра урана - 235 можно записать следующим образом:

Можно получить изотопы всех трансурановых элементов путем воздействия нейтронов в ядерных реакторах. Такими методами получены изотопы до 118 - трансурановых элементов.

Неограниченное применение находят радиоактивные препараты в медицине при диагностике и лечения заболеваний. Для определения наличия опасных опухолей у больных раком используется способность опухолевых тканей поглощать радиоактивные элементы. Например, используется фосфат натрия, который имеет в составе изотоп, фосфора-32, который применяется для обнаружения опасных опухолей в организме. Известно, например, что деятельность щитовидной железы тесно связана с обменом йода. Вводя больному ничтожно малые количества изотопа йода-131 (в виде натриевой соли),удается установить, насколько нормально функционирует щитовидная железа.

При лечении хронического лейкоза рекомендуются меченные изотопы фосфора-32, цинка-65 и золота-198 и фосфат натрия. При лечении раковых заболеваний использовали -лучи испускаемые изотопом кобальта .Этот изотоп обладает рядом преимущество по сравнению с радием или рентгеновским излучением, так как не излучает сильно проникающие -кванты. Радионуклиды меди-64, серебра -111, и золота -198 используются для изучения метаболических процессов в организме в качестве радиоактивного индикатора.

Каждое ядро урана распадается с очень большим количеством энергии. Основа современной ядерной энергии основана на реакции распада урана.

Пример №15

Сколько различных молекул воды можно получить из трех изотопов водорода и двух изотопов кислорода
 

Решение. Чтобы определить количество образующихся молекул воды,
составим следующую таблицу:

Ответ: Образуется 12 различных молекул воды.
 

Пример №16

Определите процентное содержание незаряженных частиц от общего количества всех элементарных частиц в изотопе
А) 40; В) 36; С) 55,65; D) 34.

Находим сумму (р +n+е-) всех элементарных частиц в атоме изотопа 51Сг В составе изотопа 51 Сг имеется 24 электрона, 24 протона и 27 нейтронов, где = 24+24+27=75.
Если 75 элементарной частиц составляет
27 незаряженных частиц
Ответ 36% В
 

Пример №17

В ядре изотопа содержится 82 нейтрона и 40,58% протонов. Найти относительную атомную массу изотопа.
А) 206; В) 136; С) 138; D) 135.
 

Решение: Сумма чисел протонов и нейтронов в атомах составляют около 100%.
р % + n% = 100 %
n% = 100 % —р% = 100 - 40,58 = 59,42 %
Из условия задачи известно, наличие 82 нейтронов в ядре изотопа. Определяет количество протонов в ядре. Если: 40,58% составляют протоны, то 100-40,58=59,42% нейтронов.
40,58 % протонов  ...  59,42 % нейтронов
х протон  ...  82 нейтрона
Если известно, что в ядре изотопа 56 протонов, его относительная атомная масса определяется по следующей формуле:
=p +n = 56 + 82 = 138
Ответ: 138.
 

Пример №18

Определите относительную атомную массу изотопа, если содержание протонов в атоме составляет 30,6% от общего количества элементарных частиц, (количество нейтрона в ядре изотопа равно 33).
 

Решение. В атоме число протонов равно числу электронов. 30,6% составляют протоны, следовательно, содержание электронов тоже составляет 30,6%. Если р + n + е = 100%, то 100 -(р + е) = n. 100 - (30,6 + 30,6) = 38,8% нейтронов.

30,6%p  ...  38,8 % n
хр ...  33 n
Относительная атомная масса изотопа: = р + n = 26 + 33 = 59.

Виды химической связи. Кристаллические решетки

Под химической связью понимают такое взаимодействие атомов, которое связывает их в молекулы, ионы, радикалы, кристаллы. При образовании химической связи могут участвовать - неспаренные электроны атомов, спаренные электроны, расположенные на одном орбитале и свободные (вакантные) орбитали.

Энергия химической связи, длина, валентный угол (угол валентности) и направленность связи - являются основными характеристиками химической связи. Минимальное количество энергии, необходимое для разрыва химической связи называется - энергией связи. Он обозначается Е и измеряется в кДж / моль и ккал / моль. Чем выше энергия связи, тем прочнее соединение. Величина энергии связи зависит от природы взаимодействующих атомов, типа и порядка связи.

Длина химической связи обозначается буквой r и выражается в А (нм). Длина связи - это расстояние между ядрами взаимодействующих атомов.

При рассматривании трех молекул газа, энергия химической связи слева направо уменьшается, а длина увеличивается.

Химическая длина связи

Химическая энергия связи.

Угол между химическими связями - называется валентным углом. Валентный угол между Н - О-связью в молекуле составляет 104,5°, а угол между связями в молекуле составляет 109,5°.

Кратность связи определяется числом электронных пар, связывающих два атома. Она может быть одинарная, двойная (двойная связь), тройная (тройная связь) и иногда четвертичная. С увеличением кратности связи энергия связи возрастает, увеличивается прочность и уменьшается длина связи.
Атомы в основном образуют химические связи за счет неспаренных электронов. Основными видами химической связи считается ковалентная, ионная, металлическая и водородная связи.
 

Химическая связь, образованная за счет общей пары электронов, называется ковалентной связью. Это двухэлектронная и двухцентровая (удерживает два ядра) связь. В образовании ковалентных связей участвуют все неспаренные электроны внешнего энергетического слоя, а иногда и спаренные электроны.
По способу перекрывания электронных орбиталей различают о «сигма» и «пи» связи, - Сигма-связь - это ковалентная связь, при образовании которой атомные орбитали перекрываются вдоль линии, соединяющей центры взаимодействующих атомов. Одинарная связь- всегда связь, которая лежит вдоль прямой линии (линий), связывающая ядра двух соседних атомов.
-связь - ковалентная связь, при образовании которой атомные орбитали перекрываются над и под линией, соединяющей центры взаимодействующих атомов, связь может только дополнять - связь в двойной или тройной связи.

Существует разные обозначения химической связи. С помощью электронов в виде точек, на химическом символе элемента. Образование молекулы водорода можно показать, как:

Также используют квантовые ячейки (орбитали). Размещают два электрона с противоположными спинами в одной молекулярной квантовой ячейке:

Часто, особенно в органической химии черточкой (штрихом) (например, Н-Н),
ковалентную связь изображают которая символизирует пару электронов.
Существует два вида ковалентной связи: полярная и неполярная.

Неполярная ковалентная связь. Ковалентную неполярную связь, образующуюся между атомами с одинаковой электроотрицательностью, называется неполярной. Например: и др., в которых электронная пара одинаковой мере принадлежит обоим атомам.

Химическую связь, образованную атомами, электроотрицательности которых отличаются, но незначительно, называют ковалентной полярной связью. Примером могут служить молекулы неорганических соединений:

Возможен и другой механизм ее образования-донорно -акцепторный. В этом случае химическая связь возникает за счет двухэлектронного облака одного атома и свободной орбитали другого атома. Рассмотрим в качестве примера механизм образования иона аммония  B молекуле аммиака атом азота имеет неподеленную пару электронов (двухэлектронное облако):

У иона водорода свободна (не заполнена) 1s - орбиталь,что можно обозначить как: При образовании иона аммония двухэлектронное облако азота становится общим для атомов азота и водорода, т.е. оно превращается в молекулярное облако. А значит возникает четвертая ковалентная связь. Это называется донорно-акцепторной связью.

Этот тип связи образуется при взаимодействии атомов элементов, электроотрицательность которых резко отличается. Ионная связь основана на электростатической теории. Наиболее устойчивой является такая электронная конфигурация атомов, при которой на внешнем электронном уровне, подобно атомам благородных газов, будет находится 8 электронов (октет) или 2 электрона(дублет) При химическом взаимодействии атомы стремятся приобрести устойчивою электронную конфигурацию и часто достигают этого или в результате присоединения валентных электронов от других атомов, или в результате отдачи своих валентных электронов. Атомы, присоединившие электроны превращаются в отрицательные ионы, или анионы. Атомы, отдавшие свои электроны, превращаются в положительные ионы, или катионы. Согласно этой теории, между противоположно заряженными ионами, возникают силы электростатического притяжения, которые и будут удерживать их друг около друга, осуществляя тем самым ионную химическую связь.

Ионные соединения являются кристаллическими веществами. В твердом (кристаллическом) состоянии ионные соединения состоят из закономерно расположенных положительных и отрицательных ионов. В водных растворах этих веществ вместо молекул бывают ионы. Ионная связь образуется не только между щелочными металлами и галогенами, но также и в соединениях щелочей и солей. Например, в соединениях гидроксида натрия NaOH и сульфата натрия существует ионная связи между атомами натрия и кислорода (все остальные являются полярной ковалентной связью). Поэтому щелочи и соли в воде диссоциируют по следующей схеме:

Трудно поставить резкую границу между типами химических связей. Во многих соединениях химическая связь является промежуточным; например, сильные полярные химические связи ближе к ионной связи. Если химическая связь по свойству ближе к ионной связи, то его называют ионной связью, если ближе к ковалентной связи то считается ковалентной связью.
 

Металлическая связь

Связь образованная в результате взаимодействия между ионами металла и относительно свободными электронами называется металлической связью. Металлическая связь характерна для всех металлов, кроме жидкого Hg.

Наиболее важными физическими свойствами металлов является такие свойства как высокая температура кипения и плавления, металлический блеск, отражение от металлической поверхности световых лучей и звука, хорошая теплопроводность и электропроводность, ковкость и пластичность. Эти свойства объясняются только наличием металлической связи.
 

Водородная связь

Связь между атомом водорода одной молекулы и сильно электроотрицательным атомом, другой молекулы имеющим неподеленную электронную пару (О, F, N) называется водородной связью.
Может возникнуть вопрос: почему именно водород способен образовать такие специфические химические связи? Это связано с тем, что атом водорода обладает очень маленьким радиусом и при смещении или отдаче единственного электрона водород приобретает положительный заряд.
Рассмотрим некоторые примеры. Мы привыкли состав воды изображать формулой Н2О, но правильнее было бы состав воды обозначать формулой где п равно 2,3,4 и т. д., так как отдельные молекулы воды соединены водородными связями, которые схематически изображают точками:

Обычно водородную связь обозначают точками, и этим указывают, что она гораздо более слабая, чем ионная или ковалентная, но более сильная, чем межмолекулярное взаимодействие.
 

Типы кристаллических решеток

Известно, что вещества находятся в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В газообразном и жидком состояниях структурные частицы расположены беспорядочно, межмолекулярные силы притяжения недостаточно удерживают их в одном месте, поэтому также вещества не имеют определенной формы. Твердые вещества, в отличие от газообразных и жидких, имеют определенную твердую форму, независимо от условий, в которых они находятся.
Твердые вещества в зависимости от внутреннего строения, те. от расположения частиц могут быть кристаллическими и аморфными. Одно и тоже вещество может находится в кристаллическом и в аморфном состоянии (например, кварц и в кристаллическом, и в аморфном состоянии- песчаная глина). Кристаллическое состояние более устойчиво, чем аморфное.

В кристаллических веществах частицы расположены упорядоченно, образуя пространственную кристаллическую решетку. Часть кристаллической решетки, параллельные переносы которой в трех измерениях позволяют построить всю кристаллическую решетку называется элементарной ячейкой.

В зависимости от вида частиц и характера связи между ними различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, молекулярные и металлические.

Кристаллические решетки, состоящие из молекул (полярных и неполярных), называются молекулярными. Молекулы в таких решетках соединены между собой сравнительно слабыми межмолекулярными силами.
 

Кристаллические решетки, в узлах которых расположены ионы называется ионной. Их образуют вещества с ионной связью.Пример, может служить кристалл хлорида натрия, в котором каждый ион натрия окружен шестью хлорид- ионами, а каждый хлорид- ион - шестью ионами натрия. Такому расположению соответствует наиболее плотная упаковка, Связи между ионами в таком кристалле весьма прочны. Поэтому вещества с ионной связью обладают высокой твердостью . Они тугоплавки и малолетучи. Кристаллическая решетка многих солей, некоторых оксидов и оснований являются ионными.

Кристаллическая решетка NaCl

Металлическая кристаллическая решетка

Атомная кристаллическая решетка

Кристаллические решетки, в узлах которых находятся атомы называются атомными. Атомы в таких решетках соединены между собой прочными ковалентными связями.
 

Металлическая кристаллическая решетка

Металлы образуют металлическую кристаллическую решетку. В узлах решетки находятся нейтральные атомы, положительно заряженные ионы, окруженные «электронным газом», т.е. свободными электронами. Электроны электростатически притягивают катионы, обеспечивая стабильность решетки.
Наличие свободных электронов обуславливает хорошую электро- и теплопроводность, магнитные и другие свойства, характерные для металлов.

Пример №19

Определите количество сигма и пи связей в молекуле пирофосфата алюминия.
А) 38; 6;    В)36 ; 4; С) 36 ; 6;    D)35; 4.

Решение. Составляем структурную формулу пиророфосфата алюминия.  и определяем количество связей.

В молекуле пирофосфата алюминия связей.
 

Пример №20

Определите пару веществ с ковалентной неполярной связью.
A) В) С) D)
 

Решение. Из данных веществ ковалентными неполярными являются Неполярные связи существуют в молекулах простых веществ, образованными атомами одного элемента. Разность их электроотрицательностей равна нулю.
 

Пример №21

Определите количество сигма ст и пи л связей в молекуле дихромата алюминия.
 

Решение: Составляем структурную формулу дихромата алюминия. и определяем количество связей.
В молекуле дихромата алюминия связей.

 

Пример №22

Среди приведенных веществ определите вещества с ионной связью: 1) фторид цезия; 2) аммиак; 3) хлорид калия; 4) оксид водорода; 5) оксид кальция; 6) оксид серы (VI).
 

Решение.

В веществах фторида цезия, хлорида калия, оксида кальция связь ионная, так как разность относительной электроотрицательностей (ЭО) атомов, составляющих молекулу больше 1,7 (2,0).
Фторид цезия    Cs = 0,7;    F = 4,l;    4,1-0,7 = 3,4
Хлорид калия    К = 0,8;    Cl = 3;    3-0,8 = 2,2.
Оксид кальция    Са = 1;    0 = 3,5;    3,5-1 = 2,5.

Следовательно в этих веществах химическая связь - ионная.
 

Пример №23

В каком из приведенных ниже соединений связь наиболее полярна?
А) хлороводород    В) оксид водорода
С) аммиак    D) оксид азота (II).
 

Решение. Используя значения относительных электроотрицательностей (ЭО) элементов, находим разности относительных электроотрицательностей атомов в молекулах:
А) НС1    Cl = 3;    H= 2,1;    3 - 2,1 = 0,9
В)    О = 3,5;    H=2,l;    3,5 -2,1 = 1,4
С)    N = 3;    Н= 2,1;    3-2,1 = 0,9
D) NO    0=3,5;    N=3;    3,5-3 = 0,5
Чем больше по абсолютному значению разность ЭО, тем более полярна молекула.Наиболее полярна молекула воды Ответ В.

Количество вещества

Химические вещества в зависимости от состава вещества подразделяются на простые и сложные вещества. Вещества, состоящие из атомов одного химического элемента, называются простыми, а состоящие из атомов разных химических элементов называются сложными.

Единицей количества вещества является моль.

Моль - это количество вещества, содержащее столько структурных частиц (молекул,атомов,ионов),сколько атомов содержится в 12 г изотопа углерода.

Число частиц в одном моле вещества Количество вещества и масса разные понятия. Масса выражается в граммах, килограммах, а единицей измерения количество вещества является моль. Например, молекулярная масса вода равна 18 а.е м. 1 моль воды равен 18 г.

При химических расчетах следует учитывать, что 1 киломоль (к/моль) равен 1000 моль, а 1 ммоль равен 0,001 моль.

Между массой вещества (m) и количеством вещества (n) и молярной массой (М) существует простые соотношения:

Эта формула используется для вычисления количества вещества. Например, определим количество вещества 28 г КОН. Дано m (КОН) = 28г, М (КОН) = 56г/моль. На основании вышеуказанной формулы рассчитываем количество вещества.

Молярная масса вещества -масса одного моля этого вещества. Оно равняется массе частиц данного вещества. Молярная масса выражается в граммах на моль (г/моль).

Например, М = 2г/моль; М (FеS)=88г/моль; М(Fе)=56г/моль; M(S)=3 2 г/моль.

Молярная масса вещества, выраженная в г/молях численно равна относительной атомной или относительной молекулярной массе (а.е.м.) этого вещества. Из реакции взаимодействия железа и серы имеем следующие данные.

В составе продукта любой реакции входят атомы веществ, которые первоначально участвовали в реакции. Атомы сохраняются в процессе реакции, значит масса каждого отдельного атома, а также суммарная масса всех атомов также полностью остается неизменной. В таком случае масса продуктов любой реакции должна быть равна массе начальных веществ, участвовавших в реакции.
 

Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции.

С точки зрения атомно - молекулярного учения закон сохранения массы объясняется следующим образом: в результате химической реакции атомы не исчезают и не возникают из ничего, они перегруппируются. Следствии того, что количество атомов до реакции и после остается неизменным, их общая масса также не изменяется. Любое чистое вещество независимо от местоположения и способа получения имеет постоянный состав. Рассмотрим, например, состав оксида углерода (IV) (углекислого газа) . Он состоит из углерода и кислорода (качественный состав). Содержание углерода в 27,27%, кислорода- 72,73% (количественный состав).
Поскольку атомы имеют постоянную массу, то и массовый состав вещества в целом постоянен.

Пример №24

В реакции с серой израсходовалось 0,5 моль железа. Определите его массу.
 

Решение: Для решения используем формулу:

m = 56 г/моль 0,5 моль = 28 г. Ответ: 28 г железа
 

Пример №25

В результате реакции получено 22г сульфида железа (II). Какое количество сульфида железа (II) соответствует данной массе?

Решение. M(FeS) = 88г/моль. Рассуждаем следующим образом: 88г соответствует 1 молю; 22г соответствует х молям FeS.Находим 88г: 22г = 1моль : х моль
х = 0,25 моль.
 

Пример №26

Какое количество вещества атомной серы содержится в 264г серы?
 

Решение: Относительная атомная масса серы Ar (S)= 32. Молярная масса атомарной серы 32г/моль. Значит в образце серы массой 264 содержится:

 

Пример №27

Определите количество вещества сульфата натрия массой 14,2г.
 

Решение. Относительная молекулярная масса равна:

= 232+32 + 164 = 142, находим количество вещества.

 

Пример №28

Относительная атомная масса серебра равна 108. Определите массу атома серебра.
 

Решение. Молярная масса атома серебра равна 108 г/моль численно равняется его относительной атомной массе. Зная, что в одном моле серебра содержится атомов находим массу его одного атома:

Закон Авогадро. Смеси газов

Изучение свойств газов позволило В 1811 году А. Авогадро открыть закон: В равных объемах различных газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул.

Из закона Авогадро вытекает два важных следствия:

1. При нормальных условиях те. температуре 273 К (0 °C) и давлении 101,325 кПа все газы, количеством вещества 1 моль занимают объем равный 22,4л. Этот объем называется молярный объем газов.л/моль. Следовательно, 1 моль водорода при нормальных условиях занимает объем равный 22,4л, а 10 моль водорода 224л и 0,1 моль 2,24л.
2. Объем газов их количество вещества и число частиц (молекул и атомов) взаимосвязаны. 1 моль любого вещества содержат частиц (молекул, атомов) Это число называется числом Авогадро и обозначается

В 1 моле газа хлора содержится молекул Число атомов хлора в этом количестве два раза больше - .

Отсюда следует 1 моль любого газа занимает объем 22,4 л и содержит молекул.

• 1    моль газа содержит молекул и занимает объем 22,4л.
• 0,5 моль газа содержит молекул и занимает объем 11,2л.
• В 2,24л газа хлора содержит молекул и его количество вещества равно 0,1 моль.

Молярный объем рассчитывается отношением объема (н.у), занимаемого веществом, к его количеству вещества:

Здесь V-объем газа(л), n-количество вещества(моль). На основании закона Авогадро определяют молярные массы газообразных веществ.Чем больше масса молекул газа, тем больше масса одного и того же объема газа. В равных объемах при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул, а, следовательно, и молей газов. Отношение масс равных объемов газов равно отношению их молярных масс.

Где - масса определенного объема первого газа; масса такого же объема второго газа; - молярные массы газов.

Отношение массы определенного объема одного и того же объема другого газа (взятого при тех же условиях) называется плотностью первого газа по второму (обозначается буквой D)

Обычно плотность газов определяют по отношению к самому легкому газу - водороду (обозначается Молярная масса водорода равна 2г/ моль. Поэтому получаем:

Молекулярная масса вещества в молекулярном состоянии равна его удвоенной плотности по водороду.

Часто плотность газа определяется по отношению к воздуху  Хотя воздух является смесью газов, можно рассчитать его среднюю молекулярную массу.

Если принять, что воздух состоит из 4 объемов азота (молярная масса 28г/моль) и 1 объема кислорода (молярная масса 32г/моль), то есть тогда можно рассчитать его среднюю молярную массу:
=28,8 г/моль ( округленно 29 г / моль)

Молярная масса определяется из следующего выражения:

Определение молекулярных масс показало, что молекулы простых газов состоят из двух атомов молекулы благородных газов -из одного атома (Не, Ne, Ar, Кг, Хе, Rn). Для благородных газов понятия «молекулы» и «атом» равнозначны.Однако молекулы некоторых других простых веществ состоят их трех и более атомов, например, молекулы озона фосфора паров серы при невысоких температурах

Необходимо помнить, что коэффициенты, стоящие перед химическими знаками или формулами, обозначают не только количество вещества атомов в молекуле, но и количество молей вещества, участвующих в реакции. Поэтому уравнение реакции между газообразными веществами можно записать следующим образом.

Если объёмы газов, участвующих в реакции и образующихся в результате, сократить на 22,4, то объемное отношение газов можно выразить в обычных целых числах: в первом реакции - 1:1:2, во второй реакции - 2:1:2.

Таким образом, реакции между газообразными веществами подчиняется определенным законом:

• При неизменном давлении объемы газов, вступающих в реакцию и образующимся в результате реакции, соотносятся друге другом посредством маленьких целых чисел.

В уравнениях реакций коэффициенты показывают количество объемов веществ, вступающих в реакцию и образующих в результате реакции.
 

Объемная доля газов — величина, равная отношению объема какого-то вещества в смеси к объему всей смеси

Например, при нормальных условиях дана смесь газов, состоящая из 2л водорода,3 литра кислорода, б литров аммиака и 8 литров угарного газа.

Необходимо найти объемную долю газа кислорода. Для этого сначала найдем общий объем смеси газов:
2 л+3 л +6 л+8 л= 19 л

Следовательно, объемная доля кислорода равна 15,7%.

Пример №29

Относительная плотность газа по водороду 35,5. Определите относительную плотность этого газа по воздуху.
 

Решение. Зная относительную плотность газа по водороду находим молярную массу газа.
М = 235,5= 71г/моль
Молярная масса воздуха округленно равна 29г/моль. Находим относительную плотность газа по воздуху.

Ответ: 2,448
 

Пример №30

Относительная плотность газа по метану 2. Определите относительную плотность этого газа по гелию.
 

Решение.
1)    Найдём сначала молярную массу газа:
М = 16  D                 М=162 = 32г/ моль
2)    Находим относительную плотность газа по гелию:

Ответ: 8
 

Пример №31

При нормальных условиях газ массой 0,717г занимает объем 0,365л.Найдите молярную массу газа.
 

Решение: 1 моль любого газа при нормальных условиях занимает объем
22,4 л это называется молярным объемом газов. Отсюда следует:
0,717 г ...   0,365 л
х ..... 22,4 л                   х= 44 г/моль
Ответ: 44 г/моль
 

Пример №32

Какую массу будет иметь аммиака объемом 15л при нормальных условиях? Определите количество вещества газа в этом объеме.
 

Решение. Молярная масса азота равна 17г/моль.
1 моль - 17 г/моль = 17 г аммиака при нормальных условиях
1 моль - 22,4 моль/л = 22,4 л
Составляем пропорцию:
(занимает при н.у)
(занимает при н.у)
х=11,38 г и 0,67
Ответ: 11,38 г и 0,67 моль

Пример №33

Определите относительную плотность газа этилена по водороду и воздуху.
 

Решение: Находим молярную массу этилена.

Ответ: Плотность по водороду равна 14, а по воздуху 0,965.

Эквивалент

Эквивалент означает «равнозначность». Во всех химических реакциях вещества взаимодействуют друг с другом строго в соответствии с их эквивалентными массами.

Для вычисления эквивалентной массы элементов (Е) атомную массу элемента (А) делим на его валентность (V):

Е - эквивалент
А - атомная масса
V - валентность

Теперь найдем эквивалентную массу для кислорода

Атомная масса элемента кислорода равна 16, а валентность равна 2 (О = О).


Найдем эквивалентную массу водорода:

Атомная масса и валентность водорода равны 1. Значит его эквивалентная масса равна 1.

Эквивалентностью элемента называется такое его количество, которое связывается с 1 молем атомов водорода или может заместить такое же его количество при химической реакции.

Стоит отметить, что один и тот же элемент может иметь не одну, а несколько эквивалентных масс. Так, в оксидах серы эквивалентная массы серы разная, так как валентность серы имеет разные значения (IV и VI соответственно).

Рассчитаем эквивалентную массу серы в
Атомная масса серы равна 32, а валентность (IV)

В валентность S равна 6, а атомная масса равна 32

Значит сера имеет разные значения эквивалентной массы в составе и (8 и 5,33)
 

Рассмотрим вычисление эквивалентной массы простых и сложных веществ:

1.    Эквивалентная масса простых веществ выражается как отношение их атомных масс к их валентностям. Например:

Находим эквивалентную массу хлора:
Атомная масса хлора равна 35,5 а валентность равна 1 (Cl-Cl).
(Примечание: галогены проявляют валентность равный 1)

Вычислим эквивалентную массу для азота в составе
Атомная масса азота равна 14, а валентность равна 3 (N=N).

2.Эквивалентная масса иона равна отношению массы катиона или аниона его заряду. Например:

3. Для нахождения эквивалентной массы оксида его молярную массу делим на произведение индекса элемента и его валентности.

- эквивалентная масса оксида;
- молярная масса оксида;
n - индекс элемента;
V - индекс валентности.
 

Вопрос: Определите эквивалентную массу

Сначала находим молярную массу оксида (27-2+16-3=102)
Валентность алюминия III, а индекс равен 2.

 

Вопрос: Определите эквивалентную массу СаО.

Или, сложив эквивалентные массы кальция и кислорода, мы можем найти эквивалентную массу оксида.

4. Для определения эквивалентной массы кислоты нужно молярную массу кислоты разделить на основность (число атомов водорода, способных замещаться атомами металла) этой кислоты.

- эквивалентная масса кислоты;
- молярная масса кислоты
n (Н) - число атомов водорода, замещающихся на атома металла.
 

Вопрос :Определите эквивалентную массу

Сначала находим молярную массу кислоты (2 + 32 + 16 • 4 = 98). двуосновная (в химических реакциях 2 атома водорода замещаются атомами металла) кислота

5. Для определения эквивалентной массы основания нужно молярную массу разделить на число гидроксильных групп в его составе.

- эквивалентная масса основания;
- молярная масса основания;
n (ОН) - число групп ОН.
 

Вопрос : Определите эквивалентную массу 

Сначала находим молярную массу основания (40+17-2=74).
В составе число гидроксильных групп равно 2.

или 

6 Для нахождения эквивалентной массы соли молярную массу соли делим на произведение индекса катиона(металл) и его валентности.

- эквивалентная масса соли
— молярная масса соли

n - индекс металла(катионный)
V - валентность металла (катион)
 

Вопрос: Определите эквивалентную массу

Сначала находим молярную массу соли А12(5О4)з (27-2+96-3=342).
Валентность алюминия равна III, а индекс равен 2.

или

Все вещества реагируют друг с другом в эквивалентных количествах. Это в свою очередь позволяет определить количество исходных и конечных веществ в реакциях. Например для нейтрализации кислоты было израсходовано 0,2 г/экв щелочи, значит кислоты тоже было 0,2 г/экв.
 

Закон эквивалентов гласит, что взаимодействие различных веществ происходит в соответствии с их эквивалентностью. Из этого вытекает, что соотношение масс взаимодействующих веществ равно соотношению их эквивалентных масс.

-масса;
- эквиваленты;
 

Эквивалентный объем

Это объем газа, масса которого равна эквивалентной массе.

Эквивалентный объем веществ можно найти исходя из эквивалентных масс этих веществ.

Например 2 г (1 моль) водорода при нормальных условиях занимает 22,4 л объема. Эквивалентная масса водорода равна 1, следовательно, эквивалентный объем равен 11,2 л

 

Найденное значение является эквивалентным объемом водорода.

Таким же образом можно вычислить эквивалентный объем для кислорода.
32 г (1 моль) при н.у. занимает 22,4 л, а эквивалентная масса равна 8. Находим какой объем будет занимать данная масса (8).

Значит эквивалентный объем кислорода равен 5,6 л

Пример №34

20 г NaOH полностью прореагировало с 24,5 г неизвестной кислоты. Определите эквивалентную массу кислоты.

Сначала определим эквивалентную массу щелочи NaOH:

- эквивалентная масса;
- молярная масса;
n - число групп ОН.
Если 20 г гидроксида натрия прореагирует с 24,5 г кислоты , то какая масса кислоты нейтрализуется с 40 г щелочи.

Ответ: 49
 

Пример №35

При взаимодействии 4,32 г металла с хлором образовалось 21,36 г хлорида этого металла. Определите эквивалентную массу металла.
 

Решение задачи: эту задачу решим, пользуясь законом эквивалентов:

- масса вещества;
- эквивалент вещества.
Сначала отняв от массы полученного хлорида массу металла, определим массу исходного хлора:
21,36- 4,32= 17,04 г хлора
Массы хлора и металла определены, исходя из которых, можем найти эквивалентную массу металла:

Ответ: 9 г
 

Пример №36

При разложение 15 г карбоната двухвалентного металла образовалось 8,4 г оксида металла. Определите эквивалентную массу металла.
 

Решение задачи: сначала напишем уравнение реакции:

Задачу решим с помощью уравнения, воспользуясь формулой закона эквивалентов.

Значения m  = 15 г и m (МеО) = 8,4 г в уравнении, приведены в условии задачи.

Обозначим массу Me в составе Е через х, а эквивалентная масса иона Теперь в уравнение вместо Е подставляем х+ 30.
В составе Е (МеО) эквивалентную массу Me обозначим через х, а эквивалентная масса кислорода равна 8, следовательно в уравнение вместо Е (МеО) подставляем х+8:

Находим значение х:

х, т.е эквивалентная масса Me равна 20.
Ответ: 20
 

Пример №37

Для полного окисления 54 г металла израсходовано 48 г кислорода. Определите металл
 

Решение задачи: Если 54 г Me прореагирует с 48 г кислорода, то какая масса металла окисляется с 8 г кислорода.

Стало известно, что эквивалентная масса Me равна 9 г:

9 • 1= 9 г (1 -валентный металл с атомной массой равной - 9, не существует)

9 • 2= 18 г (2 -валентный металл с атомной массой равной - 18, не существует)
9 • 3= 27 г (3 - валентный металл с атомной массой равной - 27 - это Аl)

Уравнение Менделеева - Клапейрона

В химических реакциях газообразные вещества участвуют в качестве исходного вещества или продукта реакций. При решении многих задач по химии, газы рассматривают в нормальных условиях. Под нормальными условиями понимают:

• Температура 0 °C (по шкале Цельсия), или 273 К (по шкале Кельвина).
• Давление 101,325 КПа (101325 Па) или 1 атмосфер или 760 мм ртутного столба.

Но реакции с участием газообразных веществ не всегда протекают в нормальных условиях. Поэтому нужно освоить навыки решения задач в условиях, отличных от нормальных. Для этого используют уравнение состояния идеального газа ( уравнение Менделеева - Клапейрона).

• P - давление (кПа)
• V - объём (л)
• n - количество вещества (моль)
• R - универсальная газовая постоянная = 8,31
• Т - температура (К)

В этой формуле температуру выражают по шкале Кельвина. Если в задаче температура дана в Цельсиях , то нужно перевести это значение в Кельвины.

Для этого воспользуемся следующей формулой:

Т = t + 273

• Т - Температура по шкале Кельвина
• t - Температура по шкале Цельсия

При выражении давления в КилоПаскалях универсальную газовую постоянную берем как 8,31. Если давление берем в атмосферах, то значение для R тоже меняется, те., становится равным 0,082 (8,314:101,325=0,082).

Если давление в задаче дано в мм рт.ст., то это значение переведем в атмосферы и продолжаем решать задачу (760мм.рт.ст=1атм).

Для нахождения количества вещества (n) нужно массу (m) разделить на молярную массу (М).

В вышеуказанную формулу Менделеева -Клапейрона подставляем выражение для количества вещества:

Для удобства напишем формулу в следующем виде:
PVM = mRT

Пример №38

Определите объем кислорода массой 12,8 г при давлении 166,2 кПа и температуре - 73° С.
 

Решение задачи : Формулу Менделеева - Клапейрона преобразуем для нахождения объема:

PV= nRT 
Сначала находим количество вещества кислорода:

Подстваляем в формулу данные по условии задачи:
Т = 273 + (-73°С) = 200 К

Ответ: 4 л
 

Пример №39

При каком давлении 14 г угарного газа .находящийся при температуре 47 °C занимает объем равный 10 л?
 

Решение задачи: Формулу Менделеева - Клапейрона преобразуем для нахождения давления
PV= nR 
Сначала находим количество угарного газа:

Теперь подставляя в формулу нужные значения, находим давление:

Т = 273 + 47°С = 320°К

Ответ: 132,96 кПа
 

Пример №40

При какой температуре (С°) 1 моль оксида углерода (IV), находящийся под давлением 2 атм., занимает 12,3 л объема ?
 

Решение задачи: Формулу Менделеева - Клапейрона преобразуем для нахождения температуры:
PV= nRT  
Теперь, подставляя в формулу нужные значения, находим температуру:

Р = 2 атм 101,325 кПа = 202,65 кПа

Так как в условии задачи температуру спрашивают в Цельсиях, от 300 К отнимаем 273 и находим ответ:
t = 300K-273 =27 °C
Ответ: 27 °C
 

Пример №41

При какой температуре газ с молярной массой 32 г/моль и массой 12 г при давлении Па , занимает объем равный 1 л.
 

Решение задачи: запишем данные задачи.

V= 1 л
m = 12 г
М = 32 г/моль
R = 8,3 1 мл К «моль
PV = nRT


Из вышеуказанной формулы выводим выражение для температуры.

Ответ: 369 °C
 

Пример №42

При давлении 207,75 кПа и температуре 27 °C 42,5г неизвестного газа занимает объем равный 30 л. Определите неизвестный газ
 

Решение: Сначала по формуле Менделеева -Клапейрона находим количество газа:
Т = 273 + 27°С = 300 К

Исходя из массы и количества газа находим его молярную массу:

Газ с молекулярной массой 17 г/моль это
Ответ:
 

Пример №43

Найдите число молекул 4,155 л азота при давлении 150 кПа и температуре 27 °C.
 

Решение задачи. Сначала по формуле Менделеева - Клапейрона выводим формулу для нахождения количество газа:
PV = nRT 
Теперь подставляя данные, находим количество азота:
Т = 273 + 27°С = 300° К

Находим число молекул:


Ответ:
 

Пример №44

Определите число атомов в составе 7 л метана при давлении 124,65 кПа и температуре 77 °C.
 

Решение задачи: Сначала по формуле Менделеева - Клапейрона находим количество газа:
Т = 273 + 77°С = 350 К

Находим число молекул:

= молекула метана содержит 5 атомов

Ответ:

Слабые и сильные электролиты

В 1887 году С.Аррениус предложил теорию электролитической диссоциации.
Современная интерпретация этой теории следующая:

1. Электролиты при расплавлении или растворении в воде распадаются на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.

2. Под воздействием электрического тока положительно заряженные частицы двигаются к катоду , а отрицательно заряженные к аноду. Поэтому положительно заряженные частицы называются катионами, а отрицательно заряженные анионами.

3. Диссоциация обратимый процесс. Противоположно заряженные ионы, образованные в результате диссоциации, взаимодействуют друг с другом с образованием исходной молекулы. Этот процесс называется ассоциацией.

Прежде чем получить понятие об электролитах и неэлектролитах, рассмотрим следующий эксперимент. Для этого нам понадобится прибор указанный на рисунке.(Два металлических или угольных электрода помещают в раствор хлорида натрия и соединяют с источником тока. В результате лампочка загорается и это свидетельствует о том, что раствор хлорида натрия проводит электрический ток.

Если разбавить раствор то яркость лампочки остается прежней. Одинаковый результат получим (лампочка загорится ярко) и с растворами NaOH, НС1, КС1, КОН, лампа продолжает гореть.

При проведении эксперимента с концентрированными растворами - лампочка не загорится ,а если разбавить эти растворы то лампочка загорится. По мере разбавления яркость лампочки становится больше. Значит, только при сильно разбавленных растворах вышеуказанных веществ происходит диссоциация, в результате чего они проводят электрический ток.

Если измерить электропроводность растворов разных веществ, но одинаковой концентрации, то можно понять, что способность диссоциировать у них разная.

Например 0,1 М растворах NaOH, КОН, НС1, большая часть молекул подвергается диссоциации, тогда как в 0,1 М растворах 0,1 М диссоциации подвергаются незначительная часть молекул.

По способности проводить электрический ток вещества делятся на 2 группы.

1. Электролиты.
2. Неэлектролиты.

Вещества, растворы или расплавы которых проводят электрический ток, называются электролитами. К ним относятся растворимые в воде соли, кислоты и щелочи.

Электролиты только при растворении в воде или при расплавлении проводят электрический ток. В кристаллическом состоянии они плохо или вообще не проводят электрический ток.

Вещества растворы или расплавы которых не проводят электрический ток называются неэлектролитами.

К ним относятся дистиллированная вода, метан, углекислый газ, сахар, спирты, вещества с неполярной ковалентной связью.

Степень диссоциации. Полные и сокращенные ионные уравнения.

На прошлых занятиях мы доказали, что электрический ток, проведенный через растворы с разной концентрацией, по разному разделяет их на ионы. То есть, в растворах хлорида натрия с разными концентрациями яркость лампочки не меняется, тогда как, при проведении электрического тока через концентрированный раствор уксусной кислоты лампочка не загорается, но при разбавлении яркость повышается. Это показывает, что в растворах молекулы не всегда полностью распадаются на ионы.

На основе опыта, можно прийти к следующему выводу:

1. Некоторые электролиты вне зависимости от концентрации полностью распадаются на ионы. К таким электролитам относятся вещества с ионной кристаллической решеткой.
2. Малодиссоциируемые электролиты диссоциируют при разбавлении их растворов.
3. Отношение количества диссоциированных молекул на количество общих молекул называется степенью диссоциации и обозначается через (альфа)

• - степень диссоциации;
• n - количество диссоциированных молекул;
• N - общее количество молекул в растворе.

Представим, что в водном растворе из 1 моль серной кислоты половина молекул подверглась диссоциации, исходя из вышеуказанной формулы можно вычислить степень диссоциации.

Иногда степень диссоциации выражается в процентах

Электролиты условно делятся на 3 группы

1. Слабые электролиты:
2. Электролиты средней силы:
3. Сильные электролиты: ильный электролит

 

Степень диссоциации зависит от природы растворителя и растворенного вещества, концентрации раствора и температуры.
 

Ионообменные реакции

Реакции, протекающие в растворах электролитов, происходят при участии ионов, полученных из этих электролитов. При составлении уравнений ионообменных реакций сильные электролиты пишем в диссоциированном виде, тогда как формулы слабых электролитов, плохо растворимых и газообразных веществ пишутся в молекулярном виде.
 

1.    Реакции, протекающие с образованием осадка:
(молекулярное уравнение)
(полное ионное уравнение)
(сокращенное ионное уравнение)

2.    Реакции, протекающие с образованием газообразного вещества:

 

3.    Реакции, протекающие с образованием малодиссоциирующего вещества:

 

4.    Реакции, протекающие с одновременным образованием осадка, газообразного вещества и малодиссоциируемого вещества:

 

Пример №45

Рассчитайте количество ионов хлора в растворе если количество недиссоциированных молекул равно 50 (=80%)
 

Решение задачи: Степень диссоциации равно 80%. Это значит из 100% молекул только 80% распадаются на ионы а остальные (100-80=20) 20% не диссоциируются.
                                           Общие молекулы (100%)

 

Если 50 недиссоциированных молекул составляют 20% то нам нужно найти сколько диссоциированных молекул приходятся на 80%
80 %   ...  20 %
х  ...    50 молекул
 растворенных молекул

Теперь напишем процесс диссоциации хлорида кальция

Если из 1 молекулы соли образуется 2 иона хлора то из 200 молекул образуется х ионов хлора:

Значит в растворе образовалось 400 ионов хлора
Ответ: 400
 

Пример №46

Определите количество нитрит ионов в 3 л 0,4 М растворе азотистой кислоты ( =0,5%)
 

Решение задачи: Воспользуясь объемом и молярной концентрацией раствора определим количество азотистой кислоты:

Если 1,2 моля азотистой кислоты составляют 100% то определим количество диссоциированных молекул, которые составили 0,5%:

распались на ионы

Теперь напишем процесс диссоциации азотистой кислоты:
Если из 1 образуется 1 из 0,006 молей образуется 0,006 моля

Определим число ионов:

Ответ:

 

Гидролиз солей и среда растворов

Соли в большинстве случаев образуются в результате реакций между основаниями и кислотами. Гидролизом называется химическое взаимодействие солей с водой, приводящее к образованию слабого электролита. Если рассматривать соли как продукт взаимодействия оснований и кислот, то их можно разделить на 4 типа:
 

Гидролиз - это образование слабого электролита из взаимодействия ионов, образующихся при растворении солей, в воде.

Теперь разберем гидролиз солей относящихся вышеназванным группам:
 

1.    Гидролиз соли, образованной сильной кислотой и слабым основанием называется гидролизом по катитону:

или

При этом образуются слабые электролиты гидроксид аммония и гидроксид магния. Из сокращенной ионной уравнении видно, что в растворе в избытке появляются ионы водорода, среда становится кислой.

2.    Гидролиз соли,образованной слабой кислотой и сильным основанием называется гидролизом по аниону.

В результате взаимодействия ацетат иона с водой образуется слабый электролит (уксусная кислота). В растворе идёт накопление гидроксид ионов, что способствует установлению щелочной среды.
 

3.    Гидролиз соли, образованной слабой кислотой и слабым основанием называется гидролизом и по катиону и по аниону

В результате гидролиза ацетата аммония слабые электролиты образовались и из катиона из аниона Среда раствора будет нейтральной.
 

4.    Соли, образованные сильной кислотой и сильным основанием, гидролизу не подвергаются, т.к. при взаимодействии с водой не образуют слабых электролитов.

Следует отметить, что практически нерастворимые в воде вещества не подвергаются гидролизу. Например не взаимодействует с водой, следовательно, не подвергается гидролизу.
 

Гидролиз солей зависит от температуры, концентрации раствора и среды раствора.

Гидролиз солей зависит то температуры, концентрации и среды раствора. Процесс гидролиза ускоряется при повышении температуры, а при понижении замедляется. Например, при высокой температуре продукты питания быстро портятся. Этому способствуют именно процесс гидролиза. Чтобы замедлить этот процесс продукты хранят в холодильниках.

Чем больше количество воды в растворах солей, тем быстрее соль подвергается гидролизу. Из этого вытекает, что путем разбавления раствора можно ускорить процесс гидролиза. Для того, чтобы замедлить его, нужно уменьшить концентрацию воды в растворе.

Если в результате гидролиза среда раствора становится щелочной, для того чтобы ускорить реакцию нужно добавить кислоту для связывания
образованной щелочи. При этом щелочи становится меньше и скорость реакции увеличится. Например среда раствора щелочная, для ускорения гидролиза в раствор нужно добавить 1-2 капли уксусной кислоты или раствора Для замедления реакции добавляем NaOH или

 

Водородный показатель (pH)

Вода очень слабый электролит, который при незначительном количестве распадается на ионы водорода и гидроксида. Этот процесс выглядит следующим образом:
Равное количество ионов водорода и гидроксида обеспечивает нейтральную среду раствора.

Если концентрация ионов водорода будет больше то раствор будет иметь кислую реакцию. Если будет больше ОН ионов, то среда будет щелочной. В химии среда раствора выражается по следующей таблице. Эта таблица основана на концентрации ионов и выражается через pH
Рн

В медицине показатель pH имеет особое значение. pH показатель жидкостей в живом организме имеет следующие значения: pH крови равен 7,4 , pH желудочного сока 1,5-2, pH слюны б,8-7,4. Отклонение pH от этих значений говорит о патологическом состоянии организма.

Реакция некоторых солей на индикаторы

Растворы

Если мы положим в одну из Зх пробирок с водой сахар, во вторую NaCl и в третью то через определенное время можно наблюдать изменение физико-химических свойств воды. Например, вода в которую положили кусочки сахара приобретает сладкий вкус, вода с солью будет иметь соленый вкус, а перманганат калия воде предаст розовый цвет. В результате этого меняются цвет , вкус, плотность, температура замерзания и другие свойства воды. Несмотря на прозрачный цвет смесей (с солью и сахаром) как у воды, их нельзя считать обычной водой. Эти смеси называют растворами. Так как сахар, соль и перманганат калия растворили в воде их называют растворенными веществами, а воду растворителем.

Давайте рассмотрим процессы имеющие место в нашем эксперименте. Сначала у нас в Зх пробирках находилась чистая вода. Затем в первую из них мы положили сахар и перемешали. В результате кристаллы сахара стали невидимыми. Причиной этому является то, что под воздействием молекул растворителя сахар распадается до мельчайших единиц (молекул), которые равномерно распределяются между молекулами воды. В результате поверхностная граница, разделяющая вещества друг от друга, исчезает и такие системы называются гомогенными.

В пробирке с хлоридом натрия протекает точно такой же процесс. Под действием молекул воды NaCl диссоциируется на ионы Молекулы воды окружают эти ионы и образуются гидратированные ионы, которые равномерно распределяются и образуют единый раствор.

В третьей пробирке с протекают точно такие же процессы, и мы не сможем отличить молекулы растворителя и растворенного вещества.
Значит в гомогенной системе молекулы или ионы растворенного вещества равномерно распределяются по поверхности растворителя и тем самым обеспечиваются одинаковые физические свойства и состав раствора.
 

Раствор - гомогенная система(одинаковые физические и химические свойства по всей поверхности), образованная в результате взаимодействия молекул растворителя и растворенного вещества.

Мы в повседневной жизни каждый день сталкиваемся с растворами. Например, чай которого повседневно употребляем, может стать ярким примером раствора. В данном случае растворитель вода. А роль растворенного вещества выполняет не лепестки чая, а вещества дающие цвет и вкус чаю. В качестве другого примера возьмем натуральные воды. Горные и родниковые воды или воду в наших кранах нельзя считать химически чистой. Потому что растворенные соли в составе этих вод придают ей определенный вкус. Поэтому будет правильным называть их растворами. Только дистиллированная вода считается химически чистой и не имеет вкуса.

Растворы нельзя рассматривать только как смесь растворителя и растворенного вещества. Растворы по свойствам стоят в промежутке между смесями и химическими соединениями. Точнее:

• Растворы подобно смесям в своем составе имеют несколько веществ и тем самым отличаются от химических соединений.
• Непостоянство состава приближает их к смесям и отдаляет от химических соединений

В растворах происходит равномерное распределение молекул растворителя и растворенного вещества и состав раствора в любой части одинаковый. Этим свойством они похожи на химические соединения и отличаются от смесей (смеси не имеют одинакового состава по всей поверхности).

• Химическое соединение имеет свой определенный химический состав, физические свойства (плотность, температура плавления и замерзания).

Растворы можно разбавлять добавлением растворителя и концентрировать добавлением растворенного вещества. В результате меняются соотношения веществ в растворе что в свою очередь ведет к изменению плотности, температуры плавления и замерзания раствора. Увеличение количества растворенного вещества ведет к увеличению плотности и уменьшению температуры замерзания раствора.

• Изменение температуры химических соединений влияет на их агрегатные состояния, но при этом их состав не меняется. Состав раствора может меняться в результате изменения температуры. Например, если нагреть раствор соли, то вода улетучивается, а если продолжить процесс долгое время в конце может остаться только соль.
• Процессы протекающие при образовании растворов приближают их к химическим соединениям и отдаляют от смесей. Например, при образовании растворов наблюдаются уменьшение объема, выделение или поглощение тепла. Поэтому растворы не рассматриваются просто как смесь растворителя и растворенного вещества, а как физико-химический процесс.

Это все изображено в следующей таблице:

Растворы имеют большое значение в жизни человека. Переваривание питательных веществ в организме происходит в результате перехода их в растворы. Питательные вещества под воздействием ферментов растворяются и распадаются на молекулы. Этим способом облегчается всасывание молекул в кишечнике

Такие жидкости как кровь,лимфа играют важную роль в жизнедеятельности организма и относятся к водным растворам.
При протекании химических реакций растворы играют важную роль. Многие реакции осуществляются в растворах. Потому что именно в растворах вещества распределены на молекулы и легче реагируют между собой.

Растворимость веществ

Способность веществ растворяться в растворителях называется растворимостью.

В повседневной жизни мы видели образование растворов путем растворения веществ. Например мы видели как растворением поваренной соли получают соленую воду, растворяя сахар в воде - сладкую, а раствор йода в спирте получают путем растворения кристаллов йода в спирте.

Вещества не растворяются в растворителе в бесконечном количестве, а существует определенный предел. Для выражения этого предела нужно знать такое понятие как коэффициент растворимости.

Максимальная масса вещества растворенного в 100 гр растворителя в определенной температуре называется коэффициентом растворимости (растворимость). Коэффициент растворимости обозначается буквой S. Например, растворимость хлорида натрия при 20 °C равна 36 и это выражается как S (20 °C) = 36

Вещества по способности растворятся в воде делятся на 3 группы:

1. Хорошо растворимые вещества: (в 100 г растворителя растворяется больше 10 г). КСl, сахар, спирт, газы (НСl,
2. Малорастворимые: (в 100 г растворителя растворяется меньше 10 г). бензин, газы
3. Практически нерастворимые вещества: (в 100 г растворителя растворяется 0,01 г или меньше ) золото, серебро, медь.

Способность растворятся зависит от некоторых факторов: например, от природы вещества и температуры.
 

У большого количества твердых веществ растворимость увеличивается с повышением температуры, так как растворение этих веществ происходит с поглощением теплоты. Поэтому повышая температуру можно увеличить растворимость.

Например: если мы положим ложку соли в воду и перемещаем, то соль медленно начинает растворятся, а нерастворившаяся часть оседает на дне стакана. Если мы точно такое же количество соли положим в стакан с горячей водой, то растворение протекает намного интенсивнее. Из этого вытекает что растворимость твердых солей прямо пропорционально и зависит от температуры и с ее повышением больше соли растворяется в растворителе.
 

Растворимость газообразных веществ отличается от растворимости твердых веществ. То есть с повышением температуры их растворимость уменьшается. При понижении температуры растворимость увеличивается.

Например: возьмем стакан воды и положим его в холодильник(t°= 3 °C). Через 30 минут стакан с водой оставляем при комнатной температуре(t°= 20-25 °C). Через некоторое время можем наблюдать за появлением маленьких пузырьков в стакане. Это означает что газы которые растворились в воде при низкой температуре начали обратно переходить в газообразное состояние при высокой температуре.
 

На растворимость газообразных веществ влияет и давление. С увеличением давления растворимость газов увеличивается, а с уменьшением давления растворимость уменьшается.

Влияние давления на растворимость газов можно наблюдать на примере водолаза. Чем глубже ныряет водолаз, тем больше увеличивается количество растворенных в крови газов и другие). Как только водолаз начинает обратно выплывать из глубины воды, то из-за уменьшения давления газы раннее растворившиеся в крови выделяются через легкие водолаза. Поэтому выход водолаза из глубины должен быть медленным. Если водолаз будет быстро подниматься из глубины, то газы не успеют выделится через легкие и поражают кровеносные сосуды мозга и других органов. Если своевременно не оказать помощь то водолаз может погибнуть

Из-за того что газы хорошо растворимы при высоком давлении и низкой температуре, данное свойство используется при газировке напитков. Когда мы открываем бутылку, то за счет уменьшения давления и увеличения температуры, газы начинают быстро выделяться за пределы бутылки.
Вышеуказанные примеры утверждают что растворимость газов зависит прямо пропорционально давлению и обратно пропорционально температуре.

Для определения растворимости вещества в стакан наливают 100 гр дистиллированной воды, измеряют температуру и добавляя немного вещества
перемешивают. Если вещество полностью растворится то добавляют еще вещество и перемешивают. Добавление вещества продолжается до момента когда избыточное количество вещества осядет на дне стакана. Затем вычисляют какая масса вещества растворилось в 100 гр воды и эта масса называется коэффициентом растворимости данного вещества при данной температуре. Полученный раствор называется насыщенным.

По количеству растворенного вещества растворы бывают:

1. Насыщенный раствор
2. Ненасыщенный раствор
3. Пересыщенный раствор

Раствор, в котором при данной температуре нельзя растворить больше растворенного вещества называется насыщенным.
Если при данной температуре можно растворить еще, некоторое количество растворенного вещества то, такой раствор называется ненасыщенным. Количество вещества в ненасыщенном растворе всегда меньше чем количество вещества в насыщенном растворе данного вещества при такой же температуре. Обычно мы работаем именно с ненасыщенными растворами.
 

В пересыщенных растворах количество растворенного вещества оказывается больше чем в насыщенном растворе данного вещества при данной температуре.

Например: растворимость хлорида аммония при 20 °C равна 37,2 гр и при 30 °C равна 41,4 г S(20°C) = 37,2 S(30°C) = 41,4

Если при 20° в 100 гр воды положить 35 г и перемешать то соль быстро растворится и образуется ненасыщенный раствор при данной температуре.

Если сюда же добавить 2,2 гр и перемешать то образуется насыщенный раствор при 20°;

Если мы добавим в этот же раствор при 20° 4,2 гр и перемешиваем то соль не растворится и избыточное 4,2г соли выпадает в осадок: (примечание: при 20° в 100 гр воды растворится 37,2гр соли)

Теперь, чтобы растворить 4,2 гр соли нагреваем раствор. Когда температура достигнет до 30° то 4,2 гр соли растворится и образуется насыщенный раствор для 30°:

Когда мы перестанем нагревать раствор то он начинает охладевать до прежней температуры. Когда охладится до 20°, то избыточные 4,2 г соли (растворенные при 30°) находятся в составе раствора.

Этот раствор называется пересыщенным, так как содержит больше соли чем то количество, которое считается максимальным при 20°. Этот раствор очень нестабильный, поэтому при каком либо механическом воздействии извне (перемешивание, трение стеклянной палочкой об стенки сосуда) сразу выпадает 4,2 г соли в осадок, и вновь образуется насыщенный раствор.

Пример №47

При растворении 148 г в 200 г воды при 20 °C образуется насыщенный раствор, определите коэффициент растворимости данной соли при 20 °C.
 

Решение задачи

В 200 гр воды растворилось 148 гр и образовался насыщенный раствор. (количество соли соответствовало коэффициенту растворимости данной соли).

Значит в 200гр воды растворилось 148 г соли и нужно определить массу соли которая растворится в 100 г воды (коэффициент растворимости считается при 100 г растворителя).

Растворитель растворенное вещество  Насыщенный раствор
200 г воды 148 г  348 г раствор
100 г воды х г

Значит в 100 г воды при 20 °C растворится 74 гр и это значение называется коэффициентом растворимости.
Ответ: 74 г
 

Пример №48

Сколько гр растворится в 500 г воды с образованием насыщенного раствора если при 25 "С коэффициент растворимости данной соли равна 91,6.

Решение задачи:

Растворимость (максимальная масса соли которая растворится в 100 г воды) равна 91,6 г. Для образования насыщенного раствора в 100 г нужно добавить 91,6 г соли то сколько г соли нужно добавить в 500 г воды для образования насыщенного раствора:
Растворитель  Растворимое вещество насыщенный раствор
100 г воды  91,6 г  191,6 г раствора
500 г воды х г

Значит в 500 г воды нужно растворить 458 г для образования насыщенного раствора при 25 °C.
Ответ: 458 г
 

Пример №49

Найдите массу воды в которой нужно растворить 144 г для образования насыщенного раствора, если при 80 °C коэффициент растворимости данной соли равна 45.
 

Решение задачи:

Растворимость (максимальная масса соли которая растворится в 100 г воды) равна 45. Для образования насыщенного раствора в 100 г нужно добавить 45 г соли то сколько грамм воды нужно для растворения 144 г соли:
Растворитель Растворимое веществонасыщенный раствор
100 г воды45 г 145 г раствора
X144 г

Растворением 144 гр в 320 гр воды можно получить насыщенный раствор при 80 °C
Ответ: 320 г
 

Пример №50

Сколько грамм КCl нужно добавить в ненасыщенный раствор, полученный растворением 70 г КСl в 350 г воды для получения насыщенного раствора при 20 °C, если коэффициент растворимости данной соли равен 34?
 

Решение задачи:
Растворимость КСl (максимальная масса соли которая растворится в 100 г воды) равна 34. Если для образования насыщенного раствора в 100 г воды нужно добавить 34 г соли, то сколько грамм соли нужно растворить в 350 г воды:
Растворительрастворимое вещество насыщенный раствор
100 г воды34 г КСl 134 граствора
350 г воды х г   

 
Значит при 20 °C в 350 г воды растворится 119 г соли с образованием насыщенного раствора. Сначала было растворено 70 гр соли в 350 г воды. Необходимая масса соли, которую еще нужно добавить, равна (119-70=49) 49 г. После добавления 49 г КCl можно получить насыщенный раствор из ненасыщенного.
Ответ: 49 г
 

Пример №51

Сколько грамм соли выпадет в осадок при охлаждении 336 г насыщенного раствора при 100 °C до 25 “С
 

Решение задачи:
При охлаждении раствора с 100 °C до 25 °C растворимость составит 10,5 и нерастворенная часть соли выпадет в осадок. Разность масс растворенной соли при высокой (34,4г) и низкой (10,5г) температуре является массой осадка.
Растворимость при 100 °C равна 34,4, в 100 г воды растворится 34,4 г соли. Масса насыщенного раствора (100+34,4=134,4) 134,4 г.

Когда раствор 100 °C охлаждается до 25 °C, растворимость составляет 10,5, нерастворенная соль в растворе, выпадает в осадок. Если мы от количества первоначально растворенной соли (34,4 г) отнимем - массу соли (10,5 г) образованную после охлаждения, мы можем найти, массу соли в осадке.

34,4 - 10,5=23,9 г осадка.

При охлаждении 134,4 г раствора, приготовленного при 100 °C, до 25 °C, выпадет 23,9 г осадка, а при охлаждении 336 г раствора выпадает сколько г (х) осадка?
Насыщенный раствор (100 °C)   соль выпадает в осадок
134.4 г  23,9 г 336.23,9

336 г х

При охлаждении 336 г раствора из 100 °C до 25 °C выпадет в осадок 59,75 г

Ответ: 59,75 г.

Концентрация раствора и способы её выражения

Значение, выражающее массу или количество вещества, растворенного в определенной массе или в определенном объеме раствора, называют концентрацией раствора.

Если в растворе количества растворенного вещества много, а воды мало то такие растворы называют концентрированными. Концентрированные растворы имеют большую плотность, подвижность или вязкость их низка. Из-за малого количества растворенного вещества в низко концентрированных, то есть в разбавленных растворах, плотность, подвижность и вязкость раствора будут близки таковым чистой воды. Такие понятия (выражения), как концентрированный раствор или низкоконцентрированный (разбавленный) раствор, не дают точную информацию о количестве растворенного вещества в растворе.

Познакомимся со следующими способами для точного выражения концентрации растворов:

1. Процентная концентрация
2. Молярная концентрация
3. Нормальная концентрация
    

Процентная концентрация

Процентная концентрация показывает сколько процентов составляет растворенное вещество от массы раствора. Говоря иначе, показывает, сколько граммов растворенного вещества имеется в 100 г раствора. Например, говоря 15% процентный раствор сахара, мы понимаем, что в 100 г такого раствора имеется 15 г сахара и 85 г воды.

Процентная концентрация выражается символом .

Для определения процентной концентрации раствора, масса растворенного вещества делится на общую (сумма масс растворенного вещества и растворителя) массу раствора Для выражения в процентах, полученное значение умножают на 100.

- процентная концентрация;
- масса растворенного вещества
- масса раствора
 

Пример №52

Определите процентную концентрацию (%) раствора, полученного при растворении 30 г KCl в 100 г воды.
 

Решение задачи: при растворении 30 г КСl в 100 г воды получается 130 г (30+100=130) раствора:

Пользуясь этими данными, находим процентную концентрацию раствора на основе 1-формулы:

Ответ: 23 %

Если в условии задачи дается процентная концентрация (С%) и масса раствора то массу растворенного вещества находим следующей формулой:

Если дается процентная концентрация (С%) и масса растворенного вещества то можно определить сколько грамм раствора можно получить:
          
 

Пример №53

В какой массы воды нужно растворить 50 г для получения 40%-ного раствора?
 

Решение задачи:
Если для приготовления 100 г 40 % раствора необходимо 40 г  и 60 г растворителя ( то есть вода), то сколько грамм воды необходимо для 50г найдем через пропорцию

Ответ: 75 g
 

Пример №54

Какую массу нужно растворить в 150 г воды для получение 25%-ного раствора?
 

Решение задачи:

Если известно, что для приготовления 25 % раствора необходимо 25 г растворенного вещества и 75 г растворителя (то есть вода), то найдем сколько граммов нужно растворить в 150 г

Ответ: 50 г
 

Пример №55

Сколько граммов соли и воды необходимо для приготовления 500 г 30% раствора КВr?
 

Решение задачи:

Если известно, что для приготовления 30 % раствора нужно 30 г растворенного вещества, 70 г (100-30=70) растворителя ( то есть воды), то рассчитаем сколько г соли и воды нужно для приготовления 500 г такого
раствора:  

Ответ: 150 г; 350 г

В задачах вместо массы вещества могут дать его количество. В таких случаях, перемножав количество (n) растворенного вещества на его молярную массу (М), определим массу растворенного вещества и продолжим решать задачу.
 

Пример №56

Определите процентную концентрацию (%) раствора, полученного при растворении 0,5 молей в 97 г воды.
 

Решение задачи:
Сначала найдем массу растворенного вещества:
= 106 г/моль

При растворении 53 г в 97 г воды образуется 150 г (53+97=150) раствора:

Пользуясь массой растворенного вещества и общей массой раствора, найдем процентную концентрацию раствора по 1- формуле:

Ответ: 35,33%

Если в воде растворяются вещества, вступающие с ней в реакцию (например, Na, то процентная концентрация раствора определяется по массе нового вещества, полученного в ходе реакции.
 

Пример №57

Рассчитайте процентную концентрацию (%) раствора, полученного при растворении 31 г в 69 г воды.
 

Решение задачи:
При растворении 31 г в 69 г воды образуется (31+69=100) 100 г раствора:

Являясь основным оксидом, при растворении вступает в реакцию с водой и образует NaOH.

Если известно по уравнению реакции, что при растворении 62 г в воду образуется 80г NaOH, то найдем массу NaOH, который образуется из 31 г :

Растворенным веществом в растворе после окончания реакции является NaOH, и расчет процентной концентрации ведется по массе этого вещества:

- процентная концентрация;
- масса растворенного вещества;

- масса раствора.

Ответ: 40%
 

Пример №58

Определите процентную концентрацию (%) раствора, полученного при растворении 5,6 л (н.у.) в 200 г воды.
 

Решение задачи:

Сначала, пользуясь объемом найдем его массу:

При растворении 16 г в 200 г воды образуется 216 г (16+200=216) раствора:

Являясь кислотным оксидом, при растворении в воде образует

Если известно по уравнению реакции, что при растворении 64 г в воде образуется 82 г то сколько граммов образуется из 16 г :

Растворенным веществом в растворе после окончания реакции является и расчет процентной концентрации ведется по массе этого вещества:

- процентная концентрация;
- масса растворенного вещества;
- масса раствора

Ответ: 9,4 %
 

Пример №59

Рассчитайте процентную концентрацию (%) раствора, полученного при добавлении 58,5 г калия в 100 г воды.
 

Решение задачи: Калий, являясь активным металлом, при опускании в воду реагирует с водой и образует КОН, при этом выделяется газообразный водород:

Если по уравнению реакции при реагировании 78 г К образуется 112 г КОН и выделяется 2 г газа водорода, то определим массу КОН и водорода, которые образуются из 58,5 г К:

Если при растворении 58,5 г К в 100 г воды из раствора выделяется 1,5 г водорода в виде газа, то масса раствора после реакции станет 157 г (58,5+100-1,5=157):

Растворенным веществом в растворе после окончания реакции является КОН, и расчет процентной концентрации ведется по массе этого вещества:

- процентная концентрация;
- масса растворенного вещества;
- масса раствора

Ответ: 53,5 %
 

Пример №60

Определите процентную концентрацию раствора, полученного при смешивании 200 г 5% и 500 г 20% растворов NaCl.
 

Решение задачи: при смешивании двух растворов NaCl с разными концентрациями, образуется раствор с новой концентрацией.
Найдем массу соли в каждом из растворов.
Рассчитаем массу соли в 5 % растворе массой 200 г:

Рассчитаем массу соли в 20 % растворе массой 500 г:

Теперь, суммируя массы солей первого и второго раствора, найдем массу растворенной соли в полученном растворе:
10 + 100 = 110 г растворенная соль
Массу первого раствора (200 г) прибавив к массе второго раствора (500 г) найдем общую массу полученного раствора: 200+500= 700г

Стали известны общая масса нового раствора и масса растворенного в ней соли, теперь найдем процентную концентрацию раствора по 1-формуле:

Ответ: 15,7 %

Если в какой-нибудь раствор добавляется другое вещество, сначала нужно определить, реагирует ли растворенное вещество исходного раствора с водой.
Если вещества, данные в условии задачи, реагируют друг с другом, то сначала пишется уравнение реакции. Вещество, полученное в ходе реакции, считается за растворенное вещество в растворе.

Если в ходе реакции выпадает осадок (или образуется газ), то путем вычитания от массы общего раствора массу осадка (газа) находится масса раствора. Осадок и газ не входят в состав раствора, они считаются веществами вне раствора.
 

Пример №61

Определите процентную концентрацию (%) раствора, полученного при смешивании 416 г 20% раствора и 568 г 10% раствора
 

Решение задачи: с первого раза может показаться, что это задача похожа на предыдущие, но в отличии от них, здесь смешиваются растворы двух различных веществ, то есть растворы В этом случае между растворенными веществами произойдет реакция и при этом выпадет осадок:

После окончания реакции NaCl в растворе будет в растворенном виде, и процентная концентрация раствора определяется по массе этого вещества.
Сначала в растворе найдем массу и количество растворенного вещества:

Дальше найдем массу и количество растворенного вещества в растворе

Значит, в 1-растворе 0,4 моль во втором растворе 0,4 моль были в растворенном виде, то есть мольное соотношение веществ равно 1:1. На основе уравнения реакции можем сказать, что вещества и вступающие в реакцию, были в стехиометрических соотношениях (то есть в таких количествах, которые хватили бы для полного окончания реакции).
Теперь на основе этой реакции найдем массу осадка выпадающегося в осадок в ходе реакции, и массу NaCl, который остается в растворе:





Найдем массу полученного раствора: для этого от суммы исходных растворов отнимаем массу образованного осадка.

Стали известны масса нового раствора и масса растворенного в ней соли, теперь найдем процентную концентрацию раствора по 1- формуле:

Значит, после смешивания растворов образуется 5,25% раствор NaCl.
Ответ: 5,25 %

Взаимосвязь между процентной концентрацией, массой, объемом и плотностью раствора

Во время решения задач по растворам, мы встречаемся с понятиями объем и плотность раствора.

Для определения плотности раствора необходимо разделить общую массу раствора на его объем (V) данного раствора.
(4)
 

Масса раствора  обычно измеряется в граммах(г) или килограммах(кг); объем раствора (V) измеряется в миллилитрах (мл) или литрах (л);плотность раствора (р) измеряется в величине г/мл или кг/л.

Исходя из вышеуказанной формулы, для определения массы всего раствора будем умножать плотность раствора (р) на его объем (V)
(5)

Объем (V) раствора можно найти, разделив общую массу раствора на плотность (р) раствора.
(6)

Пример №62

Определите процентную (%) концентрацию раствора объемом 200 мл (р= 1,12 г/мл), в котором содержится 44,8 г КОН.

Решение задачи: Сначала находим массу раствора, используя формулу (5):
= 224 г раствора
С помощью формулы (1) можно определить процентную концентрацию раствора:

Ответ: 20 %
 

Пример №63

Определите массу (г) растворенного вещества, содержащегося в 177,5 мл 40%-ного раствора с плотностью р= 1,2 г/мл.
 

Решение задачи: С помощью формулы (5), умножив объем раствора на его плотность определяем массу раствора:

Если общую массу раствора (213 г) принять как 100%, и составить пропорцию относительно 40%, которая показывает массовую долю растворенного вещества, мы сможем найти массу растворенного вещества.

Значит в растворе содержалось 85,2 г 

Ответ: 85,2 г.

 

Молярная концентрация

Количество или число молей растворенного вещества в составе 1 литр раствора, называется его молярной концентрацией..

Для определения молярной концентрации нужно разделить измеренное в молях количество(n) растворенного вещества на объем раствора взятого в литрах.

• - молярная концентрация (моль / л или м)
• n - количество растворенного вещества (моль)
• V - объем раствора (л)

Величиной измерения молярной концентрации служат единицы измерения как моль/литр или М (молярность). Количество растворенного вещества измеряется в молях. Объем раствора для расчета молярной концентрации должен быть переведен в литровое значение, если он ранее был измерен другой единицей измерения (мл,

Из данной формулы можно вывести формулу для определения количества (n) растворенного вещества в растворе: нужно умножить измеренный в литрах объем раствора(V) на молярную концентрацию данного раствора

А для определения объема раствора (V) (объем будет определен в литрах) нужно разделить количество вещества (n) на молярную концентрацию данного раствора.

 
 

Пример №64

0,75 моль растворили в определенном количестве воды, в результате чего образовался раствор объемом 250 мл. Определите молярную концентрацию полученного раствора.
 

Решение задачи: 0,75 моль растворен в определенном объеме воды в результате чего был получен раствор объемом 250 мл, здесь единица измерения объема не соответствует к требованиям, нам нужен объем в литрах. Переведем его в литры 250 мл : 1000 = 0,25 литра. Далее используем формулу:

Значит молярная концентрация 0,25 литрового раствора в котором содержится 0,75 моль равна к 3 моль/литр (Молярный раствор).
Ответ: 3 М

Если в данной задаче отсутствует количество(n) растворенного вещества, но указана масса растворенного вещества вещества) а также известно название вещества, нужно через простую формулу перевести массу вещества на его количество(n). Для этого мы делим массу вещества на его молекулярную массу.

 

Пример №65

Определите объем (л) 0,1 М-ного раствора, который содержит 7,3 г НСl.
 

Решение задачи: Определим количество соляной кислоты:

Далее найденное количество можно использовать в нижеуказанной формуле и найти молярную концентрацию раствора:

Ответ: 2 л
 

Пример №66

К дистиллированной воде добавили и получили 300 мл 2 М-ный раствор. Определите массу (г) использованного для приготовления данного раствора.

Решение задачи: Используя объем и молярную концентрацию раствора определяем количество (моль)

Определив количество можно приступить к определению его массы (г) с помощью нижеприведенной формулы:

Значит для образования 300 мл 2 М-ного раствора требуется взять 124,8 г соли .
Ответ: 124,8 г

Если в условиях отсутствует объем раствора, но дана масса раствора и его плотность, то можно найти объем. Для этого массу раствора нужно поделить на плотность (р) данного раствора:

Стоит учесть, что обычно, в задачах, плотность раствора дается в единице измерения г/мл.

Иногда плотность дается в единице измерения кг/литр, в таком случае нужно перевести массу раствора в килограммы, если оно уже не указано в килограммах.
 

Пример №67

Определите молярную концентрацию (моль/л) раствора с плотностью (р=1,12 г/мл), полученного растворением 36,5 г HCl в 300 г воды:
 

Решение задачи:
В начале нужно определить количество(моль) растворенного вещества:
1 моль
Теперь рассчитаем массу раствора: если в 300 гр. воды растворено 36,5
гр. НСl то получаем раствор с массой 336,5 г (300+36,5=336,5).

Используя плотность, данную в условиях задачи, находим объем раствора:

Мы нашли количество растворенного вещества и объем раствора для определения молярной концентрации раствора по формуле:

Ответ: 3,33 М

 

Нормальная концентрация

Нормальная концентрация - количество эквивалентов данного вещества в 1 литре раствора.

Для изучения нормальной концентрации, необходимо овладеть понятием количество эквивалентов растворенного вещества и как его определить.
Количество эквивалентов растворенного вещества - отношение массы растворенного вещества (m) к его эквивалентной массе (Е).

• - эквивалентное количество вещества (г/экв.);
• m - масса растворенного вещества (г);
• Е - Эквивалентная масса растворенного вещества (экв).
   

Пример №68

Определите эквивалентное количество (г/экв) 24,5 г
Сначала рассчитаем эквивалентную массу

- эквивалент кислоты (г);
- молярная массы кислоты;
n (Н) - число водорода, который может заместится на атом металла.

Теперь мы находим эквивалент на основе этой формулы:
 0,5 г/экв
Ответ: 0,5 г/экв
 

Для определения нормальной концентрации количество эквивалентов растворенного вещества делим на объем (V) этого раствора.

• - нормальная концентрация раствора (N);
• - эквивалентное количество растворенного вещества(г/экв);
• V - Объем раствора (л).

Единицей измерения нормальной концентрации является N (нормальный раствор), объем раствора измеряется в литрах.
Для определения количество эквивалентов растворенного вещества нормальную концентрацию раствора умножаем на объем раствора (V).

Для определения объема раствора (V), количество эквивалентов растворенного вещества делим на нормальную концентрацию раствора.

 

Пример №69

Определите нормальную концентрацию 5 л раствора, содержащего 3 г/экв НСl. Отв: 0,6 Н.
 

Решение задачи:

Пользуясь значениями объема раствора и количества эквивалента растворенного вещества, определим нормальность раствора:
 
Нормальная концентрация раствора 0,6 Н.
Ответ: 0,6 И
 

Пример №70

Определите нормальную концентрацию (Н) раствора (р=1,003 г/мл), полученного при добавлении в 5000 г воды 17,1 г
 

Решение задачи:
Находим эквивалентную массу

- эквивалентная масса основания

- молярная масса основания

n - число ОН групп

Находим количество эквивалента растворенного вещества:
=
При растворении в 5000 г воды 17,1 г образуется 5017,1 г (5000+17,1=5017,1) раствора.

Нам известны значения массы и плотности раствора, пользуясь ими находим объем раствора:

Эквивалентное количество растворенного вещества делим на объем раствора и получим нормальную концентрацию раствора:
     
Нормальная концентрация приготовленного раствора равна 0,04 H.
Ответ: 0.04 Н
 

Пример №71

Определите объем (л) 0,2 Н раствора, содержащего 9,8 г
 

Решение задачи: находим эквивалентную массу

- эквивалентная масса кислоты;
- молярная масса кислоты;
n (Н) - число водорода, которое может заместиться
на атом металла.

Пользуясь массой находим её эквивалентное количество:

Эквивалентное количество делим на нормальную концентрацию этого раствора и находим объем раствора
  
Ответ: 1 л

 

Взаимосвязь процентной и молярной концентраций

Если по условии задачи известна процентная концентрация и необходимо определить молярную концентрацию раствора, произведение процентной концентрации (С%) и плотности раствора (р) умножаем на 10 и делим на молярную массу (М) растворенного вещества.

• - молярная концентрация;
• - процентная концентрация;
• М - молярная масса растворенного вещества;
• - плотность раствора.

Если по условии задачи известна молярная концентрация  и необходимо определить процентную концентрацию  раствора, произведение молярной концентрации и молярной массы (М) растворенного вещества делим на произведение плотности раствора (р) и 10.

• - молярная концентрация;
• - процентная концентрация;
• М - молярная масса растворённого вещества;
• р - плотность раствора.

С помощью этих формул можно определить молярную концентрацию, когда имеется процентная концентрация, таким же образом процентную концентрацию, когда имеется молярная концентрация.

Если в условии задачи известна процентная и молярная концентрация, по вышеуказанной формуле можно определить плотность раствора(р): произведение молярной концентрации  и молярной массы (М) растворенного вещества делим на произведение процентной концентрации и 10.

Если в условии задачи известна процентная, молярная концентрации и плотность раствора неизвестного вещества, можно определить молярную массу растворенного вещества и его название: произведение процентной концентрации (С%) и плотность раствора (р) умножаем на 10 и делим на молярную концентрацию растворенного вещества

 

Пример №72

Определите молярную концентрацию 20% раствора (р=1,25г/мл) КОН.
 

Решение задачи:
=
Ответ: 4,46 М
 

Пример №73

Определите процентную концентрацию 1,5 М раствора (р=1,26г/мл)

Ответ: 7,5 %
 

Пример №74

Определите плотность 20,2 % раствора с молярной концентрацией 2,5 М.

Плотность раствора 1,25 г/мл.
Ответ: 1,25 г/мл
 

Пример №75

Определите неизвестное вещество, если молярная концентрация его 16% (р=1,4 г/мл) раствора 4 М?
 

Решение: Растворенное вещество с молярной массой 56г/моль, это -КОН. (примечание: Fе также имеет молярную массу 56г/моль, но не растворяется в воде и не образует раствор. Поэтому Fe не принимается в качестве правильного ответа)

 =56 г/моль
Ответ: КОН

 

Взаимосвязь процентной и нормальной концентраций

Если по условии задачи известна процентная концентрация и необходимо определить нормальную концентрацию раствора, произведение процентной концентрации (С%) и плотности раствора (р) умножаем на 10 и делим на эквивалентную массу (Е) растворенного вещества.

• - нормальная концентрация;
• - процентная концентрация;
• Е - эквивалентная масса растворенного вещества;
•  - плотность раствора.

Если по условии задачи известна нормальная концентрация (С) и необходимо определить процентную концентрацию (С%)раствора, произведение нормальной концентрации и эквивалентной массы (Е) растворенного вещества делим на произведение плотности раствора (р) и 10.

• - нормальная концентрация;
• - процентная концентрация;
• Е - эквивалентная масса растворенного вещества;
• - плотность раствора.

С помощью этих формул можно определить нормальную концентрацию, когда имеется процентная концентрация, таким же образом процентную концентрацию, когда имеется нормальная концентрация.

Если по условию задачи известна процентная и нормальная концентрация, по вышеуказанной формуле можно определить плотность раствора(р): произведение нормальной концентрации и эквивалентной массы (Е) растворенного вещества делим на произведение процентной концентрации (С%)и 10.

Если по условии задачи известна процентная, нормальная концентрации и плотность раствора неизвестного вещества, можно определить эквивалентную массу растворенного вещества и его название: произведение процентной концентрации (С%) и плотность раствора (р) умножаем на 10 и делим на нормальную концентрацию растворенного вещества
 
 

Пример №76

Определите процентную концентрацию 4 Н раствора (р=1,306г/мл)
 

Решение задачи: мы можем легко решить эту задачу используя простую формулу: перехода от нормальной концентрации к процентной концентрации.
=32,67
Ответ: 10 %
 

Пример №77

Определите нормальную концентрацию 10% раствора (р=1,023г/мл)
 

Решение: Во-первых, мы находим эквивалентную массу

эквивалентная масса;

- молярная масса кислоты;
n (H) . число атомов водорода Н.

Мы можем легко решить эту задачу используя простую формулу: перехода от процентной концентрации к нормальной концентрации.
=3 Н
Ответ: 3 Н
 

Взаимосвязь молярной и нормальной концентраций

Если по условии задачи известна молярная концентрация и необходимо определить нормальную концентрацию молярную концентрацию умножаем на произведение валентности катиона (Vаl(кат)) растворенного вещества и числа катиона (n(кат)) в составе растворенного вещества.

• — нормальная концентрация (N),
• — молярная концентрация (М)
• Val (кат) — валентность катионов в составе растворенного вещества
• n (кат) — количество катионов, содержащихся в растворенном веществе

Если по условии задачи известна нормальная концентрация и необходимо определить молярную концентрацию нормальную концентрацию делим на произведение валентности катиона (Val(кат)) растворенного вещества и числа катиона (n(кат)) в составе растворенного вещества.

• - нормальная концентрация (Н);
• - молярная концентрация (М);
• Val (кат) - Валентность катиона в растворенном веществе;
• n(кат) - Число катионов в растворе.
   

Задача №3:

Определите нормальную концентрацию 1,5 М раствора Отв: 3 Н
 

Решение задачи:
Когда известна молярная концентрация раствора, можно определить нормальную концентрацию по следующей формуле: (в составе катионом является Na,его валентность -1,индекс - 2)

 ЗН
Таким образом, нормальная концентрация 1,5 М была равна ЗН.
Ответ: 3 Н
 

Задача №4:

Определите молярную концентрацию 7,5 Н раствора Отв: 2,5
 

Решение задачи:
Когда известна нормальная концентрация раствора известна, можно найти молярную концентрацию: (В составе катионом является Аl, его валентность - 3, индекс - 1)
=2,5 M
Таким образом, молярная концентрация 7,5 Н равна 2,5 М.
Ответ: 2,5 М

Скорость реакции

Химическая реакция - это процесс, в котором, от уже существовавших молекул, атомов или ионов образуются новые молекулы, атомы или ионы. Каждая химическая реакция имеет свою определенную скорость. Некоторые химические реакции завершаются довольно быстро, другие могут продолжатся часами и даже днями. Очень быстрые химические реакции обычно протекают со взрывом.

Процесс горения пороха, горение смеси воздуха и бензина в соотношении 15:1 (соответственно) внутри цилиндра двигателя внутреннего сгорания. Если смешать растворы хлорида бария и серной кислоты, за довольно короткое время образуется белый осадок сульфата бария.

А вот коррозия железа протекает довольно долго.

Это займет много времени, чтобы получить результат.
 

Средняя скорость реакции - это изменение концентрации реагентов или продуктов реакции на протяжении определенного времени. Для определения средней скорости реакции используют нижеприведенную формулу.

• - концентрация до начала реакции(моль/л);
• - концентрация после реакции(моль/л);
• - начальное время;
• - конечное время;
• - Средняя скорость реакции.

или

• - интервал между концентрациями веществ (моль/л)
• - время, затрачиваемое на реакцию (минута, секунда и час);
• - средняя скорость реакции (моль / л) в секунду, моль / л мин, м / ч).

Соотношение количества вещества на объем раствора называется молярной концентрацией.

• △ С - изменение концентрация вещества (моль/л)
• - разность (моль/л) между количествами вещества (в течение определенного периода времени)
• - объём колбы, где проводится реакция (л)

Принимая во внимание эту формулу, формула для определения средней скорости химических реакций выглядит следующим образом:

• - разница между количествами вещества (в течение определенного периода времени) (моль/л)
• V - объем реакционного сосуда (л)
• - время, затраченное на реагирование (минуты, секунды, часы)
• - средняя скорость реакции моль/л секунд, моль/л мин, моль/л, час)

Скорость химической реакции измеряется в величинах: “моль/ литр’минуты” или “моль/литр’секунд”.

Для определения скорости химической реакции нужно знать: 1) количество (моль) израсходованного(образованного) вещества; 2) продолжительность реакции; 3) объем сосуда, в котором проводится данная реакция.
 

Факторы влияющие на скорость химической реакции

Скорость химической реакции зависит от множества факторов, одним из них является природа реагирующих веществ.

Щелочные металлы реагируя с водой выделяют газообразный водород. Но реакции каждого щелочного металла с водой отличаются друг от друга по скорости.

Когда калий реагирует с водой, реакция протекает так быстро, что выделенная энергия приводит к мгновенному возгоранию водорода.

А вот литий реагирует с водой довольно медленно, водород выделяется мелкими пузырьками.

Разность скоростей выше рассмотренных реакций объясняется химической природой элементов К и Li, а в особенности, их свойством отдачи электронов. Калий имеет большой радиус атома чем атом лития. Из-за этого он легче и быстрее отдает свой внешний электрон другому атому, чем атом лития.
Скорость химической реакции помимо природы веществ, зависит также от концентрации реагирующих веществ.

Чтобы изучить это в опыте берем три пробирки. В первую пробирку наливаем 3 мл раствора тиосерной кислоты, на вторую 2 мл и на третью 1 мл раствора тиосерной кислоты. Далее, доливаем в каждую пробирку воду до объема 5 мл. В частности, в первую пробирку наливаем 2 мл, на вторую 3 мл, на третью 4 мл воды. Теперь в каждой пробирке находится по 5 мл растворов тиосерной кислоты, но в каждой пробирке её концентрация разная. Раствором с самой высокой концентрацией тиосерной кислоты является первый раствор. Потому что для образования данного раствора мы использовали 3 мл раствора тиосерной кислоты.

Затем, мы будем добавлять в каждую пробирку понемногу серной кислоты, для чистоты эксперимента, начнем это с третьего раствора.

Каким то образом, даже с учетом того, что мы серную кислоту сперва добавили в третий, потом во второй, и в конце в первый раствор, осадок сперва выпадает с первого раствора, затем со второго и в конце с третьего. В каждом случае перед выпадением осадка раствор мутнеет.

Для протекания химической реакции молекулы реагирующих веществ должны столкнуться между собой. Чем больше молекул (или других частиц) содержится в какой либо системе (определенный сосуд), тем меньше будет расстояние между этими молекулами, и это позволит им сталкиваться за более меньший промежуток времени. Большая концентрация молекул ускоряет протекание реакции. Если нашей целью является ускорение какой либо реакции, мы должны использовать реагенты с более высокой концентрацией.
Подробное рассмотрение влияния концентрации реагирующих веществ на скорость реакции рассмотрим на примере одной реакции, уравнение которой приводится ниже:

• аА + bВ = сС + dD

Здесь А и В вещества являются реагентами, они расходуются в ходе реакции. Вещества С и D являются продуктами реакции, хотя в начале реакции их концентрации равны нулю (точнее их нет), с протеканием реакции их концентрации увеличиваются, так как из А и В веществ образуются продукты С и D. В данном уравнении реакции «а», «b», «с», «d» - коэффициенты соответствующих веществ.

Реакция в которой из А и В веществ образуются С и D продукты называется прямой реакцией, а если из С и D веществ образуются А и В вещества, реакция называется обратной реакцией.

Зависимость скорости прямой реакции от концентраций реагирующих веществ отображается данной формулой:

Точнее, скорость реакции прямо пропорционально произведению в степенях равных стехиометрическим коэффициентам в уравнении реакции. Здесь - молярная концентрация вещества А, -молярная концентрация вещества В, k - константа скорости реакции.

Это формула применима для газообразных и растворимых веществ. Если наряду с ними в реакции участвуют твердые вещества , концентрация которых постоянна, то скорость реакции определяется только концентрацией газов. Твердые вещества реагируют не всей поверхностью, а только действующей ее частью(внешняя поверхность).Все мы знаем реакцию горения угля.

В реакции: С(тв.)+ скорость реакции горения угля прямо пропорциональна концентрации лишь кислорода: или Скорость реакции не зависит от концентрации угля. В реакции участвует не весь кусочек угля, а только его внешняя поверхность. Но ускорить реакцию можно и даже в случае горения твердого вещества. Чтоб уголь быстрее сгорел достаточно его хорошенько измельчить, тем самым увеличив его реагирующую поверхность.
 

Пример №78

3 литровый сосуд был наполнен аммиаком в количестве 11,5 молей, после протекании в нем реакции г в течении 90 секунд, в нем осталось 2,5 молей аммиака.Определите среднюю скорость реакции (моль/литр мин)
 

Решение задачи: Когда мы определяем скорость химической реакции, лучше всего сначала определить разницу в количестве каких либо веществ участвующих в этой реакции. По условиям задачи нам известны два количества: 11,5 моль и 2,5 моль, которые указывают на начальное и послереакционное количество аммиака. Если мы отнимем от начального количества аммиака его конечное (последнее) количество мы узнаем на сколько молей уменьшилось количество аммиака.
11,5 моль - 2,5 моль = 9 моль разница на 9 моль.

Определив разницу в количествах аммиака приступаем к корректировке единицы измерения времени. В условиях задачи нам указали единицу измерения скорости как “моль/литр-минуты”, как видите нам нужно сделать расчет по времени измеренному в минутах, а в условиях время дано как «90 секунд».

• секунды: 60 = минута
• 90 секунд: 60 = 1,5 минуты

Как только мы перевели измеренное в секундах промежуток времени на минуты, в нашем распоряжении оказалось достаточно данных для определения скорости реакции по формуле. Давайте теперь рассчитаем среднюю скорость нашей реакции.
= 2 моль/лмин
Ответ: 2 моль/лмин
 

Пример №79

В сосуде объемом 0,005 в течении 0,1 минуты протекала реакция, в ходе которой количество реагирующего вещества уменьшилась от 80 молей до 5 молей. Определите среднюю скорость (моль/литрсек) данной реакции.
 

Решение задачи: В условиях мы видим объем, который выдается как 0,005 . Зная то, что 1 = 1000 литрам, мы будем умножать объем измеренный в кубических метрах на 1000, чтобы перевести в литр.

= 5 литров
Далее, из-за несоответствия величины измерения времени ( в условиях нам дана 0,1 минута, а скорость требуют найти в «моль/литрсек»), будем переводить время с величины «минуты» на «секунды».

= 6 секунд
Далее определим разность молей реагирующего вещества.
80 моль - 5 моль = 75 моль
Теперь, подставляя данные, вычисляем среднюю скорость реакции.
= 2,5 моль/лмин
Ответ: 2,5 моль/литр • секунд
 

Пример №80

В данной реакции количество азота
уменьшилось с 104 молей до 8 молей. Скорость расхода азота составляет 3 моль/литрмин. Реакция проводилась в сосуде с объемом в 8 литра. Определите продолжительность реакции в минутах.
 

Решение задачи: Сперва, мы преобразуем формулу определения скорости реакции, выводим новую формулу для определения продолжительности реакции.

Определим разность между количествами (моль) реагирующего вещества.
104 моль - 8 моль = 96 моль
Теперь, используя данную формулу, находим длительность реакции:
= 4 минут
Ответ: 4 минуты
 

Пример №81

В данной реакции скорость расхода кислорода составляет 4 моль/литрмин. Когда реакцию проводили в сосуде объемом 2 литра, концентрация кислорода снизилась от 7 моль/литр до 2 моль/литр. Определите продолжительность реакции в секундах.
 

Решение задачи: Если вы обратили внимание, в условиях данной задачи вместо количества вещества, которое обычно измеряется в молях, дали концентрацию (моль/литр) реагирующего вещества. Из-за таких изменений в условии мы не будем использовать объем сосуда в дальнейшем решении задачи. Определим разность концентраций.

7 моль/л - 2 моль/л = 5 моль/литр
Определим время по формуле

= 75 секунд
Реакция длилась 75 секунд.
Ответ: 75 секунд.

Влияние давления, объема и температуры на скорость реакции

Изменение давления влияет только на реакции, которые проводятся в закрытых системах.

Изменение объема способствует изменению давления. Если уменьшить объем сосуда, то давление в данном сосуде возрастет. Во сколько раз уменьшится объем сосуда, во столько раз, возрастет давление в данном сосуде и молярные концентрации всех газообразных веществ в сосуде. Если увеличить объем сосуда, то снизится давление в данном сосуде, это приведет к уменьшению концентраций веществ в данном сосуде.

Изменение давления и объема приводит к изменению концентраций газообразных веществ. Изменение давления (или объема) рассматривают как изменение концентрации. С помощью формулы, по концентрациям веществ определяют во сколько раз изменяется скорость химической реакции.
Для более лучшего понимания рассмотрим одну реакцию:

Для проведения данной реакции в специальный сосуд, объёмом 6 литров (реактор) поместили 12 моль угарного газа и 18 моль кислорода.
Определяем молярные концентрации данных веществ:

= 2 моль/литр
= 3 моль/литр

Если у данной реакции константа скорости реакции равна 1 (k = 1), то её скорость будет равна:

Теперь уменьшим объем сосуда в 3 раза, точнее до 2 литров:
После такого изменения объема давление в системе увеличивается в 3 раза. Это приводит к соответствующему увеличению концентраций веществ в 3 раза:
= 6 моль/литр
= 9 моль/литр

В итоге увеличится скорость реакции:

в данный момент скорость равна 324. Если сравнить текущую скорость с начальной скоростью, то она возросла в
= 324 : 12 = 27 раз

Если увеличить объем реакционной системы (сосуда), это приведет к
уменьшению концентраций реагирующих газов, и снизит скорость реакции.
 

Влияние температуры на скорость реакции

Зависимость скорости реакции от температуры объясняется правилом Вант-Гоффа. Данное правило звучит так:

• При повышении температуры на каждый 10° скорость реакции увеличивается примерно 2-4 раза. При увеличении температуры скорость реакции увеличивается, при уменьшении температуры скорость реакции снижается. Число, показывающая, во сколько раз изменяется скорость реакции за каждые 10° называется температурным коэффициентом. Если при повышении температуры на 10 °C (или 10 К) скорость реакции возросла в 4 раза, то считается что температурный коэффициент данной реакции равен к «4».

Взаимосвязь между температурой и скоростью реакции выражается данной формулой:

- скорость реакции при соответственно;
- температурный коэффициент реакции

- значения температуры.
 

Понятие о катализаторе

Скорость химической реакции зависит и от того, участвует ли катализатор в данной реакции или нет. Ускорение реакции в присутствии катализатора рассмотрим в нижеприведенном примере:

В пробирку наливаем немного пероксид водорода и нагреваем её. При этом выделятся кислород, проверить это можно подведя к её горлу тлеющую лучинку, она не вспыхнет, потому что реакция разложения пероксида водорода протекает так медленно, что образующегося небольшого количества кислорода недостаточно чтобы произошла эта качественная реакция на кислород. Теперь внесем в пробирку немного порошка оксида марганца (IV) и заметим что началось бурное выделение пузырьков газа, а внесенная в пробирку тлеющая лучинка ярко вспыхнет. Оксид марганца (IV) многократно увеличивает скорость реакции. После завершения реакции можно высушить оксид марганца оставшийся в пробирке и измерить его массу, выясняется то, что его масса с начала реакции не менялась, то есть он не расходовался в реакции. Катализатор в ходе реакции не уменьшается в количестве.

Вещества, которые участвуют в химической реакции и ускоряют её, но при этом не расходуются называются катализаторами.

Как мы говорили выше, для протекания реакции реагирующие молекулы должны столкнутся друг с другом. Но не каждое столкновение приводит к реакции. Чтоб реакция происходила, сталкивающиеся молекулы должны быть в активном состоянии. Энергия, которая требуется для перевода вещества из обычного положения в активное положение называется энергией активации.

Катализатор уменьшает энергию активации реагирующих веществ. В итоге даже малого количества энергии будет достаточно для успешного прохождения реакции между веществами. Из за чего возрастет скорость реакции.
Реакции проводимые с участием катализатора, считаются каталитическими.
Даже вода может служить катализатором для некоторых реакций. Например, реакция образования йодида алюминия, через реакцию сухого алюминия с йодом протекает очень долго. Если в реакционный порошок капнуть одну каплю воды реакцию будет протекать другим, довольно быстрым темпом.
Платина считается важнейшим катализатором многих реакций. Применение платинового катализатора в двигателях современных автомобилей помогает полному сгоранию топлива. Что хорошо высказывается на чистоте окружающей среды, уменьшая её загрязнение.

Люди с древних времен пользовались катализаторами. Даже сейчас мы используем дрожжи для выпечки хлеба. Здесь катализатором является фермент, выделяемый дрожжевыми бактериями. Данный фермент разлагает сахар (который мы добавляем в муку) на оксид углерода (IV) и этиловый спирт. Образующийся оксид углерода (IV) являясь газом пытается выйти наружу из теста, но не сумев пробраться через все слои липкого теста, остается в ней и приводит к её поднятию. Внутри теста образуются газовые пузырьки, и тесто набухает.

Катализаторы имеющие белковую природу называются ферментами.
Ферменты существуют во всех организмах. Они ускоряют химические процессы протекающие внутри клеток.

В три пробирки нальем раствор пероксида водорода, и в каждую из них поместим кусок сырого мяса, кусок сырой моркови и кусок сырой картошки. При этом из пробирок начнут выделятся пузырьки кислорода. Это из за работы фермента под названием каталаза. Данный фермент, хотя хорошо ускоряет скорость реакции, неустойчив к нагреванию. Если данный опыт повторить с варенными кусками мяса, моркови и картошки то пероксид водорода не будет разлагается. Реакция не пойдет, так как когда мы варили фермент каталаза разложилась.
Вещества, замедляющие скорость химической реакции, называются ингибиторами.

После изучения скорости реакции, можем сделать вывод, что скорость реакции:

Скорость реакции зависит от:

1. От природы реагирующих веществ;
2. Концентрации растворов и газов;
3. В закрытых системах: от давления (и объема);
4. Температуры;
5. Участия катализатора и от степени измельчения (реакции с участием твёрдых веществ).
    

Пример №82

При 50°С скорость прямой реакции составляет 3 моль/литр мин. Если температурный коэффициент реакции равен 4, определите скорость прямой реакции при 70 °C (моль/литрмин).
 

Решение задачи: Разность между температурами составляет 20°С.
Точнее 70°С - 50°С = 20 °C. Если скорость реакции, на каждые 10°С ускоряется в 4 раза, то при увеличении температуры на 20°, её скорость возрастет в “4-4=16” (за каждые 10 ° в 4 раза, значит за 20° = 16 раз)
Если начальную скорость умножим на 16, то получим «З мольл мин х 16 = 48 моль/лмин»
Ответ: 48 моль/лмин.
 

Пример №83

При 60°С скорость прямой реакции равна к 1,5 моль/лмин. Температурный коэффициент реакции равен 2. Определите скорость реакции при 90°С (моль/литрмин).
 

Решение задачи:
1 - действием определяем разность между температурами:
90 °C-60 °С = 30 °C

Если найденную разницу разделить на 10, можем узнать степень температурного коэффициента.

После определения степени температурного коэффициента можем найти новую скорость реакции используя данную формулу.
    

Ответ: 12моль/лмин
 

Пример №84

Во сколько возрастает скорость, если увеличить давление в системе в два раза в реакции горения аммиака:
 

Решение задачи: Во сколько раз увеличится скорость реакции при увеличении давления в системе, зависит от коэффициентов реагирующих веществ. Уравняем реакцию расставив в ней нужные коэффициенты.

Далее обратим внимание на прямую реакцию. Она выглядит вот так:

Как вам видно, в прямой реакции участвуют два вещества: аммиак и кислород. В условиях задачи не показаны начальные концентрации данных веществ.По этому мы условно возьмем их концентрации по 1 моль/литр. Это действие не является обязательным, но помогает упростить дальнейшее решение. (Можно взять начальные концентрации веществ и по 2 моль/литр или 5 моль/литр, но так как в ходе решения задачи мы будем умножать данные цифры на число которое отображает возрастание давления, то лучше взять их по 1 моль/литр, так как единицу легче умножать). Если условно взять концентрации реагирующих веществ по 1 моль/литр (если коэффициент скорости реакции тоже равен к 1) то скорость реакции будет равна к 1 моль/литрмин.
Когда давление возрастают в 2 раза концентрации веществ тоже возрастают в 2 раза. И стали по 2 моль/литр:
Рассчитаем скорость реакции по данной формуле:

С учетом того что начальная скорость реакции 1 моль/литрмин, её скорость возросла в 128 раза:
= 128 раз
 

Пример №85

При реакции горения пропана: коэффициент скорости реакции равен 2; начальные концентрации веществ - по 1 моль/литр каждый, определите скорость прямой реакции при увеличении давления в системе в 3 раза?
 

Решение задачи: Сперва уравним уравнение реакции:

Затем с учетом коэффициента скорости реакции рассчитаем его начальную скорость:

Когда мы увеличим давление в 3 раза, концентрации веществ возрастут в 3 раза:
= 3 моль/л
= 3 моль/л
Теперь определим скорость реакции:

Текущая скорость реакции равна 1458
Ответ: 1458

Пример №86

Сосуд объемом 6 литров был наполнен 20 молями оксида азота (II) и 14 молями кислорода. После реакции, которая длилась 15 секунд, в сосуде осталось 6,5 молей кислорода. Определите среднюю скорость реакции (моль/литрмин).
 

Решение задачи: Здесь, для начала решения нужно найти газ, для которого приведены начальное и последнее количество вещества. По условии задачи таковым является кислород, так как приводится для него и начальное (14 моль) и конечное (6,5 моль) количество. Поэтому дальнейшие действия выполняются именно через кислород. Определяем количество кислорода, которое вступило в реакцию:
14 моль - 6,5 моль = 7,5 моль
Далее проверяем соответствие величин измерения времени в задаче. Просят найти скорость реакции в «моль/литрмин», а в условиях нам дано 15 секунд. Сейчас мы должны перевести заданное нам в секундах время в минуты:
15 секунд : 60 = 0,25 мин
Затем используя основную формулу по определению скорости химической реакции, можно найти скорость реакции:

Ответ: 5 моль/литрмин.
 

Пример №87

В определенной реакции скорость расхода водорода составляет 2,5моль/литрмин. Если данную реакцию проводить в сосуде объемом 6 литров, за сколько секунд масса водорода уменьшится от 100г до Юг?
 

Решение задачи: В условиях задачи скорость реакции измерена в величине “моль/литрмин”. Чтобы использовать данную скорость для определения продолжительности реакции, массу вступившего в реакцию водорода переведем в моль.

Приступаем к определению длительности реакции через следующую формулу:
= 3 минуты
Вот мы и определили длительность реакции. Только из-за того что скорость измерена в величине “моль/литрмин” данная формула нам определила время в «минутах». Далее, по требованиям задачи переводим время на секундную величину.
    = 180 секунд
Ответ: 180 секунд.

Пример №88

В определенной реакции скорость расхода метана составляет 2,2 моль/лмин. Если за 30 секунд масса метана уменьшилась от 102,8 г до 50 гр, определите объем сосуда в котором проводилась данная реакция.
 

Решение задачи: Вычисляем количество израсходованного метана:
102,8 г - 50 г = 52,8 г 52,8 г : 16 = 3,3 моль
Переводим время в минуты:
Затем, через данную формулу определяем объем реакционного сосуда:
3 литра
Ответ: Объем сосуда был равен З л.
 

Пример №89

Скорость реакции восстановления оксида железа (III) с помощью оксида углерода (II) до металлического железа равна 8. Как изменится скорость реакции, при уменьшении давления в 4 раза.
 

Решение задачи: в первую очередь, уравниваем реакцию.

Далее рассчитаем скорость реакции на тот случай, в котором каждое вещество взято в концентрации 1 моль/литр:

Заметьте то, что концентрация железа не была учтена во время расчета скорости реакции так как железо является твердым веществом. Точно так же не учитываются концентрации твердых веществ в любых других реакциях. Потому что на твердые вещества изменение давления не действует.
Когда мы уменьшили давление в системе в 4 раза, концентрации всех газообразных веществ уменьшаются в 4 раза.

Оставим данную концентрацию в дробной форме, это способствует к удобному дальнейшему решению

Ответ: 0,125 раз

 

Химическое равновесие

В закрытый сосуд поместили газы азот и водород. При наличии определённых условий молекулы азота и водорода взаимодействуют друг с другом и образуют молекулу аммиака.

В результате в сосуде будет уменьшение количества азота и водорода, с увеличением количества аммиака, что снизит вероятность взаимодействия молекул азота и водорода друг с другом. Теперь, вместо образования аммиака из азота и водорода, молекулы аммиака будут разлагаться с образованием молекул азота и водорода. То есть реакция протекает в обратном направлении.

Исходя из этого, мы можем разделить химические реакции на 2 группы:

1. Обратимые реакции
2. Необратимые реакции.

Необратимыми реакциями называются реакции, протекающие только в прямом направлении, и в которых вступающие в реакцию начальные вещества полностью превращаются в конечные продукты. Необратимые реакции это такие реакции, в которых образующиеся в результате реакции продукты, разлагаясь или взаимодействуя друг с другом, не образуют исходных веществ.

Из продуктов, образованных, в реакции меди с концентрированной азотной кислотой, то есть из оксида азота (IV), нитрата меди (II) и воды нельзя получить обратно металлическую медь:

А также полученный из железа и серы сульфид железа (II) не разлагается, при этой же температуре, на металл и серу.

Поэтому эти реакции считаются необратимыми. Они идут до тех пор, пока не кончится один из исходных веществ, то есть до конца.

Реакции будут необратимыми в следующих случаях:

1.    Из системы реакции в качестве продуктов выделяется газ или выпадает осадок:

2.    Продуктом реакции является малодиссоциируемое вещество, например вода,

3.    В результате реакции выделяется большое количество энергии, например при горении магния:

 

Обратимыми реакциями называются реакции, протекающие одновременно в двух противоположных направлениях.

В обратимых реакциях химический процесс протекает и в противоположном направлении. То есть, одновременно образуются и продукты, и исходные вещества из продуктов реакции. В уравнениях обратимых реакций между правым и левым частями уравнения ставят две стрелки, направленные в противоположные стороны. Оксид серы (IV), взаимодействуя с водой, образует сернистую кислоту:

В этой реакции с увеличением количества образующегося сернистой кислоты в растворе, начинает протекать и обратная реакция.

Реакция, протекающая слева направо, называется прямой реакцией, справа налево - обратной реакцией.

После начала реакции количество начальных веществ уменьшается, а количество продуктов увеличивается. При этом скорость прямой реакции будет высокой. С увеличением количества продуктов, скорость обратной реакции будет увеличиваться, после определённого времени, с уравнением скоростей этих реакций, наступает химическое равновесие. Состояние, при котором скорости прямой и обратной реакции равны, называется химическим равновесием. Химическое равновесие происходит в обратимых реакциях, неуместно говорить о равновесии в необратимых реакциях.

• - константа равновесия.
• - скорость прямой реакции, - скорость обратной реакции
• -константы прямой и обратной реакций.
• [А], [В], [С] и [D] концентрации веществ, а, b, с и d их коэффициенты.

Константа равновесия определяется экспериментальным путём. Её числовое значение оценивает состояние равновесия при данной температуре. Чем больше значение константы равновесия, тем больше количество продуктов в реакции, если её значение меньше, то это показывает, что количество исходных веществ больше. Константа равновесия не зависит от концентрации веществ, с уменьшением количества начальных веществ, увеличивается количество продуктов, то есть изменение концентрации одних веществ приводит к изменению концентраций других веществ. Константа равновесия зависит от температуры.

Значит, в состоянии химического равновесия произведение концентраций начальных веществ равно произведению концентраций образованных веществ.
Во время химического равновесия процесс не останавливается, сколько продукта разложится в единицу времени, столько же продукта и образуется. Из-за свойства динамичности (подвижности) химического равновесия, он изменяется под воздействием внешних факторов.
 

Задачи по теме и их решение:
 

1 задача.

После установления равновесия в реакции A+2B-C+D, концентрация веществ следующая: [А]=0,4 моль/л, [В]=0,5 моль/л, [С]=0,25 моль/л, [D]=0,8 моль/л. Определите константу равновесия.
 

Решение задачи: Даются молярные концентрации веществ в системе, находящийся в состоянии равновесия. На основе этих значений можем определить константу равновесия по следующей формуле.
аА + bВ = сС + dD

В реакции приведены маленькими буквами (a,b,c,d) коэффициенты веществ, которые возводятся в степень для нахождения константы равновесия (прим.: если по реакции перед веществами не поставлены коэффициенты, то считается, что коэффициент равен одному. Любое число первой степени равно этому же числу. Например, =2 ; =3)

На основе приведённой реакции и равновесных концентраций веществ, считаем константу равновесия реакции:
Равновесные концентрации

Значит, константа равновесия реакции A+2B=C+D равно 2, то есть в этой реакции скорость обратимой реакции в два раза больше скорости прямой реакции.
Ответ: 2
 

2 задача.

Если в реакции 2А + ВС в состоянии равновесия концентрации веществ соответственно равны [А]=0,5 моль/л; [В]=0,2 моль/л, то определите равновесную концентрацию вещества С (моль/л) (Кр=1).
 

Решение задачи: по условию задачи известны равновесные концентрации веществ А и В, а также константа равновесия, основываясь на их значениях найдём равновесную концентрацию вещества С:
концентрация равновесия (моль/л):

Значит, равновесная концентрация вещества С равна 0,05 моль/л.
Ответ: 0,05 моль/л