Учебник Химия 11 класс Буринская Величко

На сайте Учебник-Школа.ком ученик найдет электронные учебники ФГОС и рабочие тетради в формате pdf (пдф). Данные книги можно бесплатно скачать для ознакомления, а также читать онлайн с компьютера или планшета (смартфона, телефона).
Учебник Химия 11 класс Буринская Величко - 2014-2015-2016-2017 год:


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

Текст из книги:
■ // ЬгШ ББК 24я721 Б91 Роздши пщготували: I — Л. П. Величко, II, III — Н. М. Буринська Допущено MiHicrepcTBOM освДи Укра'ши (протокол р1шення колегп № 17/2-18 в1д 23.12.98) Рецензент и: Н. С. Галузинська, вчитель-методист; Я. В. Романова, проф., канд. х1м. наук; Ю. Я. Ф1алков, проф., д-р х1м. наук; М М Юхоменко, доц., канд. х1м. наук Увага! © Авторськ! та видавнич! права ВТФ «Перун» захищен! Законом Укра'ши «Про авторське право i сум1жн1 права» в1д 23.12.1993 р. Зг1дно з1 ст. 44 п. 1.3 друковане коп1ювання книги або 'п частини чи будь-як11нш1 «п1ратськ1» видання тягнуть за собою покарання до 50 000 м1н1мальних розм1р1в зароб1тно'1 плати, встановлено'1 законодавством Укра'ши. Буринська Н. М., Величко Л. П. Б 91 Х1м1я, 11 кл.: Шдручник для серед. загальноосв1т. за-клад1в,—Кшв; 1рпшь: ВТФ «Перун», 2000.— 176 с.— Рос. мовою. ISBN 966-569-176-7 ББК 24я721 ISBN 966-569-176-7 ВТФ «Перун», 1999 Н. М. Буринська, Л. П. Величко, 1999 СОДЕРЖАНИЕ Как пользоваться учебником..............................5 Раздел I. Органические соединения § 1. Предельные одноатомные спирты.................8 § 2. Глицерин.....................................14 § 3. Фенол........................................17 § 4. Альдегиды....................................20 § 5. Преднльные одноосновные карбоновые кислоты . . 25 § 6. Взаимосвязь между углеводородами, спиртами, альдегидами и карбоновыми кислотами............31 § 7. Сложные эфиры................................32 § 8. Жиры. Мыло...................................34 § 9. Углеводы. Глюкоза............................42 § 10. Сахароза.....................................45 §11. Крахмал.......................................47 § 12. Целлюлоза....................................50 § 13. Аминокислоты. Белки..........................53 § 14. Искусственные и синтетические волокна........61 § 15. Взаимосвязь между органическими соединениями, их многообразие................................63 Раздел И. Роль химни в жизни общества § 16. Значение химии в создании новых материалов. § 17. Значение химии в решении сырьевой проблемы § 18. Значение химии в решении энергетической проблемы ................................ § 19. Значение химии в повседневной жизни . . . § 20. Химия и экология........................ § 21. Место химии среди наук о природе, ее значение для понимания научной картины мира. . . . 72 77 80 83 86 90 Раздел III. Обобщение знаний по курсу химии § 22. Основные понятия химии.......................93 § 23. Основные законы химии. Атомно-молекулярное учение............................................99 § 24. Химическая связь...............................111 §■25. Строение неорганических и органических веществ. 118 § 26. Взаимосвязь состава, строения, свойств и применения неорганических и органических соединений . . . 125 § 27. Классификация химических реакций...............130 § 28. Основные закономерности химических реакций . . 141 § 29. Генетическая связь между неорганическими и органическими веществами.........................148 Практические работы Практическая работа 1. Свойства уксусной кислоты .... 153 Практическая работа 2. Решение экспериментальных задач на распознавание органических веществ. 154 Практическая работа 3. Решение экспериментальных задач . 154 Практическая работа 4. Решение экспериментально-расчетных задач...............................................157 Практическая работа 5. Решение расчетных задач и упражнений ..................................................158 Приложения...............................................160 Ответы к заданиям для самоконтроля.......................166 Толковый словарик........................................168 Именной указатель........................................170 Пред.метный указатель....................................170 КАК ПОЛЬЗОВАТЬСЯ УЧЕБНИКОМ lOtibn. М'> ihH'. В 11 классе вы завершаете изучение сведений об органических веществах и приступаете к изучению учебного материала, который позволит вам осознать противоречивую и неоднозначную роль химии в жизни общества. При этом важно, чтобы вы поняли, что любой человек, независимо от его профессии,— .печет ли он хлеб или варит сталь, удобряет ли огород минеральными удобрениями или производит аммиак для получения этих удобрений, заводит ли двигатель автомобиля или получает из нефти бензин, заливаемый в бак автомобиля,— так или иначе непосредственно использует в своей жизни продукты химии и химические превращения. Следовательно, любой человек должен понимать то значение, которое имеет химия в его жизни и в жизни общества, и правильно пользоваться химическими знаниями. Во втором разделе вы познакомитесь с ролью химии в решении таких глобальных проблем человечества, как сырьевая, энергетическая, экологическая и др. Узнаете, что новые синтезированные вещества и технологии для их получения не всегда безобидны для человека и окружающей среды. И хотя химия позволяет получать все больше и больше новых полезных материалов. однако неграмотное использование ее достижений вызывает появление многих новых экологических проблем. Чтобы понять все эти проблемы, разумно использовать блага, предоставляемые химизацией всех сфер жизни общества, любому человеку необходимо иметь определенный минимум химических знаний. Вы уже завершаете его приобретение, овладевая знаниями о неорганических и органических веществах и химических процессах на протяжении всех лет изучения химии. Теперь ваша задача—повторить, систематизировать и обобщить знания, полученные по основам химии. Этому посвящен в учебнике третий раздел. Именно понимание и усвоение основ химии и тех проблем, которые стоят перед нею, и является тем минимумом знаний, который позволяет современному человеку свободно ориентироваться в окружающем его мире и ответ- ственно относиться к своему окружению— природе и обществу. Наконец, постижение основ химии может стать для вас могучим стимулом к дальнейшему совершенствованию и развитию вашего образования в этой области. Авторы советуют вам при работе с этим учебником, где материал изложен в довольно сжатой форме, перед систематизацией и обобщением знаний по определенной теме вернуться к соответствующему разделу (параграфу) одного из учебников химии для предыдущих классов и полистать его страницы, а возможно, и внимательно почитать. Не пренебрегайте этим советом! Даже в том случае, когда вы уверены в своих знаниях, он окажется полезным. Ведь полистав определенный раздел (параграф), вы лучше увидите и поймете все взаимосвязи учебного материала. Такое понимание является одним из необходимых условий активного Владения знаниями. Другое условие — упражнение мысли. С этой целью к параграфам приводятся задания для самоконтроля. Не жалейте времени на их выполнение! Старайтесь выполнить как можно больше из них. Вы уже знаете, что усложненные и выходящие за рамки программы задания отмечены звездочкой. Постарайтесь самостоятельно находить ответы в прочитанном материале. Там многое есть, но не все, поэтому стоит возвращаться к ранее изученному. Если же есть возможность, то целесообразно обсуждать с кем-либо из товарищей по учению решения и ответы. При решении задач используйте единицы физических величин в соответствии с Международной системой единиц (СИ). Обратите внимание, что в соответствии с этим для величины «количество вещества» вместо символа v (ню) используется символ п (эн). Для названий веществ надо применять современную международную номенклатуру неорганических и органических соединений. Однако для многих веществ можно пользоваться и тривиальными (обычными) названиями, которые все еще широко встречаются в химической литературе. Для тех учащихся, которые более глубоко интересуются химией, настоятельно советуем не ограничиваться материалом учебника, а читать дополнительную литературу по химии, как учебную, так и научно-популярную. Желаем вам успехов в усвоении химических знаний! Авторы Раздел I ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ В прошлом учебном году вы изучали органические соединения, состоящие из атомов углерода и водорода — углеводороды, узнали о составе, структуре, свойствах, применении предельных, непредельных, ароматических углеводородов, об их природных источниках — газе, нефти, каменном угле. • Приведите примеры соединений указанных групп углеводородов, их формулы и названия. * Что такое нефть? Какие продукты можно получить из нее? Углеродные скелеты являются основой строения молекул и других классов органических соединений, в составе которых кроме атомов углерода и водорода содержатся атомы кислорода и азота. Наличие этих атомов придает веществам специфические свойства, отличные от свойств углеводородов. Кислород- и азотсодержащие соединения играют ведущую роль в функционировании живых организмов (растений и животных), входят в состав пищи (это известные вам из биологии человека жиры, белки, углеводы), являются основой древесины, из которой изготовляют бумагу, натуральных и синтетических волокон, мыла, лекарств, красителей и пр. Знакомые вам термины — спирт, уксусная кислота, эфир — это названия кислородсодержащих органических веществ сравнительно простого строения. Именно с них мы начинаем изучение нового раздела курса химии. § 1. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ОДНОАТОМНЫЕ СПИРТЫ Состав и строение молекул спиртов. Как уже отмечалось, в молекулы органических соединений кроме атомов углерода и водорода могут входить атомы кислорода. Представим, что в молекуле метана один атом водорода замещен гидроксильной группой. Химическое строение такого соединения — метанола— выражается структурной формулой: Н I н-с-о- I н -Н. или сокращенно СН3—ОН, или СН3ОН Замещая атом водорода в молекуле этана, получим соединение — этанол — такого химического строения: Н Н I I н-с—с-о-н, I I н н или СН3—СН2—ОН, или С2Н5ОН В этих соединениях углеводородные радикалы метил —СНз и этил —С2Н5 соединены с гидроксильной группой —ОН. Наличие последней является признаком класса органических веществ, которые называются спиртами. Общую формулу предельных одноатомных спиртов можно вывести из общей формулы предельных углеводородов путем замещения атома водорода на гидроксильную группу. ^/7^2и+2 Общая формула предельных углеводородов С„Н2„+|ОН Общая формула предельных одноатомных, спиртов Если углеводородный радикал обозначить буквой R, общая формула спиртов записывается как R—ОН. Если в состав молекул спиртов входит одна гидроксильная группа, такие спирты принадлежат к одноатомным. Далее вы узнаете о существовании многоатомных (двух-, трехатомных и т. д.) спиртов. Учитывая четырехвалентность атомов углерода и двухвалентность атомов кислорода, запишем электронные формулы простейших спиртов метанола и этанола: Н НН Н:С:0:Н Н:С:С:5:Н Н “ Н Н " Метанол Этанол Атом кислорода как более электроотрицательного элемента оттягивает на себя электронную плотность связи О—Н. В результате такого смещения эта связь поляризуется, на атоме водорода образуется частичный положительный заряд, а на атоме кислорода — частичный отрицательный (обозначается греческой буквой дельта 5); СН. 5- -О 5+ н в таком случае говорят, что молекула полярна. Полярность спиртов отражается на их физических и химических свойствах. Предельные одноатомные спирты образуют гомологический ряд (табл. 1). атом водорода атом углерода атом кислорода гис. I. Модели молекул метанола (а) и этанола (б) • Какие гомологические ряды вам известны? Чем отличаются гомологи? Напишите структурные формулы приведенных в табл. 1 соединений. Докажите, что они являются гомологами. Габ.'шци !. Предельные одноатомные спирты Формула Название т °с международное Традиционное СНз—ОН Метанол Метиловый 65 С2Н5—ОН Этанол Этиловый 78 С3Н7—ОН Пропанол Пропиловый 97 С4Н,—ОН Бутанол-1 Бутиловый 118 Предельным одноатомным спиртам свойственна изомерия, обусловленная строением углеродного скелета и положением гидроксильной группы. • Вспомните, что такое изомерия. Напишите формулы изомеров состава С^Н,д. Для спирта состава C4HQOH возможны изомеры; 4 3 2 1 СНз—СН2—еНг—СН2—ОН Бутанол-1 4 еНз- 3 2 1 -СН2—СН-еНз I ОН Бутанол-2 1 СНз—СН-СН2—ОН I СНз 2-Мегилпропанол-1 СНз, 1 2| -^3 СНз—С—СНз I ОН 2-Метилпропанол-2 Международные названия спиртов образуют от названий соответствующих углеводородов с добавлением суффикса-ол. Чтобы дать название спирту, необходимо пронумеровать углеродную цепь, начиная от гидроксильной группы, перед назва- нием указать место и название радикала, после названия — место гидроксильной группы. Физические свойства метанола и этанола. Метанол и этанол при нормальных условиях жидкости. Будучи полярными соединениями, они хорошо растворимы в воде, легче воды, имеют специфический запах. Температура кипения метанола — 65 °С, этанола — 78 °С. • Вода — полярный растворитель. Вспомните, какова растворимость неполярных предельных углеводородов, сравните ее с растворимостью полярных спиртов. Сделайте вывод. Метиловый спирт — очень ядовитое вещество, попадая в организм, 10 мл метанола вызывают слепоту, 25 мл — смерть. Этиловый спирт по действию на организм является наркотиком, который в небольших дозах вызывает опьянение, а в больших — даже смерть. Злоупотребление напитками, содержащими этанол (иначе — алкоголь), приводит к страшному заболеванию — алкоголизму. Метанол и этанол — очень похожие жидкости, различить их можно только химическим путем или по температуре кипения. Случается, что люди ошибочно употребляют метанол вместо этанола и это приводит к трагическим последствиям. Химические свойства метанола и этанола. Спирты, как и все органические соединения, горят. Метанол и этанол мгновенно вспыхивают при поджигании и горят синеватым, почти незаметным пламенем с выделением большого количества теплоты. Происходит реакция полного окисления; 2СНз—ОН + 302-----> 2С02 + 4Н2О; ЛЯ = -715 кДж/моль • Напишите уравнение реакции горения этанола. Благодаря тому, что электронная плотность связи О—Н смешена к атому кислорода, атом водорода становится более подвижным, легче отщепляется. Под воздействием активных металлов, таких как натрий, калий, магний, алюминий, происходит замещение атома водорода на атом металла. в пробирку с этиловым спиртом опустим кусочки натрия. Сразу же начинается реакция с выделением газа. Это водород. ^ Вспомните, как его можно обнаружить. В результате взаимодействия образуется также этилат натрия: 2СН3—СНз—ОН -ь 2Na ------> 2СН3—СН2—ONa + Н2Т Этилат натрия Если каплю раствора из пробирки перенести на стекло и испарить, то на стекле образуются кристаллы этилата натрия. * Напишите уравнение реакции метанола с калием. Назовите продукт реакции. Реакции спиртов могут происходить и с отщеплением гидроксильной группы. Спирты взаимодействуют с галогеново-дородами. Например, если сухой хлороводород пропускать через спирт или нагреват ь спирт с концентрированной соляной кислотой, происходит реакция замещения гидроксильной группы на галоген: СН,—СН,ЧОН + H-hCl -> СН3—СН2—Cl + Н2О Хлорэтан ® Напишите уравнение реакции метанола с бромоводородом. Назовите продукт реакции. Если этанол нагревать выше 170 °С в присутствии концентрированной серной кислоты, происходит реакция дегидратации (отщепление воды), и спирт превращается в непредельный углеводород — этилен: Н- н н I I -с-с- ■I.I.. н он Н —U СН2=СН2 [кат.] Этилен Н,0 12 о некоторых других свойствах спиртов вы узнаете далее. Как вы могли убедиться, свойства (функции) спиртов определяются наличием гидроксильной группы. Такая группа называется функциональной. В молекулах органических соединений могут содержаться одна или несколько одинаковых или различных функциональных групп. Применение метанола и этанола. Метиловый спирт впервые был получен в XVII в., а изучен в первой половине XIX в. Его называют еще древесным спиртом, поскольку первым из известных методов его получения был метод сухой перегонки древесины. Этиловый спирт, этанол, винный спирт, алкоголь — названия-синонимы одного соединения, являющегося основой алкогольных напитков и наиболее известного из всех спиртов. Археологические раскопки свидетельствуют, что в эпоху древ-нейщих цивилизаций умели изготовлять вино и пиво. Похоже, что алкоголь был первым веществом, синтезированным человеком. Первое литературное упоминание о собственно этиловом спирте как «горючей воде», полученной перегонкой вина, относится к VIII в. А элементный состав этанола был определен в начале XIX в. Метанол и этанол — растворители. Это их свойство используется в органическом синтезе, в лабораторной практике. Этанол как растворитель находит применение в фармации, медицине (экстрагирование, изготовление настоек и пр.), пищевой промыщленности. С помощью химических превращений из этих спиртов получают вещества, являющиеся исходными для производства пластмассы и каучука. Этанол используется для синтеза уксусной кислоты, в смеси с бензином — как горючее. Задания для самоконтроля 1. Какие соединения называются спиртами? 2. Что такое функциональная группа? 3. Чем обусловлена изомерия спиртов? 4. Среди приведенных формул найдите формулы изомеров и гомологов: (1)СНз- -СН—СН,—СНз (2) СНз~ -CHj—СН,—СН,—ОН ОН (3) СНз- -он (4) СЩ- -СН,—СН,—СН, 1 “ СН, он 5. К каким соединениям принадлежат спирты — к химически активным или инертным? Чем определяется их поведение? Объясните на основе электронных представлений. 6. В результате получения этилата натрия массой 68 г выделился водород объемом (н. у.) (1) 22,4 л; (2) 11,2 л; (3) 44,8 л; (4) 5,6 л. 7. Напишите уравнения последовательного превращения этанола в этан. 8*. Как тремя способами получить хлорэтан? Напишите уравнения реакций. § 2. ГЛИЦЕРИН Состав и строение молекулы глицерина. Кроме одноатомных спиртов, то есть тех, в молекулах которых содержится одна функциональная группа, существуют многоатомные спирты, в состав которых входят две и более гидроксильные группы. К ним принадлежит глицерин — трехатомный спирт. Структурная формула глицерина Н Н И III Н—с—с—с—Н, или сокращенно СНт—СН—СНт III III ОН ОН ОН он он он Физические свойства глицерина. Это густая сиропообразная жидкость без запаха и цвета, сладкая на вкус, хорощо растворимая в воде. Свойства глицерина отражены в его названии «масляный сахар», употребляемом в XVIII в., когда глицерин был получен впервые из оливкового масла. 14 Лсиюраиюрная радота I Опыты с глицерином Опыт 1. Растворимость глицерина в воде. Смешайте в пробирке воду и глицерин (приблизительно по 1 мл). Добавьте к смеси еще 1 мл глицерина. Растворяется ли он? Сделайте вывод о растворимости глицерина в воде. Химические свойства глицерина. Наличие гидроксильных групп обусловливает сходство глицерина и одноатомных спиртов, он вступает в те же реакции, но с участием трех гидроксильных групп. Реакция полного окисления (горения) происходит, как и у других органических веществ, с образованием углекислого газа и воды. Рис. 2. Модель молекулы глицерина ® Составьте уравнение реакции горения глицерина. Глицерин вступает в реакцию замещения с металлическим натрием. В пробирку с глицерином опустим кусочек натрия. Нагреем содержимое. Реакция происходит с выделением водорода. СНл—сн-сн, 2 1 I I + 6Na ОН ОН он ° СН2—СН-СНз 2| I I +ТН ONa ONa ONa В реакциях глицерина с галогеноводородами происходит замещение гидроксильных групп на галоген: СН,—СН-СН-, ОН ОН ОН ИС1 СНз—СН-СНт I I I ‘ +Н О он ОН С1 Характерной реакцией глицерина является образование раствора синего цвета с гидроксидом медн(П). 15 Опыт 2. Взаимодействие глицерина с гидроксидом ме-ди(Н). В пробирку налейте 1 мл раствора гидроксида натрия или калия и добавьте несколько капель раствора сульфата меди(М). Наблюдайте образование осадка гидроксида меди(И). К осадку добавьте глицерин, смесь взболтайте. Наблюдайте образование прозрачного раствора синего цвета. Продукт реакции имеет сложное химическое строение, поэтому мы не записываем уравнение реакции. Эта химическая проба служит для определения многоатомных спиртов. Применение глицерина. Глицерин — продукт, имеющий широкое применение. Благодаря гигроскопичности он используется в парфюмерии и фармации как смягчающее средство или основа мазей, добавка к мылу. В пищевой промышленности — как добавка к напиткам. В кожевенном производстве и текстильной промышленности — для обработки кожи и пряжи с целью их умягчения и придания им эластичности. Из глицерина получают взрывчатое вещество нитроглицерин, который используется для производства динамита. Спиртовый раствор нитроглицерина оказывает сосудорасширяющее действие и в виде лекарства используется при сердечных заболеваниях. Задания для самоконтроля 9. К какому классу соединений принадлежит глицерин? 10. Сравните состав и свойства этанола и глицерина. Чем обусловлено различие между этими соединениями? 11. Если в реакцию с глицерином вступает натрий массой 69 г, выделяется водород объемом (н. у.) (1)22,4 л; (2) 44.8 л; (3) 33,6 л; (4) 11,2 л. 12. В двух пробирках содержится этанол и глицерин. Как химическим путем распознать эти жидкости? 13. Двухатомный спирт этиленгликоль имеет формулу CHj СН, ОН ОН и по свойствам похож на глицерин. Напишите уравнения химических реакций, характеризующих свойства этиленгликоля. 16 14. Известен ли вам глицерин из применения в быту? Расскажите об этом. 15. Трускавецкая вода «Юзя» содержит глицерин. Издавна местные девушки умывались ею «для красоты». На каких свойствах, ло вашему мнению, основано действие этой воды? § 3. ФЕНОЛ Состав и строение молекулы фенола. В том случае, когда гидроксильная группа соединена непосредственно с бензольным ядром, образуется соединение фенол, представитель класса фенолов. Молекулярная формула С^Нз—ОН. Структурная формула: № НСг<^^^С-ОН НС^-^^СН СН Физические свойства фенола. Фенол — кристаллическое вещество, бесцветное, имеет характерный запах. При хранении в неплотно закрытой посуде приобретает розовый цвет вследствие окисления. Фенол — легкоплавкое вещество (Г,, = +42 °С). Поместим пробирку с фенолом в посуду с горячей водой: вещество расплавится. В холодной воде фенол растворяется плохо. Но если добавить в пробирку с фенолом горячей воды, наблюдается его быстрое растворение. Гйг. .+ Модель молекулы фенола Химические свойства фенола. По наличию в молекуле фенола гидроксильной группы можно предположить сходство между фенолом и спиртами, а по наличию бензольного ядра — сходство с бензолом. Выясним это. 17 • Вспомните, как взаимодействует этанол с металлическим натрием. Составьте уравнение реакции. Нагреем фенол в пробирке до плавления и поместим в него кусочки металлического натрия. Наблюдается выделение водорода, образуется также фенолят натрия в результате реакции замещения гидроксильного водорода на натрий: СН :н нс Г п С-ОН нс г п + 2Na > 2 СН НС C-ONa + H7t СН СН Фенолят натрия Следовательно, фенол реагирует с натрием так же, как и спирты. Но наличие в молекуле фенола бензольного ядра обусловливает различие в химическом поведении фенола и предельных одноатомных спиртов. Например, этанол не реагирует с раствором щелочи, а фенол вступает в эту реакцию, образуя фенолят: СбН,—ОН + NaOH -э- СбНд—ОНа + НзО Фенолят натрия В этой реакции фенол ведет себя как кислота, нейтрализующая щелочь с образованием соли и воды. Учитывая кислотные свойства фенола, его называют еще карболовой кислотой, хотя это очень слабая кислота. Мы рассмотрели реакции фенола по гидроксильной группе. Теперь рассмотрим реакции по бензольному ядру. Вы уже знаете, что бензол не реагирует с бромной водой. Если же к раствору фенола добавить бромную воду, происходит реакция замещения (бромирования) с образованием белого осадка трибромфенола: 18 он I с НС сн + ЗВго он i с Вг—СгЧЧс- нс -Вг + ЗНВг ^^сн с I Вг 2,4.6-Трибромфенол На примере реакций фенола вы ознакомились с явлением взаимного влияния атомов в молекуле. Бензольное ядро так влияет на гидроксильную группу, что облегчается отщепление гидроксильного водорода и фенол проявляет кислотные свойства; гидроксильная группа так влияет на бензольное ядро, что облегчается замещение водородных атомов бензольного ядра и фенол реагирует с бромной водой. Взаимное влияние атомов в молекуле имеет электронную природу и детальнее изучается в полном курсе органической химии. Характерной реакцией фенола, с помощью которой его можно определить среди других веществ, является реакция с раствором хлорида железа(1И). В результате сливания растворов веществ образуется соединение фиолетового цвета. Его формула не приводится из-за сложности строения. Применение фенола. Фенол впервые был выделен из каменноугольной смолы в первой половине XIX в. Его применение тесно связано с развитием синтетической органической химии. Фенол является исходным веществом для производства красителей, лекарственных препаратов, пластических масс, взрывчатых веществ. Фенол обладает антисептическими свойствами, которые были обнаружены еще во второй половине XIX в. Благодаря этим свойствам его раствор (5%-й) используется для обеззараживания помещений, хирургических инструментов. Фенол добавляют в некоторые сорта мыла, им протравливают древесину, чтобы предотвратить ее гниение. 19 Вместе с тем фенол — токсическое вещество, которое может вызвать ожоги кожи. Поскольку фенол является продуктом коксохимической промышленности, то вместе с другими промышленными отходами попадает в сточные воды, тем самым загрязняя окружающую среду. Задания для самоконтроля 16. Охарактеризуйте сходные химические свойства фенола и одноатомных спиртов. 17. Какая особенность химического строения фенола обусловливает его отличие от представителей класса спиртов? 18. К какому типу реакций относится реакция фенола со щелочью? 19. В трех пробирках содержатся: этанол, глицерин, раствор фенола. Как определить содержимое пробирок по физическим и химическим свойствам соединений? 20. В чем заключается влияние гидроксильной группы на свойства фенола в сравнении с бензолом? 21. К раствору фенолята натрия каплями добавляют серную кислоту. Раствор мутнеет. Почему? Составьте уравнение реакции. СН,ОН, 22*. Соединение, имеющее строение НО-вступает в реакции: (1) с натрием и гидроксидом натрия; (2) только с натрием; (3) только с гидроксидом натрия. Составьте уравнения реакций. § 4. АЛЬДЕГИДЫ Состав и строение молекул альдегидов. К классу альдегидов принадлежат вещества, в молекулах которых функ- /О циональная альдегидная группа —соединена с угле- водородным радикалом (в простейшем из этих веществ — с атомом водорода). Общая формула альдегидов 20 С,,Н2„+|СН0, или R—С НО По сравнению со спиртами в составе молекул альдегидов на два атома водорода меньше. Это отражается в названии «альдегиды», производной от слов «алкоголь» и «дегидрирование», то есть дегидрированный алкоголь. Название первого члена гомологического ряда — мета-наль, или формальдегид, или муравьиный альдегид: Н-С=0 I н Н:С::0 Н Следующий в гомологическом ряду альдегид, или уксусный альдегид. СНз—С=0 Н Н I н-с-с=о I I н н этаналь, или ацет- Н Н:С:С::0 Н Н ” Традиционные названия альдегидов происходят от названий кислот, в которые превращаются эти альдегиды в результате окисления (в приведенных примерах — от муравьиной и уксусной кислот). Международные названия альдегидов образуются от известных вам названий углеводородов прибавлением суффикса -аль. Таким образом, следующий в гомологическом ряду — пропаналь СНз—сн,—СС н Физические свойства ацетальдегида. Это летучая бесцветная жидкость, хорощо растворимая в воде, имеет характерный резкий запах. Химические свойства ацетальдегида. Двойная связь между атомами углерода и кислорода в альдегидной группе поляризована за счет оттягивания электронов атомом кислорода как более электроотрицательного элемента. На нем воз- 21 никает частичный отрицательный заряд, а на атоме углерода— частичный положительный заряд: б- ь+Ю к-сс н Именно это определяет химическую активность альдегидов. Они легко вступают в реакции окисления. Полное окисление (горение) происходит по схеме: 2СНз—+502 -------> 4СО2+4Н2О Рис. 4„ Модель молекулы ацетальдегида .0 Частичное окисление ацетальдегида можно провести с помощью гидроксида меди(П). К свежеприготовленному осадку гидроксида меди(И), полученному в результате сливания растворов сульфата меди(П) и гидроксида натрия, добавим раствор ацетальдегида, смесь нагреем. В пробирке образуется желтый оса-,док гидроксида меди(1), который быстро разлагается на оксид меди(1) красного цвета и воду: .0 СНз—-h2Cu(OH)2 >СНз—С Н \ 2СиОН -ь Н2О ОН 2СиОН Уксусная кислота -> C1J9O + НтО Окислить ацетальдегид можно и другим реактивом — аммиачным раствором оксида серебра(1). В результате нагревания в тщательно вымытой пробирке смеси этого реактива с уксусным альдегидом на стенках посуды выпадает осадок металлического серебра, покрывающего стенки блестящим слоем. По этому признаку реакция называется реакцией «серебряного зеркала». 22 сн. + Ag20 н СНз—СС' +2Agi ОН Уксусная кислота Приведенные реакции являются характерными для альдегидов и используются с целью их аналитического определения. Поскольку альдегидная группа содержит двойную связь, можно предположить, что альдегид будет вступать в реакцию присоединения по месту этой связи. * Для какой группы органических веществ характерны реакции присоединения? Приведите уравнение реакции гидрирования. Присоединяя водород, ацетальдегид превращается в этиловый спирт; ,0 -> СНз—СН2—ОН СНз—+Н2 Н Этиловый спирт Таким образом можно восстановить альдегид в спирт. С другой стороны, спирт можно окислить до альдегида. Лабораторная работа 2 Окисление спирта в альдегид Медную проволочку раскалите в пламени спиртовки. Когда она покроется медной окалиной (СиО), опустите ее в пробирку с этиловым спиртом. Ощущается характерный запах уксусного альдегида. Обратите внимание на цвет медной проволочки — окалина восстанавливается до металлической меди. Реакция происходит по уравнению: /О СНз—СН2—ОН + СиО > СНт—Cf + Н,0 + Си Этиловый спирт 'Н Уксусный альдегид 23 ^ Дополните свои записи в теме «Спирты» информацией о свойстве спиртов окисляться до альдегидов. Запишите уравнение реакции. Рассмотренные реакции окисления и восстановления важны для осуществления взаимных превращений веществ различных классов. Применение уксусного альдегида. Реакция окисления обусловливает применение этого соединения для получения уксусной кислоты. В небольщих количествах уксусный альдегид образуется при обмене веществ в организме человека, например в результате метаболизма алкоголя. Избыток ацетальдегида очень вреден и вызывает неприятные ощущения, которые используются для лечения алкоголизма. Задания для самоконтроля 23. Какие соединения называются альдегидами? 24. Докажите, что наличие функциональной альдегидной группы влияет на химическую активность ацетальдегида. 25. Как химическим путем различить глицерин и уксусный альдегид? 26. Как химическим путем можно распознать этанол? 27*. Составьте химические уравнения по схеме; этанол —> этилен —>■ полиэтилен it этаналь этан 28*. 40%-й водный раствор формальдегида (формалин) используется как дезинфицирующее и дубильное средство для консервации анатомических препаратов. Какой объем формальдегида (это газ при н. у.) необходимо растворить в воде, чтобы приготовить 200 г формалина? 24 § 5. ПРЕДЕЛЬНЫЕ ОДНООСНОВНЫЕ КАРБОНОВЫЕ КИСЛОТЫ Состав и строение молекул карбоновых кислот. Характерный запах столового уксуса известен всем. Он обусловлен присутствием уксусной кислоты. В предыдущем параграфе рассматривалось ее образование в результате реакции окисления уксусного альдегида. В молекуле уксусной кислоты имеет- ся углеводородный радикал и группа атомов —С \ на- ОН зываемая карбоксильной группой. Эта функциональная группа характерна для нового для вас класса органических соединений — карбоновых кислот. Мы рассмотрим карбоновые кислоты, в молекулах которых содержится предельный углеводородный радикал и одна карбоксильная группа—предельные одноосновные карбоновые кислоты. Общая формула соединений этого ряда С„Н2„+,СООН, или R—СООН Простейшая из карбоновых кислот муравьиная; О Н-С :0: Н:С:0:Н ОН Далее в гомологическом ряду следует уксусная: .0 сн. X он н 9.’ Н:С:СЮ:Н Н Названия этих и других кислот сложились традиционно, а по международной номенклатуре их названия образуются из названий углеводородов с добавлением суффикса -ов, окончания -а и слова кислота. 25 Tafiiiiiui 2. Карбоновые кислоты Формула Название Традиционное международное О он Муравьиная Метановая О // сн,— он Уксусная Этановая О & СНз—сн,— он Пропионовая Пропановая О // СНз—СИ,—сн,— он Масляная Бутановая Рис. 5, Модель молекулы уксусной кислоты с некоторыми карбоновыми кислотами вам приходилось встречаться. Ощущение жжения после укуса муравья вызывается муравьиной кислотой, которая входит в состав яда, выделяемого этими насекомыми. Столовый уксус — это раствор уксусной кислоты. Причина неприятного запаха у прогорклого сливочного масла — присутствие масляной кислоты. Последняя также выделяется потовыми железами человека. Физические свойства уксусной кислоты. Уксусная кислота— бесцветная жидкость, летучая, имеет резкий специфический запах, смещивается с водой в любых пропорциях, раствор кислый на вкус. В быту известна в виде 3—9%-го водного раствора (уксус) или 80%-го водного раствора (уксусная эссенция). Химические свойства уксусной кислоты. Они обусловлены наличием функциональной карбоксильной группы. Электронная плотность связи О—Н смещается к атому кисло- 26 У/- рода как более электроотрицательного элемента—Н, связь поляризуется, атом водорода в результате приобретает дополнительную подвижность (способность отщепляться), что и обусловливает кислотные свойства уксусной кислоты. Лабораторная работа 3 Действие уксусной кислоты на индикаторы В две пробирки налейте по 1—2 мл раствора уксусной кислоты. К содержимому одной пробирки добавьте несколько капель раствора лакмуса, к другой — раствора метилового оранжевого. Наблюдайте изменение окраски индикаторов. Какой цвет приобретают исследуемые растворы? Изменение окраски индикаторов свидетельствует о кислотной среде, которая создается благодаря электролитической диссоциации уксусной кислоты. • С образованием каких ионов диссоциируют неорганические кислоты? Напишите уравнение электролитической диссоциации азотной кислоты. Степень диссоциации уксусной кислоты очень низкая: в 0,1-молярном растворе при н. у. только три молекулы из ста миллионов распадаются на ионы и ацетат-ионы СН3СОО'. Значит, уксусная кислота — слабый электролит, поэтому в ионных уравнениях реакций ее формула записывается в молекулярном виде. Подобно неорганическим кислотам уксусная кислота взаимодействует с металлами, щелочами, основными оксидами, солями, в этом можно убедиться на опытах. 27 I Ч/! n >//fO 4 Взаимодействие уксусной кислоты с металлами, щелочами Опыт 1. Взаимодействие уксусной кислоты с магнием. К раствору уксусной кислоты в пробирке добавьте порошка магния или поместите в нее магниевую стружку. Наблюдайте выделение газа. ■** Вспомните, как взаимодействует магний с разбавленной серной кислотой. Какой газ при этом выделяется? Составьте уравнение реакции. В результате реакции между уксусной кислотой и магнием образуется водород и соль ацетат магния. Ацетаты — общее название солей уксусной (ацетатной) кислоты. 2СН3—СООН + Mg ------> НзТ + Mg (СНзСОО)2 Ацетат магния 2СН3—COOH + Mg ------> НзТ + Mg^^ + 2СНзСОО“ О п ы т 2. Взаимодействие уксусной кислоты с гидроксидом натрия. К 1—2 мл раствора гидроксида натрия в пробирке добавьте несколько капель фенолфталеина. К окрашенному раствору каплями добавляйте раствор уксусной кислоты до обесцвечивания содержимого пробирки. О чем это свидетельствует? ® Вспомните взаимодействие неорганических кислот со шелочами. Как называется эта реакция? Приведите пример, составьте уравнение реакции. Уксусная кислота реагирует со щелочью, образуя соль и воду: СН,—СООН -ь NaOH СН3—COONa -ь Н2О Ацетат натрия СНз—СООН -ь Na+ -ь ОН“ -> Na"^ -ь СН,—СОО“ -ь Н,0 28 * Проверьте на опыте взаимодействие уксусной кислоты с основным оксидом. Составьте уравнение реакции. Как представитель класса карбоновых кислот уксусная кислота имеет особенности по сравнению с неорганическими кислотами. В этом можно убедиться на таком опыте (рис. 6). К смеси этилового спирта с серной кислотой (это катализатор реакции) добавим уксусной кислоты и смесь нагреем. Появляется приятный эфирный запах, свидетельствующий об образовании этилового эфира уксусной кислоты — вещества, принадлежащего к классу сложных эфиров; СН. N о .0 но-с,н 2П5 -Э. СН. он Н,0 О-СтН 2^5 Этиловый эфир уксусной кислоты Если проводить эту реакцию в приборе, изображенном на рисунке 6, продукт реакции (эфир) можно собрать под слоем льда. Применение уксусной кислоты. Уксусная кислота в виде винного уксуса известна людям издавна, поскольку образуется в результате уксуснокислого брожения (скисания) вина. Но в .Лед Гис. 1). Получение сложного эфира в лаборатории 29 чистом виде ее выделили только в VIII в. В начале XIX в. был определен состав уксусной кислоты, а структурная формула ее была предложена в середине XIX в. В больших количествах уксусная кислота используется в органическом синтезе, при производстве лекарственных препаратов, искусственного волокна, химических средств защиты растений. Она широко используется и как растворитель. В пищевой промышленности применяется как консервируюшее средство и вкусовая приправа. Задания для самоконтроля 29. Какие соединения относятся к классу карбоновых кислот? 30. Перечислите реакции уксусной кислоты, в результате которых образуются соли. Составьте уравнения реакций. 31. Назовите подобные и различные свойства уксусной и хло-ридной кислоты. Составьте уравнения реакций. 32. Уксусная кислота реагирует с карбонатом натрия как с солью более слабой кислоты. Признаком реакции является; (1) образование осадка; (2) выделение газа; (3) изменение окраски. 33. При изготовлении кондитерских изделий используют «гашение» питьевой соды уксусом. Составьте уравнение этой реакции. 34. Чтобы приготовить раствор уксусной кислоты массой 20 г с массовой долей кислоты 9 %, необходимо взять кислоту и воду массой (1)2ги5г; (2) 13,6 г и 6,4 г: (3) 1,8 ги 18,2 г; (4) 0,18 г и 19,82 г. 35. Если в углеводородном радикале уксусной кислоты заместить атомы водорода атомами хлора, образуется трихлоруксусная кислота. Ее натриевая соль используется как гербицид. Напишите формулу этого соединения. 36. Ацетат свинца(П) (ядовитое вещество) называется еще «свинцовым сахаром» благодаря сладкому вкусу. Напишите формулу этого соединения. 37. Составьте уравнения таких химических превращений; этанол ^ этаналь этановая кислота —> ацетат цинка 38*. Какая реакция происходит быстрее — между магнием и серной кислотой или между магнием и уксусной кислотой? Сделайте пояснения. 30 § 6. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ УГЛЕВОДОРОДАМИ, СПИРТАМИ, АЛЬДЕГИДАМИ И КАРБОНОВЫМИ КИСЛОТАМИ Вы уже знаете, что окислением этанола можно получить уксусный альдегид, а из него — уксусную кислоту. На основании этих сведений можно составить такую общую схему превращения этих веществ; Спирт АльдегидКарбоновая кислота Возможны и обратные реакции — восстановление при участии катализаторов. Из уксусной кислоты можно получить этанол; Карбоновая кислота Восстановление > Спирт В СВОЮ очередь, этанол можно получить из этилена с помощью реакции гидратации (присоединения воды); СН2=СН,+ НОН ----> СНз—СНтОН tlJ____I Этилен можно получить дегидрированием этана; СНт—СНт сн,=сн, + н. Таким образом, углеводороды, спирты, альдегиды, карбоновые кислоты генетически связаны между собой. Цепочка превращений веществ, изученных вами, имеет такой вид; Этан —> Этилен —> Этанол —>■ Уксусный альдегид —> —> Уксусная кислота Предельные углеводороды можно получить путем синтеза из углерода и водорода, а кислоту окислить до углекислого газа и воды. Таким образом, можно перейти от неорганических веществ к органическим, а от них — опять к неорганическим. 31 * Дополните последнюю схему названными превращениями с участием неорганических веществ. Составьте уравнения реакций. Эти превращения свидетельствуют о единстве и взаимосвязи между органическими и неорганическими веществами. Знание взаимных превращений веществ имеет огромное практическое значение, поскольку эти превращения лежат в основе разнообразных синтезов, которые можно вести целенаправленно, предвидя продукты реакций и направляя эти реакции в нужную сторону. ч Имеет ли теоретическое значение взаимосвязь между веществами? Дайте обоснованный ответ. Задания для самоконтроля 39. Составьте уравнения реакций по приведенным выще схемам. § 7. СЛОЖНЫЕ ЭФИРЫ Реакция этерификации. Рассмотренная в § 5 реакция между уксусной кислотой и этиловым спиртом, в результате которой образуется сложный эфир, называется реакцией этерификации. Экспериментально установлено, что от молекулы карбоновой кислоты отщепляется гидроксильная группа, а от молекулы спирта — атом водорода, за счет этого образуется молекула воды; .О СН^—С .4 [кат.] НР-С2Н5 СНт—С ЮН \ О НтО 0-С2Н5 Этиловый эфир уксусной кислоты 32 Эта реакция обратима: наряду с этерификацией происходит гидролиз (от Гр.— разложение водой) эфира с образованием спирта и кислоты. После установления равновесия в реакционной смеси содержатся кислота, спирт, эфир, вода. ^ Вспомните, что такое химическое равновесие? При каких условиях оно возникает? Обратимость этой реакции составляет определенное неудобство для получения эфиров, поэтому, чтобы увеличить выход продукта реакции, необходимо сместить ее равновесие в нужном направлении. С этой целью можно увеличивать концентрацию одного из исходных веществ. Можно также удалять из зоны реакции один из продуктов, тем самым стимулируя его образование. Для удаления эфира его отгоняют, а воду удаляют с помощью осущивающих средств. Теперь представим, что наша цель — получить кислоту из эфира при помощи реакции гидролиза. Для этого необходимо связать химически кислоту или спирт, чтобы они не вступали в реакцию этерификации, и тем самым сместить равновесие реакции влево. Для связывания кислоты можно использовать щелочь, которая в реакции с кислотой образует соль. Реакция будет происходить таким образом: СН-,—С \ О о II NaOH -э- СНз—C-O-Na + С2Н,—ОН О-СоН. Спирт можно отделить отгонкой, а кислоту получить, действуя на соль более сильной кислотой, вытесняющей уксусную из ее солей: CH.COONa + НС1 > СН3СООН + NaCl На этом примере мы убедились, как на основании теоретических знаний можно спланировать синтез и получить нужное вещество. Применение сложных эфиров. Как правило, эфиры имеют приятный запах и благодаря этому используются в пар- фюмерной и пищевой промышленности. Например, метиловый эфир масляной кислоты имеет запах яблок, а пентиловый эфир (от пентанола) уксусной кислоты пахнет бананами. Из этих и других эфиров изготовляют эссенции, которые добавляют к прохладительным напиткам, конфетам, кремам, парфюмерным и косметическим изделиям. Поскольку кроме природных ароматических веществ используются и синтетические, то эфиры производятся в промышленности в большом количестве. Задания для самоконтроля 40. Какая реакция называется реакцией этерификации? О 41. Этиловый эфир муравьиной кислоты используется как ароматизатор при производстве мыла. Составьте уравнение реакции образования этого эфира. 42. Составьте уравнения реакций получения упомянутых в тексте сложных эфиров, имеющих запах яблок и бананов. 43. При каких условиях можно сместить равновесие реакции этерификации в сторону образования сложного эфира? В сторону образования кислоты и спирта? 44*. В результате реакции между ароматической карбоновой ,СООН ^СН,ОН кислотой и ароматическим спиртом образуется сложный эфир, используемый в медицине для лечения чесотки. Составьте уравнение реакции образования этого эфира. § 8. ЖИРЫ. МЫЛО Состав и строение молекул жиров. Сложные эфиры могут образовываться разнообразными карбоновыми кислотами и спиртами. Наибольшее значение имеют те, которые образованы трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами. К последним относятся, например, стеари- 34 новая кислота состава С,7Нз5СООН и олеиновая кислота состава С17Н33СООН. Первая — предельная кислота, вторая — непредельная. В ее углеводородном радикале имеется двойная связь между углеродными атомами, поэтому в молекуле олеиновой кислоты на два водородных атома меньше; СНз—(СН2),6-С Стеариновая кислота О \ ОН СНз—(СН2)7—СН=СН—(СН2)7—с о \ Олеиновая кислота ОН • Напишите полную структурную формулу олеиновой кислоты. Сложные эфиры карбоновых кислот и глицерина называются жирами. Если формулу карбоновой кислоты записать в общем виде R—С , то образование жира можно предста-^ОН вИть уравнением реакции этерификации: О СН,—Он НО-ЬС—R О О II СНт—о-с—R О СН -QH + HOrC-R О ..... И СН2—он HO-hC—R -> СН -0-C-R +ЗН7О Глицерин Карбоновая кислота О II СН2—о-с—R Жир Химическую природу жиров начали изучать в первой половине XIX в. Синтез жира тристеарина впервые осуществил французский химик М. Бертло в 1854 г. 35 БЕРТЛО ПЬЕР ЭЖЕН МАРСЕЛЕЙ (1827—1907) Французский химик, член Парижской Академии наук. Один из основателей синтетической органической химии, исследования которого нанесли поражение учению о «жизненной силе». Ученый синтезировал ацетилен, бензол, фенол, метан, жиры и ряд других соединений. Автор трудов в области термохимии, химической кинетики, агрохимии, истории химии. Общественный деятель, педагог. Физические свойства жиров. Состав и строение углеводородных радикалов влияют на свойства жиров. Вот как, например, изменяются их температуры плавления: Радикал Название жира т °с ‘ ПЛ' ^ -СпНз., Тристеарин 65 Триолеин -4 Как видим, жир, образованный предельной кислотой, в обычных условиях твердый, непредельной — жидкий. В состав жидких растительных масел (подсолнечного, кукурузного, оливкового и др.) входят остатки преимущественно непредельных кислот, в состав твердых животных жиров (говяжьего, бараньего и др.) — остатки предельных кислот. Жиры легче воды и нерастворимы в ней, но растворяются в органических растворителях. • Сравните опытным путем растворимость растительного масла в воде, спирте, бензине. Опишите (устно) этот опыт. Рис. Модель чюлскулы стеариновой кие.'юты Жиры наряду с белками и углеводами принадлежат к биологически активным веществам. Они входят в состав клеток растительных и животных организмов и являются для них источником энергии. В результате окисления 1 г жира выделяется 37,7 кДж энергии, вдвое больше, чем при окислении 1 г белка или углевода. Основное количество жиров, употребляемых человеком, содержится в мясе, рыбе, молочных и зерновых продуктах. В случае, когда в организм человека с едой поступает больше энергии, чем используется им, образуются жирообразные вещества, отлагающиеся в тканях организма. Таким образом он аккумулирует энергию. В соответствии с данными современной медицины чрезмерное употребление жиров, образованных предельными кислотами, то есть животных жиров, может привести к накоплению веществ, затрудмющих ток крови в артериях, в частности тех, которые поставляют кровь в мозг. Более полезными для употребления признаются жиры, образованные непредельными кислотами, то есть растительные масла. В составе, например, подсолнечного масла содержится 91 % непредельных карбоновых кислот. Г|н-. 8. Модель молекулы тристеарина 37 Химические свойства жиров. В молекулах жидких жиров в отличие от твердых имеются двойные углерод-углеродные связи. Как вам уже известно, по месту двойной связи возможна реакция присоединения, в частности водорода. В результате этой реакции непредельное соединение превращается в предельное, а жидкий жир — в твердый. а Вспомните, как происходит реакция гидрирования этилена. Составьте уравнение реакции. О CH2-O-C-C1VH33 О II СН -O-C-C17H33+ЗН2 о II СНо—о-с—с. I7H33 1риолсип о II СН2—0-C-CI7H35 о II -э- СН -O-C-C17H35 о II СН2—O-C-C17H35 Тристеариы Процесс отвердевания (гидрирования) жиров лежит в основе производства маргарина (от греч. слова, означающего жемчужина). Негидрированные жиры прогоркают, окисляясь по двойным связям, у них появляются неприятные запах и вкус. Гидрирование жиров замедляет эти процессы, кроме того, позволяет из более дешевых растительных масел получать более ценные твердые жиры. Жиры как сложные эфиры подвергаются гидролизу. 4» Какие соединения образуются в результате гидролиза сложных эфиров? Жиры гидролизируют с образованием трехатомного спирта глицерина и карбоновы.х кислот. • Составьте уравнение реакции гидролиза тристеарина по аналогии с реакцией гидролиза сложного эфира. 38 Если проводить гидролиз тристеарина в присутствии щелочи, образуется соль стеариновой кислоты, известная как основа мыла: О CH2-O-C-C1VH35 О СН,—ОН Стеарат натрия (мыло) СН -O-C-C17H35+ 3NaOH ^ СН-ОН+ 3C|7H35COONa О II СН2—о-с—С,7Нз5 СН2—ОН Тристеарип Глицерин Поскольку в результате щелочного гидролиза жира образуется мыло, то реакция называется омылением жира. Натриевые соли высщих карбоновых кислот — основная составная часть твердого мыла, соли калия — жидкого мыла. Для получения мыла из жира в промыщленности вместо щелочи используют соду Ма2СОз. Мыло, полученное непосредственно в результате этой реакции, называется ядровым и известно как хозяйственное. Туалетное мыло отличается от хозяйственного наличием добавок: красителей, ароматизаторов, антисептиков и др. Моющее действие мыла — сложный физико-химический процесс. Мыло является посредником между полярными молекулами воды и неполярными частицами загрязнений, нерастворимыми в воде. Если обозначить углеводородный радикал буквой R, то состав мыла можно выразить формулой R—COONa. По химической природе мыло — это соль, ионное соединение. Кроме полярной группы —СООМа в его составе имеется неполярный радикал R, в состав которого могут входить 12—17 атомов углерода. Во время мытья молекулы мыла ориентируются на загрязненной поверхности таким образом, что полярные группы обращены к полярным молекулам воды, а неполярные углеводородные радикалы — к неполярным частицам загрязнения. Последние как бы попадают в окружение молекул мыла и легко смываются с поверхности водой (рис. 9). 39 Поверхность матсришш Частички грязи н н Полярная молекула волы С,5Нз,- -COO”Na^ \ / Неполярный Полярные группы углеводородный радикал Молекула мыла 'о-. ,. ■ . Моющее действие мыла '* Вспомните, какие соли обусловливают жесткость воды. В жесткой воде образуются нерастворимые магниевые и кальциевые соли карбоновых кислот, поэтому мыло теряет свое моющее действие, а соли оседают на поверхности изделия; 2C|7H3sCOONa-bMgS04 ------> (С|7Нз5СОО)2М§ч1 + Na2S04 Синтетические моющие средства, при всем разнообразии их химического состава, имеют подобное мылу строение молекул, в которых есть растворимая в воде полярная часть и нерастворимый углеводородный радикал. Но они, в отличие от мыла, являются солями другой химической природы и в жесткой воде не образуют нерастворимых соединений. В этом состоит преимущество синтетических моющих средств перед обыкновенным мылом. 40 Сравнение свойств мыла и синтетического моющего средства Приготовьте в колбе или химическом стакане по 20—25 мл 1%-х растворов хозяйственного мыла и любого стирального порошка в дистиллированной воде. В две пробирки налейте по 2—3 мл жесткой воды (из крана). Добавьте в одну пробирку раствор мыла, в другую — стирального порошка, встряхните содержимое пробирок. В какой пробирке образуется более устойчивая пена? Какого средства приходится добавлять больше для образования устойчивой пены? Мыло и синтетические моющие средства принадлемгат к так называемым поверхностно-активным веществам (ПАВ). Их широкое применение часто связывают с загрязнением окружающей среды, в частности водоемов. Дело в том, что к синтетическим моющим средствам добавляют фосфаты, которые в водоемах превращаются в вещества, питающие микроорганизмы, бурное размножение которых может привести к заболачиванию водоемов. Поэтому современные ПАВ должны химически или биологически разлагаться после использования на безопасные вещества, не загрязняющие стоки. Задания для самоконтроля 45. По химической природе жиры принадлежат к (1) солям; (3) карбоновым кислотам; (2) сложным эфирам; (4) спиртам. 46. Чем отличаются жиры от других соединений класса сложные эфиры? 47. Предложите способ, с помощью которого можно отличить растительное масло от минерального. 48. Мыло принадлежит к классу (1) солей; (3) сложных эфиров; (2) спиртов; (4) карбоновых кислот. 49. Объясните моющее действие мыла. 50. Чем отличается по химическому составу твердое мыло от жидкого? Ховяйственное от туалетного? 41 51. Можно ли выстирать белье в морской воде, используя мыло? Дайте пояснения. 52. Почему синтетические моющие средства не теряют своих свойств в жесткой воде? 53. Охарактеризуйте значение процесса гидролиза жиров. § 9. УГЛЕВОДЫ. ГЛЮКОЗА До сих пор мы рассматривали химические реакции, в результате которых одни органические соединения превращались в другие или окислялись до углекислого газа и воды. В природе постоянно происходит обратный процесс: из углекислого газа и воды образуются органические вещества, из которых построены растительные организмы. Под влиянием солнечной энергии в зеленых листьях растений происходит реакция фотосинтеза, в результате которой образуется глюкоза. Процессу способствует, то есть является катализатором, зеленый пигмент хлорофилл, поглощающий солнечную энергию. В общем виде процесс фотосинтеза выражается уравнением: Солнечный свет 6СО2 + 6Н2О-----------------> QH12O6 + 6O2 Глюкоза В растениях из глюкозы образуется сахароза, крахмал и целлюлоза. Эти соединения принадлежат к классу углеводов. Такое название сложилось исторически, поскольку первые из изученных соединений этого класса содержали в молекулах кроме атомов углерода атомы водорода и кислорода в соотно-щении Н : О как 2 : 1, то есть как в воде,— отсюда «углеводы». Состав и строение молекулы глюкозы. Молекулярная формула глюкозы С(зП|20(з. Ее структуру можно представить такой формулой: Н I Н Н О н I ^ -с-с^ ,1111 он он он он он Ч н—с—с—с- н I -с- или сокращенно СЬНОН—(СНОН)4—СНО. 42 Как видим, в молекуле глюкозы имеется альдегидная группа и пять гидроксильных групп. Значит, глюкоза является многоатомным спиртом и альдегидом одновременно, или альде-гидоспиртом. Физические свойства глюкозы. Глюкоза очень распространена в природе. Это бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. В свободном состоянии она содержится во многих фруктах, в частности в винограде (отсюда название глюкозы — виноградный сахар), в меде, есть она и в корнях, листьях и цветках растений, в крови человека и животных (около 0,1 %). Химические свойства глюкозы. Поскольку молекула глюкозы содержит функциональные альдегидную и гидроксильные группы, можно предположить, что это вещество будет вступать в реакции, характерные для альдегидов и многоатомных спиртов. в Вспомните, какая реакция используется для распознания .многоатомных спиртов. Каковы признаки этой реакции? Как многоатомный спирт глюкоза реагирует с гидроксидом меди(М). Лабораторшш работа б Взаимодействие глюкозы с гидроксидом меди(11) В пробирку налейте 1 мл раствора гидроксида натрия и добавьте несколько капель раствора суль4>ата меди(И). Наблюдайте образование осадка гидроксида меди(И). К осадку добавьте раствор глюкозы и смесь взболтайте. Наблюдайте образование прозрачного раствора синего цвета (уравнение реакции мы не записываем из-за сложности строения продукта). Как альдегид глюкоза вступает в реакцию «серебряного зеркала», реагируя с аммиачным раствором оксида серебра(1). 43 **> Вспомните подобную реакцию уксусного альдегида. Запишите уравнение реакции. В этой реакции альдегидная группа глюкозы окисляется до карбоксильной: /О СН:011 —(С’НОН)., —TAgjO -> СН^ОН —(СНОН)4 — .о - 2Аа4г н Глюкоиовая кислота ОН Среди химических свойств глюкозы едва ли не важнейшим является реакция брожения. Это такой вид химического взаимодействия, которое происходит под влиянием природных катализаторов — ферментов, вырабатываемых микроорганизмами. Например, под влиянием ферментов дрожжей глюкоза может превращаться в этиловый спирт— происходит спиртовое брожение. Процесс можно выразить таким уравнением: СбН.оОб 2С2НдОН 2СО2Т Применение глюкозы. Человеческий организм легко усваивает глюкозу и использует ее как источник энергии, которая выделяется в результате окисления глюкозы в клетках организма. Суммарно этот процесс .можно выразить уравнением: СбН,20б-ьб02 ----^ 6СО2Т + 6Н2О; Д//=-2,87 • 10^ кДж/моль Как питательное вещество глюкоза используется в медицине для поддержания жизнедеятельности ослабленного организма. Ее раствор вводят прямо в кровь, поскольку именно она переносит глюкозу к клеткам организма. Изомер глюкозы фруктоза имеет ту же молекулярную формулу C(,Hi205, но другое химическое строение. Пчелиный мед состоит преимущественно из глюкозы и фруктозы 44 Задания для самоконтроля 54. Как вы понимаете название «углеводы»? 55. Глюкоза принадлежит к классу (I) кислот; (2) альдегидов; (3) альдегидоспиртов; (4) спиртов. 56. В чем состоит сходство глюкозы и глицерина? Глюкозы и ацетальдегида? Как доказать это опытным путем? 57. Определите окислитель и восстановитель в реакции «серебряного зеркала». 58*. Альдегидная группа глюкозы может восстановиться до спиртовой, при этом образуется шестиатомный спирт сорбит. Он используется как заменитель сахара при заболевании диабетом. Составьте уравнение реакции восстановления глюкозы. 59*. Поясните взаимосвязь между органическими и неорганическими веществами на примере глюкозы. Составьте схему последовательных химических превращений. § 10. САХАРОЗА Состав молекулы сахарозы. К классу углеводов принадлежит также сахароза, или свекловичный, или тростниковый, сахар. Молекулярная формула сахарозы C12H22O11. Это соединение имеет строение более сложное по сравнению с сахарозой. Физические свойства сахарозы. Сахароза — бесцветное кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде. При нагревании до 190—200 °С кристаллы плавятся, расплавленная масса после застывания образует кара-мель. Сахароза содержится в растениях, особенно много ее в корнеплодах са.харной свеклы (16—20 %) и стеблях сахарного тростника (14—26 %). Производство сахарозы. Сахароза в виде тростникового сахара была известна с древнейших времен и использовалась как лекарственное средство. В Европе сахар появился в XVI в., а из сахарной свеклы был впервые выделен в середине XVIII в. 45 БУНГЕ НИКОЛАИ АНДРЕЕВИЧ (1842—1915) Украинский химик. Закончил Киевский университет. профессор этого учебного заведения. Работал в области электрохимии и химической технологии. Исследовал электролиз растворов неорганических и органических соединений, усовершенствовал методику газового анализа. Изучал процесс производства сахара из сахарной свеклы, условия протекания этого процесса. Сделал значительный научный вклад в развитие отечественной сахарной промышленности. Поскольку сахароза — ценный пищевой продукт, ее производят в большом количестве. Производство состоит в выделении из природного сырья, например сахарной свеклы, очистке и кристаллизации продукта. С этой целью прежде всего моют и измельчают корнеплоды, затем обрабатывают массу горячей водой. Будучи хорошо растворимым в воде веществом, сахароза переходит в раствор. Обработкой последовательно известковым молоком, затем углекислым газом очищают раствор сахарозы. Далее его выпаривают, сахароза кристаллизуется— образуется сахарный песок. Путем повторного растворения и кристаллизации получают сахар-рафинад. Важным показателем для производства сахара является сахаристость свеклы. Селекционеры работают над выведением сортов свеклы с высоким содержанием сахара. Сахаристость утрачивается при длительном хранении корнеплодов, поэтому на сахарных заводах стремятся перерабатывать их как можно быстрее. Задания для самоконтроля 60. Массовая доля сахара в стакане чая (250 мл), в который положили две чайные ложки сахара (по 8 г в каждой), составляет (1)7,8%; (2)12,8%; (3)3,2%; (4)6,4% 61. Является ли производство сахара химическим производством? Дайте пояснения. 62. Если в вашей местности выращивают или перерабатывают сахарную свеклу, сделайте об этом сообщение в классе. 46 § и. КРАХМАЛ Состав и строение молекулы крахмала. Состав молекулы крахмала выражается формулой (С5Ню05)„. Это природный полимер, который синтезируется в растениях из глюкозы по реакции; (СбНю05)„ + ИН2О Полимерные цепи крахмала неоднородны, среди них имеются линейные и разветвленные, длинные и короткие (рис. 10). Число звеньев в полимере составляет от одной до пяти тысяч. Крахмал содержится во всех растениях, а в некоторых — в большом количестве. Клубни картофеля содержат по массе от 12 до 20 %, зерна пшеницы — 57—75 и риса — 62—82 % крахмала. Он накапливается в растениях и используется ими как источник энергии, необходимой, например, для прорастания семян. Физические свойства крахмала. Крахмал — белый аморфный порошок. В холодной воде нерастворим, оседает на дне сосуда. В горячей воде набухает, образуя клейстер. В этом можно убедиться на опыте. Рис. 10. Строение полимерных цепей крахмала: линейное {а) и разветвленное (б) 47 Отношение крахмала к воде В пробирку насыпьте немного крахмала, добавьте холодной воды. Размешайте смесь, дайте ей отстояться. Что наблюдаете? Растворился ли крахмал в холодной воде? Закипятите воду в стакане. Вылейте смесь из пробирки, перемешивая, в горячую воду. Что наблюдаете? Сделайте вывод об отношении крахмала к воде. Сохраните крахмальный клейстер для следующего опыта. Крахмал можно получить из картофеля механическим способом. Рассмотрите рис. 11. Зерна крахмала плавают в клеточном соке, их можно извлечь оттуда. Для этого картофель измельчают, промывают водой и отцеживают. Вместе с водой крахмал проходит через сито, затем отстаивается. Далее воду сливают и продукт высушивают. ‘ i. Срез картофеля под микроскопом Химические свойства крахмала. Накопленный растениями крахмал расщепляется под воздействием ферментов с образованием глюкозы, в результате окисления которой освобождается энергия. Если растения запасают энергию в виде крахмала, то животные — в виде гликогена (углевода, близкого по структуре к крахмалу). Процесс усвоения крахмала начинается в ротовой полости с его гидролиза до глюкозы под влиянием ферментов. Излишки глюкозы откладываются в печени в виде «запасного» гликогена. В случае необходимости, например при физической нагрузке, гликоген превращается, как и крахмал в растениях, в глюкозу, которая питает организм. Таким образом, в человеческом организме энергия запасается в виде жиров и углеводов и высвобождается в результате их окисления. По мнению специалистов, энергетические 48 потребности человека должны удовлетворяться на 60 % за счет растительной пищи, в частности овощей и фруктов. Процесс гидролиза можно воссоздать в лаборатории, прокипятив крахмал с водой в присутствии серной кислоты. При гидролизе к каждому мономерному звену крахмала присоединяется молекула воды, полимерная цепь рвется и образуются молекулы глюкозы: (QH,o05)„ + «H20 ---> «СбН,20б или Н- 'бН|о05' ^бНщОз- -он н^н н- -СбН,о05-...^«СбН,20б -он ■' Вспомните, каким образом можно обнаружить наличие глюкозы в растворе? Приведенное выще уравнение реакции — суммарное. В действительности гидролиз происходит последовательно с образованием промежуточных продуктов — декстринов, имеющих меньщую, чем у крахмала, молекулярную массу. Варение и жаренье картофеля, выпекание хлеба, глаженье накрахмаленного белья связаны с частичным гидролизом крахмала и образованием декстринов. В составе пищи декстрины усваиваются организмом легче, чем крахмал. Характерным химическим свойством крахмала является его реакция с йодом (йодкрахмальная реакция). Взаимодействие крахмала с йодом К предварительно приготовленному крахмальному клейстеру добавьте каплю спиртового раствора йода. Наблюдайте появление синей окраски. Эта реакция используется для обнаружения крахмала или йода. Применение крахмала. Промежуточные продукты гидролиза крахмала — смесь декстринов и глюкозы (патоку) — ис- 49 пользуют в кондитерской промышленности для производства конфет, добавляют в тесто для кондитерских изделий. Крахмал является сырьем для производства этилового спирта. С этой целью крахмал подвергают гидролизу, и в результате образуется глюкоза, которая далее с помощью спиртового брожения превращается в этанол. В текстильной промышленности крахмал используют для проклеивания тканей, в бумажной — для склеивания бумаги и картона, в медицине — для изготовления присыпок, паст, капсул для лекарственных препаратов. Задания для самоконтроля 63. Охарактеризуйте крахмал как природный полимер. В чем его отличие от уже известных вам полимеров? 64. На каких свойствах крахмала основано его получение из картофеля? 65*. Масса глюкозы, полученной их крахмала, больше массы исходного продукта. Поясните, почему. Согласуется ли это с законом сохранения массы веществ? 66. Чем обусловлено образование вкусной корочки на хлебе? 67. Почему, по вашему мнению, декстрины усваиваются организмом легче, чем крахмал? 68. Благодаря окислению жиров в организме выделяется вдвое больше энергии, чем в результате окисления углеводов. Какое это имеет значение для поддержания нормальной массы тела? 69*. Глюкоза принадлежит к моносахаридам, а крахмал — полисахарид. Объясните этот термин. 70. Испытайте на наличие крахмала муку, печенье, зубной порошок. косметическую пудру и др. § 12. ЦЕЛЛЮЛОЗА Состав и строение молекулы целлюлозы. Из звеньев состава —C^HiqO^— такого же, как и у крахмала, построены цепные молекулы другого природного полимера — целлюлозы, или клетчатки. 50 Целлюлоза (от лат. cellula — клетка) широко распространена в природе, поскольку из нее образуются оболочки растительных клеток. Если крахмал — источник энергии, то целлюлоза— строительный материал растений. Растительные волокна (хлопковые, конопляные, льняные) в основном, а древесина на 45 % состоят из целлюлозы. Почти чистая целлюлоза известна вам в виде ваты и фильтровальной бумаги. Внешнее различие между этими волокнами и крахмалом очевидно, хотя полимерные цепи крахмала и целлюлозы построены из одинаковых звеньев. В чем же причина различия? Ответ однозначен — в составе и строении молекул. Обшая формула целлюлозы, как и крахмала,— (С5НЮО5),,, однако степень полимеризации и молекулярная масса целлюлозы намного больше, чем у крахмала: п составляет 10—14 тысяч, относительная молекулярная масса — несколько миллионов. Кроме того, как вам известно, молекулы крахмала имеют линейное и разветвленное строение, молекулы же целлюлозы ниткообразные, линейные, поэтому могут образовывать волокна (рис. 12). Имеются также и другие существенные особенности внутреннего строения, которые мы не рассматриваем, но которые тоже обусловливают различия между крахмалом и целлюлозой. Химические свойства целлюлозы. Целлюлоза окисляется (горит) с образованием углекислого газа и воды и выделением энергии: (СбНюОЦ,, + 6н02 биСОз + ЗнНзО; ДЖО Именно эта реакция происходит при сжигании древесины. Как и крахмал, целлюлоза подвергается гидролизу при нагревании с разбавленными кислотами, превращаясь в глюкозу. Суммарное уравнение реакции: У жвачных животных и термитов в органах пищеварения имеются вещества, под влиянием которых происходит гид- ролиз клетчатки и ее усвоение. В организме человека целлюлоза. потребляемая в составе растительной пищи, не гидролизирует, а значит не усваивается им. * Припомните из курса биологии, каково значение клетчатки для пищеварения. Целлюлоза подвергается частичному гидролизу при силосовании соломы, кукурузы и пр., поэтому такие продукты являются ценным кормом для сельскохозяйственных животных. В результате нагрева- ния древесины без доступа воздуха происходит разложение целлюлозы с образованием древесного угля, метанола и ряда других ценных кислородсодержащих соединений. Применение целлюлозы. Целлюлоза широко применяется в виде древесины (назовите, где именно), тканей (каких?), из нее изготовляют бумагу. Все это позволяет утверждать, что современная цивилизация в значительной мере зависит от целлюлозы. Чтобы изготовить бумагу из целлюлозы, ее необходимо прежде всего выделить из древесины. С этой целью применяют специальные вещества, растворяющие сопутствующие компоненты, но не растворяющие целлюлозу, которую можно отделить фильтрованием. Большое количество ценных веществ образуется в результате химической переработки целлюлозы. Среди них— искусственный шелк, взрывчатые вещества, спирты. "О, Срез оболочки растительной клетки под электронным микроскопом (видна волокнистая структура целлюлозы) в биомассе растений, основным компонентом которой является целлюлоза, на земном шаре запасено огромное количество энергии. Оказывается, эту энергию можно осободить. используя продукты переработки биомассы. Современная наука рассматривает ее как перспективное сырье для получения углеводородов и других ценных органических веществ. Это достигается методами биотехнологии, которая предусматривает использование ферментов (биохимических катализаторов). Полученные таким образом продукты пока имеют сравнительно высокую стоимость, но в будущем к нефти, природному газу и каменному углю как источникам органических соединений добавится еще и биомасса. Задания для самоконтроля 71. Сравните состав и строение крахмала и целлюлозы. Составьте сравнительную таблицу. 72. Поясните практическое значение реакции гидролиза целлюлозы. 73. Каким путем, по вашему мнению, можно превратить клетчатку в этиловый спирт? Какие реакции происходят при этом? Составьте их уравнения. 74. Иногда можно встретить неправильное употребление термина «углеводы» вместо «углеводороды», и наоборот. Объясните эти термины. § 13. АМИНОКИСЛОТЫ. БЕЛКИ Аминокислоты. Вы уже знаете, что в состав растительных и животных организмов входят представители таких классов органических соединений, как жиры и углеводы. Не менее важными для функционирования живых организмов являются белки. Это высокомолекулярные соединения, состоящие из звеньев аминокислот. Идею о том, что аминокислоты являются «кирпичиками», из которых построены белки, впервые высказал выдающийся украинский биохимик и химик Иван Яковлевич Горбачевский. 53 • Припомните из курса химии 10 класса, какие заслуги перед наукой у этого ученого. В чем состоит отличие аминокислот от изученных вами карбоновых кислот? Карбоновые кислоты содержат функциональную карбоксильную группу —СООН. а аминокислоты — две функциональные группы: карбоксильную и аминогруппу -NH2. Аминогруппу можно рассматривать как остаток молекулы аммиака. Если в молекуле уксусной кислоты СН3СООН один атом водорода в метильной группе заместить на аминогруппу, образуется аминоуксусная кислота сн,—СООН Уксусная кислота CHj—СООН NH2 Аминоуксусиая кислота Электронная и структурная формулы аминоуксусной кис- лоты: Н .о: Н:С:С';‘ H:N: ‘Q’H Н Н I н-с-с 1 H-N I н о \ он горбачевский ИВАН ЯКОВЛЕВИЧ (1854—1942) Украинский ученый, академик. Родился в Ук^ раине. paooTiUi в Вене. Праге, профессор, ректор Украинского университета в Праге. Научные работы в области органической химии и биохимии. Впервые синтезировал мочевую кислоту и выяснил пути ее образования в организме. Высказал мысль об аминокислотном составе белков. Внес вкла;1 в развитие украинской научной терминологии. Автор учебников по химии на украинском языке. 54 Аминоуксусная кислота — простейшая из аминокислот. Среди них имеются такие, которые содержат две карбоксильные или две аминогруппы, ароматические радикалы, гидроксильные и серосодержащие группы. Примеры аминокислот приведены в табл. 3. I'lio.iinui 3. Нскчморые прелсгавите.ии аммнокислы Название Формула Глицин (аминоуксусная) H.N —СН,—СООЦ а-Аланин (а-аминопропионовая) CHi—сн-соон 1 NHo Глутамин NH2OC—CHj—CHj—СИ—СООН NH. Лизин H2N —(СН2)4 —сн-соон ЫВг Серин НО—сш—сн—СООН ■ 1 NH2 Цистеин I1S—сн,—сы-соон ■ 1 ыш По физическим свойствам аминокислоты — бесцветные кристаллические вещества с высокими температурами плавления, большинство из них хорошо растворимы в воде. Карбоксильная и аминогруппы противоположны по химическому характеру: первая является носителем кислотных свойств, а вторая — основных. Поэтому аминокислоты принадлежат к амфотерным соединениям. «I Вспомните, в чем состоят особенности амфотерных неорганических соединеий, приведите примеры реакций. Важнейшей особенностью аминокислот является взаимодействие молекул между собой. В реакцию вступают противоположные по функциям группы: карбоксильная группа 55 одной молекулы и аминогруппа другой. В результате реакции образуются ДИ-, три-, ... полипептиды и выделяется вода: О НО H2N-CH2—с^он о II ^ с-1 I H-bN-CHo—( О II -сн,—с-он -он НоО о н II I H2N-CH2—C-N-CH2 о н II I Дипеп! ил О н II -.: I ~СТРн.± н-t-N- СН2—С-ОН ОН о о II ^ H2N-CH2—C-N-CHj—C-N-CH2—С-ОН + Н2О Трипептид Связь между остатками аминокислот называется пептид-О Н II I ной связью, а группа —С—N— пептидной группой. Строение белков. Полимерная полипептидная цепь — основа строения молекулы любого белка. Первые синтезы полипептидов осуществил немецкий ученый Э. Фишер в 1903— 1907 гг. Каждый белок имеет набор аминокислот, соединенных в определенной, свойственной только ему последовательности. Около 20 аминокислот принимают участие в построении белковых молекул, а число соединенных в разной последователь-ности аминокислотных остатков достигает 10 . Молекулярная масса некоторых белков составляет сотни миллионов. Строение белков очень сложное и обусловлено не только последовательностью аминокислотных остатков. Длинные цепи белковых молекул скручиваются в спирали, спирали — в клубки, которые определенным образом размещаются в пространстве (рис. 13, 14). Все это в совокупности определяет особенности каждого белка в отдельности. Из-за такой слож- 56 атом азота Фрагмент модели полипептидной цепи ности расшифровать структуру природных белков — чрезвычайно сложная задача. Свойства белков. Белки очень различаются между собой по свойствам, которые зависят от наличия в их составе аминокислот с разными функциональными группами, способными вступать в характерные для них реакции. Среди белков имеются растворимые в воде и такие, которые образуют коллоидные растворы. К числу первых при- ' Модель одной из иолипептидных цепей белка гемоглобина (в центре — атом железа) 57 ФИШЕР ЭМИЛЬ ГЕРМАН (1852—1919) Немецкий химик, член Берлинской АП. Научные труды посвящены химии физиологически активных веществ. Синтезировал ряд углеводов, в частности глюкозу и фруктозу. Установил, что аминокислоты связываюзся между собой при помощи пептидных связей, образуя полипептиды, впервые получил полипептид. Лауреат Нобелевской премии 1902 г. надлежит белок куриного яйца. Именно с этим раствором удобно проводить опыты. Нагреем раствор белка, наблюдая при этом, как он сворачивается, или денатурирует (от лат. denaturare — лишать природных свойств). Именно этот процесс денатурации имеет место при кулинарной обработке белковых пищевых продуктов— мяса, рыбы, яиц. С химической точки зрения денатурация—это разрушение сложной структуры белка, которое приводит к потере им биологической активности (рис. 15). Это необратимый процесс, поэтому, например, высокая температура опасна для человеческого организма. При этом белки теряют биологическую активность, живые клетки погибают. То же самое происходит и при действии на белки сильных кислот, например серной. Попадание кислоты на кожу может вызвать химический ожог. Рис. 15. Денатурация белка 58 Лабораторная работа 9 Цветные реакции белков К раствору белка в пробирке добавьте такой же объем раствора щелочи и несколько капель слабого раствора сульфата меди{11). Что наблюдается? Как изменилась окраска раствора? Если к раствору белка добавить концентрированной азотной кислоты, белок сворачивается и постепенно окрашивается в желтый цвет. Взаимодействие белков с концентрированной азотной кислотой и раствором гидроксида меди(П) — это так называемые цветные реакции белков, используемые для их аналитического определения. При помощи первой определяется наличие бензольных колец в структуре белка, а вторая позволяет определить наличие пептидных связей. Важным химическим свойством белков является их способность к гидролизу. Под воздействием кислот, щелочей или ферментов (в случае живого организма) происходит расщепление полимерной белковой молекулы на аминокислоты. Гидролиз— процесс, обратный образованию полипептидной цепи. При гидролизе молекулы воды присоединяются по месту пептидных связей, последние разрушаются, вместо пептидных групп образуются карбоксильные и аминогруппы. Таким образом белок расщепляется на отдельные аминокислоты, из которых он состоит: НО- 1 н о н о н о ! i 1 II 1 II 1 II 1 -f-N- -СН2-С- -N- -СНо—с- -N-CH2 —C-t- -ьн но4-н но+н НО+ Н О II 3H2N-CH2—С-ОН Трудно переоценить биологическое значение этого процесса. Белки, входящие в состав пищи, прежде всего расщепляются (гидролизируют) до аминокислот под воздействием веществ, содержащихся в пищеварительном тракте, затем аминокислоты всасываются в кровь и уже ею переносятся в пе- 59 чень. где организм синтезирует белки, характерные именно для него. Белки являются основным строительным материалом животных организмов, точнее их клеток. Мышцы, гемоглобин крови, волосы, кожа, ферменты, имеют белковую природу. Если растения синтезируют аминокислоты из веществ, которыми питаются, то животные и человек лишены природой такой способности. Для нормального функционирования они должны постоянно пополнять запас аминокислот преимущественно за счет белков пищи, то есть получать их в готовом виде. Это особенно важно для молодого организма, который растет и развивается. Поэтому гшща должна содержать достаточное количество белков. Наиболее богаты белками мясо, рыба, молоко, сыр, яйца, орехи, бобовые. Больным, ослабленным людям иногда вводят аминокислоты как лекарство, тем самым облегчается их усвоение и поддерживаются силы организма. * Припомните из курса биологии человека, что такое заменимые и незаменимые аминокислоты. Для откорма сельскохозяйственных животных используют синтетические аминокислоты. Белковую массу можно получить также из углеводородов нефти, природного газа или отходов переработки древесины путем микробиологического синтеза. Некоторые виды микроорганизмов способны использовать углеводороды как питательную среду и вырабатывать при этом белковую массу. Белки могут разлагаться под воздействием микроорганизмов. В результате образуются не аминокислоты, а аммиак, сероводород, фенол, другие вещества с неприятным запахом. Его появление свидетельствует о том, что происходит процесс разложения (гниения) белка. Вспомните, какой неприятный запах имеют протухшее яйцо, испорченные мясо или рыба. Замораживание продуктов, маринование, копчение понижают активность микроорганизмов или даже уничтожают их, процесс разложения замедляется, и продукты сохраняются дольше. 60 Задания для самоконтроля 75. Поясните термин «аминокислоты». Назовите функциональные группы в молекулах этих соединений. 76. Глутамин добавляют к пищевым концентратам для улучшения их вкуса. Назовите функциональные группы, которые входят в состав молекулы этого соединения. 77. Благодаря каким свойствам аминокислот образуются полипептиды? 78. Чем обусловлено огромное разнообразие белков? 79. Охарактеризуйте термическую устойчивость белков. 80. Чем отличаются процессы гидролиза и разложения белков? 81. Составьте формулы трипептидов, образованных тремя любыми аминокислотами, формулы которых приведены в табл. 3. 82. Белки принадлежат к биополимерам. Можно ли так назвать крахмал? Клетчатку? Глюкозу? 83*. Охарактеризуйте значение процесса гидролиза белков, жиров, углеводов для функционирования организма. 84. Можно ли полностью заменить белковую пищу на углеводную? Почему? 85. Белки горят с образованием характерного запаха. Убедитесь в этом, осторожно сжигая перышко, шерстяную нитку. Сравните запах с запахом горящей хлопковой нитки. 86. Зная свойства белков, объясните, почему посуду из-под молочных продуктов следует мыть сначала холодной, а затем горячей водой, а не наоборот. § 14. ИСКУССТВЕННЫЕ И СИНТЕТИЧЕСКИЕ ВОЛОКНА Как вам известно, натуральные волокна — хлопок, лен, шерсть, шелк — вырабатывают из природных волокнистых материалов. Природный полимер целлюлоза также имеет волокнистую структуру, однако она недостаточно упорядочена, чтобы из нее можно было выработать нитки. С этой целью необходимо перестроить структуру вешества. Это достигается химическим путем; целлюлозу, выделенную из древесины, обрабатывают специальными веществами, продукт растворяют. 61 в растворе полимерные молекулы становятся более подвижными, теперь из них можно формировать волокно (растворитель при этом испаряется). Таким образом производят искусственные (ацетатное или вискозное) волокна, а из них — искусственный (ацетатный или вискозный) шелк. Волокна можно производить и синтетическим путем. Если хлопок — полимерный материал, мономер которого целлюлоза. то шерсть и шелк — полимеры белковой природы, молекулы которых образуются путем соединения аминокислот. Как оказалось, подобную структуру имеет полимер аминокапроновой кислоты состава H2N—(СН2)5—СООН. Общая формула полимера: (—C-N-II I О н -СНз—СНг—СНз—СН2—СНз—)/7 • Составьте схему соединения между собой трех молекул аминокапроновой кислоты по образцу, приведенному в § 13. Волокно, изготовленное из такого полимера, называется капрон. Оно прочное, не вытирается, не поглощает влагу (именно поэтому быстро высьгхает), хотя и имеет некоторые недостатки. • Учитывая, что это волокно белковой природы, выскажите предположение о его отношении к кислотам, к нагреванию. Сделайте пояснения. Лабораторная работа 10 Ознакомление с образцами природных, искусственных и синтетических волокон Рассмотрите образцы волокон и тканей из них: шерсти, шелка натурального, хлопка, шелка искусственного, шелка вискозного, капрона, лавсана. Чем отличаются волокна по внешнему виду? Мнутся ли ткани? Намочите образцы. Поглощают ли они влагу? Сделайте выводы. 62 Ла6ор(1ПШ1)Ш1}1 рибоиш 1 / Отношение синтетического волокна капрон к кислотам и щелочам В пробирки с концентрированной серной кислотой и 10%-м раствором щелочи поместите по кусочку капроновой ткани. Что наблюдаете? Сделайте вывод о растворимости капрона. Задания для самоконтроля 87. На какие группы делятся волокна? Приведите примеры. 88. Охарактеризуйте преимущества и недостатки синтетических волокон. 89. Расскажите о применении синтетических волокон. Какими изделиями из них вы пользуетесь? 90. Охарактеризуйте значение синтетических материалов в вашей жизни. § 15. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ, ИХ МНОГООБРАЗИЕ Изучая органические вещества, вы постепенно переходили от простейших, таких, как метан, к более сложным и сломсней-шим, таким, как белки. Между метаном и белками располагается огромное количество соединений, разнообразных по строению и свойствам. Попытаемся обобщить признаки, обусловливающие это многообразие. Прежде всего, это характер углеродного скелета. Молекулы органических веществ с одинаковым числом углеродных атомов могут иметь форму закрытых и открытых цепей. Например, гексан, принадлежащий к предельным углеводородам, и бензол, ароматический углеводород. Обе молекулы содержат по шесть углеродных атомов, соединенных, однако, разным способом. 63 ' Напишите молекулярные и структурные формулы гексана и бензола. Другой признак — характер межуглеродных связей. Между атомами углерода могут устанавливаться простые и кратные, а также ароматические связи. '* Приведите формулы и названия веществ с разными видами межуглеродных связей. Наличие функциональных групп обусловливает существование разных классов органических соединений (спиртов, альдегидов, карбоновых кислот, сложных эфиров и пр.), а также соединений, содержащих несколько функциональных групп,— аминокислот, углеводов и многих других, не изучаемых вами из-за их сложности. ■“ Приведите формулы и названия веществ с разными функциональными группами. Изомерия — еще одна из причин многообразия органических вещест. Благодаря этому явлению из одного и того же количества атомов могут образоваться разные по строению, а значит, и свойствам, вещества. Приведите примеры веществ-изомеров, напишите их структурные формулы. Кроме изученных вами видов изомерии углеродного скелета существуют еще и другие виды изомерии, обусловленные не только химическим, но и пространственным строением молекул. Изменение состава молекулы на группу —СНт обусловливает появление нового соединения — члена гомологического ряда. Поскольку гомологи имеют сходные свойства, то, зная поведение одного из них, можно в общих чертах охарактеризовать свойства целого ряда. Например, по свойствам метанола можно описать свойства насыщенных одноатомных спиртов. Гомология также является одной из причин многообразия органических веществ. 64 • Приведите примеры и названия нескольких гомологов метана. уксусной кислоты. Способность некоторых органических соединений к реакции полимеризации позволяет расширить число этих соединений. прежде всего получаемых синтетически. • Напишите уравнение реакции полимеризации этилена. Названные признаки в совокупности обусловливают существование огромного количества органических соединений. Все элементы периодической системы не способны образовывать столько соединений, сколько их образует один элемент — углерод. При всем многообразии органические вещества способны к взаимопревращениям; из менее сложных можно получить более сложные благодаря химическим реакциям, от соединений одного класса перейти к соединениям другого класса. Например. начертим путь превращения этана в сложный эфир: 1. Из этана дегидрированием получаем этилен. 2. Этилен гидратацией превращаем в этанол. 3. Этанол окисляем до уксусного альдегида и уксусной кислоты. 4. Из этанола и уксусной кислоты получаем этиловый эфир уксусной кислоты. ® Составьте уравнения упомянутых реакций. В эту цепочку превращений можно вютючить и неорганические соединения (например, этан можно получить из простых веществ). Таким образом, органические вещества генетически связаны между собой и с неорганическими веществами. Взаимосвязи и взаимопревращения органических веществ имеют огромное значение для практики. Они позволяют осуществлять синтезы, направленные на получение веществ с заданными свойствами. Так, из сравнительно простых по строению углеводородов можно синтезировать огромное количество сложных веществ, необходимых и полезных человеку. 65 Углеводороды составляют основу продуктов переработки нефти и природного газа, поэтому являются наиболее доступным химическим сырьем. Нефтехимическая промышленность обеспечивает производство огромного количества синтетических продуктов; каучуков, моющих средств, волокон, пластмасс. лекарств и др. Задания для самоконтроля 91. Назовите известные вам классы органических соединений. Приведите примеры формул и названий веществ. 92. Какие природные и синтетические вещества вам известны? 93. Охарактеризуйте значение реакций полного и частичного окисления органических соединений для их практического использования. 94. Спирты можно превратить в соединения классов (1) ароматические углеводороды; (2) непредельные углеводороды; (3) углеводы; (4) альдегиды. 95. К соединениям с двойной функцией принадлежат (1) аминокислоты; (3) глюкоза; (2) альдегиды; (4) полиэтилен. 96. Углекислый газ объемом 44,8 л образуется в результате (1) брожения глюкозы массой 180 г; (2) сгорания метанола массой 64 г; (3) сгорания метана объемом 20 л. 97. Составьте уравнения реакций по схемам; А+ СН4 + Д ^ Нр-ь ? Х+ Н,0 природное органическое соединение. 66 РОЛЬ химии в жизни ОБЩЕСТВА На всем протяжении своего развития, с незапамятных времен и поныне, химия служила и продолжает служить человеку и его практической деятельности. Еще в древнейшие времена, задолго до Рождества Христова, человек наблюдал в природе химические явления и пытался использовать их для улучшения условий своего существования. Скисание молока, брожение сладкого сока плодов, действие ядовитых растений привлекали внимание человека. Прошло время, и человек стал использовать огонь. Неизвестны ни место, ни время, когда человек научился зажигать дерево и поддерживать горение. Неизвестно также, сколько времени прошло с тех пор, как человек начал использовать огонь для приготовления пищи, в гончарном производстве, для обработки и выплавки металлов. Но известно, что еще в древнем Египте возникли ремесла, в основе которых лежали химические процессы (рис. 16, 17). Египтяне получали краски и косметические средства из минеральных веществ, умели кра- 67 i’lic, !7.Получение железа в сыролутных горнах. Гравюры из книги Агриколы «О горном деле и MerajiayprHH» сить ткани, изготовлять стекло, керамику, фарфор, добывать золото, бронзу, железо, медь и в совершенстве владели техникой обработки металлов. Рассмотрите золотую пектораль и саркофаг египетского фараона Тутанхамона (см. вклейку). Даже в наши дни искусство золотых дел мастеров древности вызывает восхищение. В средние века широкое распространение получила алхимия. Вы уже знаете, что основная задача ее сводилась к поискам «философского камня» — мистического вещества, обладающего якобы способностью неблагородные металлы превращать в золото, возвращать людям молодость и здоровье (рис. 18). Но и у алхимиков были значительные прогрессивные достижения, связанные с использованием химии на благо человека. К ним можно отнести открытие ряда веществ (фосфор, сурьма, селитра, серная, соляная, азотная, фосфорная кислоты) 68 Fiic. I Я. Алхимик в своей лаборатории И разработку методик многих операций (фильтрование, перегонка веществ и др.), которые быстро нашли практическое применение. Наступивший период ятрохимии (XVI—XVHI вв.) характеризуется стремлением поставить химию на службу медицине. Основатель ятрохимии Теофраст Парацельс (1493—1541) утверждал, что настоящая цель химии не в изготовлении золота, а в приготовлении лекарств. Дело в том. что ятрохимики рассматривали болезни как нарушение химического равновесия в организме и искали химические средства их лечения. Так. основной целью химии становится поиск и создание лекарственных препаратов. * Какой период в истории химии считается решающим в становлении химии как науки? Кого бы вы назвали основателями современной химии и почему? Обоснуйте свой ответ. О значении современной химии для человека и его практической деятельности и говорить не приходится, ее роль в 69 жизни общества исключительно велика. Сегодня без развития химии невозможно развитие топливно-энергетического комплекса. металлургии, транспорта, связи, строительства, электроники, сферы быта и пр. Химическая индустрия снабжает промышленность и сельское хозяйство различными материалами и сырьем. Это топливо, масла, химические волокна, пластмассы, синтетические каучуки, минеральные удобрения, моющие средства, парфюмерные, фармацевтические препараты, кислоты, щелочи, растворители. взрывчатые вещества и многое другое. Мы убеждаемся, что «широко распростирает химия руки свои в дела человеческие. Куда ни посмотрим, куда ни оглянемся, везде обращаются перед очами нашими успехи ее прилежания». Эти слова великого русского ученого-естествоиспытателя М. В. Ломоносова (1711—1765), сказанные почти 250 лет назад, и сегодня не утратили своего значения. Напротив, они звучат с особой силой, поскольку сегодня роль химии в жизни общества постоянно возрастает. Помимо применения веществ и материалов, в различных отраслях промышленности используются химические методы, например катализ, защита металлов от коррозии, обработка деталей химическим способом и др. Проникновение химических методов, новых веществ и новых материалов в основные отрасли промышленного производства, сферу быта, здравоохранение все в большей мере обеспечивает их прогресс. Поэтому и происходит химизация практически всех сфер человеческой деятельности. Она является объективной закономерностью развития производительных сил общества. Одновременно развитие современного химического производства немыслимо без монтажа установок, без электроники, измерительной, управляющей, регулирующей техники, научного приборостроения, без улучшения сырьевой базы и энергетического хозяйства. Таким образом, в развитии химической промышленности отчетливо проявляется тенденция взаимного проникновения и взаимного влияния отдельных отраслей производства и науки. 70 ТЕОФРАСТ ПАРАЦЕЛЬС (1493—1541) Врач и естествоиспытатель, один из основателей ятрохимии (медицинской химии). Родился в (Ввейцарии (настоящее имя Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм). Работал в Австрии. Франции. Швейцарии, Подверг критическому пересмотру идеи древней медицины. Способствовал внедрению химических препаратов в медицину. В 1530 г написал первое руководство по фармации. Такая очень сложная взаимосвязь химической промышленности почти со всеми отраслями хозяйства — это отличительный признак современной химии. Для его обозначения используется понятие «химизация». Химизация позволяет решать многие важные проблемы хозяйственной жизни обшества в целом и отдельного человека в частности. В то же время химизация порождает и новые проблемы, связанные с состоянием природной среды и, как следствие, с угрозой здоровью человека. Поэтому с ростом химизации углубляется тревога за будушее человечества и всего живого на нашей планете. В результате получается, что современный уровень практического использования химии остро сталкивает обшественное сознание с экологической проблемой, а также и с рядом других глобальных проблем, волнующих все человечество. например с энергетической, сырьевой, продовольственной и др. Это можно объяснить тем, что химизация во многом по-новому раскрывает социальное значение химии, ее теснейшие и 71 сложнейшие связи с различными сторонами материальной и духовной жизни общества. Ваша задача заключается в том. чтобы понять и осознать специфическую роль химии в жизни общества. А чтобы облегчить довольно сложный и противоречивый процесс осознания, рассмотрим конкретные примеры. § 16. ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ В СОЗДАНИИ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Вы уже знаете, что в промышленности широко используются различные материалы. Вещество, идущее на изготовленр/ie какого-либо физического тела, называется материалом . Чтобы осуществить любой химико-технологический процесс, нужна аппаратура, изготовленная из таких материалов, которые способны противостоять разнообразным агрессивным воздействиям, в том числе химическим, механическим, термическим, электрическим, а в ряде случаев также радиационным и биологическим. Химия вносит существенный вклад в создание различных материалов; металлических и неметаллических. Среди металлических материалов чаще всего используются сплавы на основе железа — чугун и сталь (рис. 19). на основе меди — латунь и бронза (рис. 20). на основе алюминия, магния, никеля, ниобия, титана, тантала, циркония и других металлов. Из металлических сплавов изготовляют теплообменники, емкости, мешалки, трубопроводы, контактные аппараты, колонны и другие аппараты. Для улучшения качества металлических материалов используют порошковую металлургию. Она включает процессы производства металлических порошков и изделий из них. Современная порошковая металлургия занимается, во-первых, созданием материалов и изделий с такими характеристиками 72 (состав, структура, свойства), которых в настоящее время невозможно достичь известными методами плавки, во-вторых, изготовлением традиционных материалов и изделий, но при более выгодных технико-экономических показателях производства. В разработке теоретических основ важнейших процессов порошковой металлургии ведущее место занимает Институт проблем материаловедения НАН Украины. Первый в Украине (и в бывшем СССР) завод порошковой металлургии вступил в строй в г. Бровары (под Киевом) в 1965 г. Среди неметаллических материалов важное значение придается полимерам на основе фенолформальдегидных смол, по-ливинил.хлорида, полиэтилена и фторопластов (рис. 21). Эти материалы, в отличие от металлических, имеют высокую устойчивость в агрессивных средах, низкую плотность, высокую стойкость к стиранию, хорошие диэлектрические и теплоизоляционные свойства. Кроме того, важное значение имеют каучуки и различные материалы на их основе — бутилкаучук, фторкаучук. силиконовые каучуки и др. (рис. 22). Гиг. |‘). Общий нид Кременчугскою иефгеиерерабагыпеищдего заво-;ш. Д.1Я подобных нрелприятий требуются металлические материалы, особенно тстойчипые к коррозии. Как правн.то. что высококачественные стали. ПС ржавеющие на воздххе и не но.тдающиеся коррозии в раз.шчиых газах и жи.ткоетях 73 ■ П у А Судовой винт из алюминиевой бронзы К группе неметаллических материалов относятся и такие традиционные материалы, как керамика, фарфор, фаянс, стекло, цемент, бетон, графит, которые находят все новое и новое применение. В последнее время требования к материалам неуклонно повышаются. Это объясняется тем, что значительно шире применяются теперь экстремальные воздействия — сверхвысокие и сверхнизкие давления и температуры, ударные и взрывные волны, ионизирующие излучения, ферменты. Поэтому повышается роль химии в создании новых материалов, способных противостоять этим воздействиям. Особое место среди новых материалов занимают композиты. Среди композитов выделяют кер.меты (керамико-металлические материалы), норпласты (наполненные органические полимеры) и пеиы (газонаполненные материалы). 74 в качестве основы (матрицы) используют металлы и сплавы. полимеры, керамику. Применяемые наполнители, особенно для композитов на основе пластмасс, значительно разнообразнее. От них зависит прочность и жесткость композитов. В Украине предложены принципиально новые методы получения композитов, например на основе боридов металлов (восстановление оксидов металлов бором в вакууме и карбидом бора). Освоен метод прямого синтеза силицидов из металла и кремния, а также непосредственное восстановление оксидов металла кремнием и многое другое. По многим свойствам — прочности, ударной вязкости, усталостной прочности и др.— композиты значительно превосходят традиционные материалы, поэтому потребности общества в них и вообще в новых материалах непрерывно растут. Но пока еще они очень дорогие. Этим объясняется тот факт, что основными потре- X. ф Г1 Ц i Цех Симферопольского завода пластмассовых изделий 75 Риг. 22. Цс.\ Днепропетровского тинного завода бителями композитов пока являются авиационная и космическая промышленности. Задания для самоконтроля 98. Назовите известные вам традиционные материалы. Где они используются? 99. Объясните, что общего между понятиями «вещество» и «материал» и чем они различаются. 100. Раскройте значение материалов в промышленности. 101. Какие неметаллические материалы вы знаете? Каково их значение? 102. Какие новые материалы вы знаете? Что вам известно об их свойствах и применении? 103*. Хлоропреновый каучук является материалом, который характеризуется высокой стойкостью против света, теплоты и растворителей. Составьте уравнение реакции получения этого каучука полимеризацией хлоропреиа CH,=CCi—СН=СН,. § 17. ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ В РЕШЕНИИ СЫРЬЕВОЙ ПРОБЛЕМЫ Сырье — неотъемлемый элемент любого производственного процесса, в том числе и химико-технологического. Природные материалы, используемые в производстве промышленных продуктов, назь!-ваются сырьем. Окружающая нас природа служит неисчерпаемой кладовой. из которой промышленность получает сырье. По мере развития науки и техники все новые и новые полезные ископаемые используются для получения продуктов производства, появляются новые виды сырья, расширяется сырьевая база промышленности. В связи с бурным развитием промышленности в XX в. резко возрос объем добычи и переработки полезных ископаемых. За последние 40 лет многих полезных ископаемых было добыто больше, чем за всю историю человечества. В настоящее время в мире ежегодно извлекается и перерабатывается 100 млрд т горных пород. А в химическом производстве в качестве сырья используются не только горные породы. Это приводит к тому, что многие сырьевые источники быстро истощаются, в результате чего возникает серьезная сырьевая проблема. Уже сейчас в ряде стран ощущается острая нехватка отдельных видов сырьевых ресурсов. В Украине, например, не хватает такого горючего минерального сырья, как нефть и природный газ. Несоответствие между запасами и потреблением некоторых видов сырья выдвигает проблему его бережного и рационального использования. В связи с этим химики ставят перед собой следующие основные задачи: 1) изыскание и применение дешевого сырья, новых видов альтернативных сырьевых материалов; 2) комплексное использование сырья; 3) разработка новых эффективных методов рециркуляции, г. е. многократного использования различных видов сырья, например металлов; 4) использование отходов в качестве сырья. 77 в настоящее время химики стараются использовать местное сырье. Это выгодно, поскольку не требует затрат на дальние перевозки. История развития химической промышленности знает немало примеров, когда то или иное вещество из пустой породы или отходов производства превращалось в ценное сырье. Например, хлорид калия KCI в конце прошлого века был пустой породой при добыче поваренной соли из сильвинита (минерал KCI ■ NaCI). В настоящее время сильвинит перерабатывают с целью извлечения хлорида калия KCI как ценного минерального удобрения, а,хлорид натрия NaCI превратился в отход производства. Многие редкие металлы раньше не находили применения из-за их промышленной недоступности, однако потребности в этих металлах атомной энергетики, микроэлектроники, радиотехники. космической техники, которые сегодня определяют научно-технический прогресс, сделали возможным промышленное извлечение рассеянных элементов. Комплексное использование сырья направлено на применение всех его основных частей для получения полезных продуктов или материалов. Это означает, что из одного вида сырья можно получать большое количество различных продуктов. Например, в настоящее время древесина используется не только как источник получения мебели, но и как источник огромных материальных ценностей (схема 1). Химики в ответе за рациональное использование сырья, его комплексную переработку, ликвидацию отходов, многие из которых наносят непоправимый ущерб окружающей среде и здоровью людей. Значит, разработка новых способов комплексного использования сырья имеет огромное значение. Химия имеет большое значение и в разработке способов перевода уже прореагировавших веществ в их первоначальное состояние для повторного использования (рециркуляция, регенерация сырья). Например, уже сейчас довольно широко используются металлы в виде вторичного сырья (так называемого скрапа). Около половины мирового производства стали базируется на скрапе. 78 Промышленные и бытовые отходы отравляют водоемы, заражают почву и воздух, загромождают территории. А ведь они являются неиссякаемым источником сырья. Задача химиков заключается в обезвреживании и использовании отходов. С этой целью строят специальные очистные сооружения. В Украине установлены нормы допустимого содержания веществ в промышленных выбросах и сточных водах. Но главная задача химиков состоит в создании безотходных производств, в которых отходы используются для получения необходимых продуктов. Реализация этой задачи тесно связана с комплексным использованием сырья и комбинированием производств, когда отходы одного завода становятся сырьем для другого. При этом завод перерастает в комбинат. 79 Задания для самоконтроля 104. В чем суть сырьевой проблемы? Мотивируйте се возникновение. 105. Раскройте значение .химии в рензении сырьевой проблемы. 106. В промьшзленности для получения ацетилена в качестве сырья используют карбид кальция и метан. Напишите уравнения реакций получения а-цетилена этими способами и объясните, какой из них более рациональный и почему. 107. Сырьем для производства серной кислоты служит серный колчедан. Вычислите массовую долю использования серы, если из 400 т серного колчедана с массовой долей серы 46 % произведено 280 т серной кислоты. 108*. При окислении спирта образовалась одноосновная карбоновая кислота, для нейтрализации 22 г которой потребовалось 59.4 мл раствора щелочи с массовой долей гидроксида калия 20 % и плотностью 1.18 г/мл. Определите формулу спирта, послужившего сырьем для получения карбоновой кислоть[, напишите структурные формулы его возможных изомеров и их названия. 109*. Как получить бензол из метана? Напишите уравнения реакций и укажите условия их осуществления. § 18. ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ В РЕШЕНИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОБЛЕМЫ Обеспеченность энергией является важнейшим условием социально-экономического развития любой страны, ее промышленности, транспорта, сельского хозяйства, сфер культуры и быта. Особенно много энергии потребляет химическая промышленность. Энергия затрачивается на проведение эндотермических процессов, на транспортировку материалов, дробление и измельчение твердых веществ, фильтрацию, сжатие газов и др. Значительного расхода энергии требуют производства карбида кальция, фосфора, аммиака, полиэтилена, изопрена, стирола и др. Химические производства вместе с нефтехимическими являготся самыми энергоемкими отраслями инд\-стрии. Выпхская око;го 7 % промьгшленной ггро,ч}кции. огги 80 потребляют в пределах 13—20 % энергии, раеходуемой веей промышленноетью. Иеточниками же энергии чдще всего служат традиционные невозобновляемые природные ресурсы — уголь, нефть, природный газ. торф, сланцы. В последнее время они быстро истощаются. Особенно ускоренными темпами уменьшаются запасы нефти и природного газа, а ведь они ограничены и невосполнимы. Не удивительно, что это порождает энергетическую проблему. В различных странах энергетическую проблему решают по-разному, но везде в ее решение значительный вклад вносит химия. Так, химики считают, что и в будущем (примерно еще лет 25—30) нефть сохранит свою лидирующую позицию. Только ее вклад в энергоресурсы заметно сократится и будет компенсироваться возросшим вкладом угля. газа, водородной энергетики, ядерного горючего, энергии Солнца, энергии земных глубин и других видов возобновляемой энергии, включая биоэнергетику. Уже сегодня химики заботятся о максимальном и комплексном энерготехнологическом использовании топливных ресурсов — уменьшении потерь теплоты в окружающую среду, вторичном использовании теплоты, максимальном использовании местных топливных ресурсов и др. Разработаны химические методы извлечения вязкой нефти (содержащей высокомолекулярные углеводороды), значительная часть которой остается в подземных юзадовых. Для увеличения выхода нефти в воду, которая закачивается в пласт, добавляют поверхностно-активные вещества. Их молекулы располагаются на границе нефть—вода, что увеличивает подвижность нефти. В будущем восполнение топливных ресурсов связывают с рациональной переработкой угля. Например, измельченный уголь смешивается с нефтью, на полученную пасту дейсгвуют водородом под давлением. При этом образуется смесь \ г,ае-водородов. На получение 1 т искусственного бензина расходуется около 1 т угля и 1500 м^ водорода. Пока что искусственный бензин дороже получаемого из нефти, но важна принципиальная возможность его получения. 81 Весьма перспективной представляется водородная энергетика, предусматривающая сжигание водорода, при котором нет вредных выбросов. Следовательно, это экологически чистая энергетика. Однако для ее развития необходимо решить ряд задач, связанных со снижением себестоимости водорода, созданием надежных средств его хранения и транспортировки. Если эти задачи будут решены, водород станет широко использоваться в авиации, водном и наземном транспорте, промышленном и сельскохозяйственном производствах. Неисчерпаемые возможности таит ядерная энергетика. Ее развитие для производства электроэнергии и теплоты позволит освободить значительное количество органического топлива. Здесь перед химиками стоит задача создать комплексные технологические системы покрытия энергетических расходов при осуществлении эндотермических реакций с помощью ядерной энергии. Большие надежды возлагаются на использование солнечной радиации (гелиоэнергетика)IВ Крыму работают солнечные батареи, фотогальванические элементы которых преобразуют солнечный свет в электричество. Для опреснения воды и отопления жилищ широко используются солнечные термоустановки, преобразующие солнечную энергию в теплоту. Солнечные батареи уже давно применяются в навигационных сооружениях и на космических кораблях. В отличие от ядерной стоимость энергии, получаемой с помощью солнечных батарей, постоянно снижается. Для изготовления солнечных батарей основным полупроводниковым материалом служит кремний и его соединения. В настоящее время химики работают над созданием новых материалов — преобразователей энергии. Это могут быть различные системы солей как накопителей энергии. Дальнейшие успехи гелиоэнергетики зависят от предложенных химиками материалов для преобразования энергии. В новом тысячелетии прирост производства электроэнергии будет происходить за счет развития солнечной энергетики, а также метанового брожения бытовых отходов и других нетрадиционных источников получения энергии. 82 Задания для самоконтроля 110. Чем вызвано появление энергетической проблемы и обострение ее в последние годы? 111. Покажите на конкретных примерах значение химии в ре-шенштэнергетической проблемы. 112. В Крыму работает солнечная электростанция мощностью 500 к'Вт. Сколько 100-ваттных электрических лампочек можно подключить к этой электростанции? 113*. Гелиоустановка позволяет с помощью алюминиевых зеркал. отражающих солнечную энергию, получать горячую воду, водяной пар и электроэнергию. Какую конструкцию гелиоустановки предложили бы вы? § 19. ЗНАЧЕНИЕ ХИМИИ В ПОВСЕДНЕВНОЙ ЖИЗНИ В быту мы практически повседневно встречаемся с продуктами химической промышленности и с химическими процессами. Это стирка белья, мытье посуды, уход за полом и мебелью, применение клея, а также приготовление пищи, умывание с мылом, уход за кожей лица и другая личная гигиена, прочее. В настоящее время бытовая химия — это самостоятельная отрасль промышленности. Ежегодно в мире производится около 30 млн т товаров бытовой химии. Это и моющие, чистящие, дезинфицирующие средства, и средства по уходу за мебелью и полом, для борьбы с насекомыми и защиты растений, средства для отбеливания, подкрахмаливания, подсинивания, различные краски, клеи, автокосметика и др. В быту широко используются моющие средства. Дело в том. что чистая вода хорошо удаляет с загрязненной поверхности только растворимые в ней вещества. Частицы нерастворимых веществ, но смачивающихся водой (гидрофильных), можно удалить за счет механического воздействия. Если же вещества не смачиваются водой (гидрофобные) и к тому же обладают повышенной вязкостью, то они водой практически не удаляются. Это могут быть жировые загрязнения, воск, 83 стеарин, масла, различные органические вещества и др. В этих случаях применяют мыло, а еще лучше — синтетические моющие средства (СМС), относящиеся к группе поверхностно-активных веществ (ПАВ). К СМС универсального действия относят стиральные порошки «Кристалл», «Наталка», «Лотос». «Астра». Для стирки шерстяных, шелковых и синтетических тканей используют порошки «Экстра». «Новость». Моющее действие ПАВ объясняется их способностью свя-зывають частицы грязи жирового происхождения с водой. В зависимости от назначения в состав СМС входят различные щелочные добавки: силикат натрия, сода, фосфаты натрия, облегчающие процесс стирки хлопчатобумажных и льняных тканей, капрона. Но эти СМС нельзя применять при стирке изделий из шерсти и лавсана ввиду их постепенного разрушения под действием щелочной среды. Для подобных изделий применяют СМС, создающие в воде нейтральную реакцию. При стирке изделий, имеющих загрязнения биологического происхолсдения, например пятна крови, используют СМС. содержащие ферменты. Но следует помнить, что нельзя стирать в очень горячей воде, поскольку ферменты при температуре выше 40 °С разрушаются. Некоторые СМС содержат отбеливатели, разрушающие устойчивые загрязнения, придающие ткани серый или желтый цвет. Отбеливателем может быть перборат натрия NaB03 ■ 4Н2О, как сама пероксидная соль, так и пероксид водорода Н2О2. который образуется при гидролизе соли. Многие искусственные волокна способны электризоваться, г. е. накапливать электрические заряды. Отрицательные заряды (электроны) могут накапливать нитрон, лавсан, ацетатные волокна. Положительный заряд (вследствие потери электронов) приобретает поверхность капрона, найлона и отчасти шерсть и шелк. Льняные и хлопчатобумажные ткани впитывают влагу, что и способствует стеканию электрических зарядов, поэтому они не электризуются. 84 Для предупреждения электризации изделия из синтетических тканей обрабатывают раствором «Антистатик». Для чистки посуды, раковин в моющие средства часто вводят твердые инертные вещества — абразивы, облегчающие механическое разрущение твердых загрязнений. Способы применения СМС и других препаратов указываются на упаковках. Их следует придерживаться, тогда использование товаров бытовой химии будет полностью безопасным. Химическая промыщленность выпускает больщой ассортимент различных клеев. Прочность сцепления клея по отношению к склеиваемым поверхностям определяется силами межмолекулярного взаимодействия (электростатическими силами) или химическими силами, которые приводят к образованию химических связей. К числу лучших смол, клеев и лаков относятся эпоксидные. Они обладают высокой прилипаемостью к стеклу, фарфору, металлам, пластмассам, дереву и обладают высоким пределом прочности. В быту широко применяются клеи типа БФ, БФ-2. БФ-5, изготовленные на основе фенолформальдегидных смол. Выпускается широкий ассортимент средств личной гигиены и парфюмерно-косметических препаратов, средств борьбы с насекомыми и для ухода за автомобилем, пятновыводителей и многое другое. В этой области ведутся научно-исследовательские работы, и ассортимент товаров бытовой химии постоянно расширяется. Задания для самоконтроля 114. Раскройте значение химии в повседневной жизни. 115. Почему при стирке следует применять моющие средства, а стирка в чистой воде недостаточна? 116. Какова роль различных добавок в составе моющих средств? 117. Почему льняные и хлопчатобумажные ткани не электризуются? 118. Накипь, как правило, состоит из смеси веществ. Для ее удаления с поверхности чайника рекомендуется прокипятить поверхность нагрева с раствором соды. Накипь разрыхляется, при этом 85 сульфаты кальция и магния переходят в карбонаты. Затем надо прокипятить в чайнике разбавленный раствор уксусной кислоты и промыть чайник водой. Напишите уравнения реакций перевода сульфата кальция в карбонат, а затем и в растворимую соль кальция. 119*. Напишите уравнение реакции образования фенолформальдегидной смолы, часто применяемой в качестве лака для покрытия изделий из дерева. § 20. ХИМИЯ И ЭКОЛОГИЯ в живой и неживой природе непрерывно идут различные физические, химические, биологические процессы, которые в большинстве случаев взаимосвязаны и находятся в неустойчивом равновесии; наблюдается так называемый круговорот химических элементов и веществ, например кислорода, воды, оксида углерода(1У) и др. Деятельность человека внесла изменения в естественный круговорот элементов и веществ. В XX веке в связи с научно-техническим прогрессом особенно усилилось воздействие человека на природу, что вызвало различные негативные изменения в окружающей среде: отравление и загрязнение пресных вод, загрязнение Мирового океана и земной атмосферы, опустошение недр, истребление животных и птиц вплоть до исчезновения многих биологических видов и др. В связи с этим особое значение приобретает экология как научная основа рационального природопользования и охраны живых организмов, в том числе и человека. Бытует мнение, что основной вред окружающей среде наносит химия, химические производства. Это не совсем так. Главными загрязнителями являются теплоэлектростанции, цветная металлургия, транспорт. Например, в атмосферу ежегодно выбрасывается 100 млн т оксида серы(1У) SOt. Более половины этого количества приходится на долю теплоэлект- 86 ростанции. четвертая часть — на долю цветной металлургии и лишь несколько процентов — на долю черной металлургии и основной химической промышленности. То же самое можно сказать о выбросах оксидов азота и оксида углерода(1У), о твердых пылеобразных выбросах и канцерогенных микроэлементах. Химическая промышленность наряду с нефтехимией в действительности ответственна за появление в атмосфере аммиака, сероводорода, хлоридов и фторидов, формальдегида, нафталина, стирола, толуола, метанола, азотной, фосфорной, уксусной и синильной кислот. В настоящее время в химической промышленности используют различные фильтры, пылегазоуловители, которые значительно уменьшают выброс вредных веществ в атмосферу. Улавливают и оксид серы(1У) SO2, входящий в состав обжиговых газов, а затем направляют его для получения серной кислоты. К сожалению, оксид серы(1У) ТЭЦ пока еще не улавливается. Около ТЭЦ скапливаются громадные количества золы и шлаков, занимающих большие земельные площади. Химики разработали методы их утилизации, например изготовление строительных материалов — цемента, кирпича, плитки. Вообще хозяйственная деятельность человека оставляет в природе большие количества различных загрязнителей. Так, при производстве чугуна огромные земельные площади занимают шлаки. Теперь их частично перерабатывают на шлакобетон. шлаковату, которая используется в качестве хорошего теплоизоляционного материала вместо асбеста. Молотый шлак применяют для дорожных покрытий, а фосфошлак — как фосфорное удобрение. Все это дает большой экономический эффект, поскольку экономит природное сырье и энергию на его переработку. Синтетические полимеры в отличие от природных не разлагаются ферментами и остаются в природе. Когда же их после употребления сжигают, то тем самым только увеличивают загрязнение воздуха. Перед химиками стоит задача разработки способов утилизации синтетических материалов и создания новых полимеров, которые бы разлагались в природе. 87 Очень остро стоит вопрос о рациональном использовании воды и недопустимости загрязнения водоемов. При этом учитывается. что пресная вода составляет всего лишь около 2,5 % от общего ее количества на Земле. Кардинальное решение проблемы заключается в создании замкнутых (бессточных) технологических систем, когда использованная вода очищается и снова возвращается в производство. Для Украины, где развитие производства и урбанизация значительно расщирили рас.ходование воды, это особенно важно. Общий объем водопотребления с учетом потерь в Украине достиг 30 км'^ в год. что составляет 60 % всего стока ее рек. Уже сейчас ощущается недостаток воды в Донбассе, Криворожье. Приазовье, Крыму. В настоящее время в Украине много сделано по защите вод от загрязнения. На многих заводах построены очистные сооружения (рис. 23), нейтрализаторы, пруды-отстойники с повторным использованием воды, установки биохимической очистки промыщленных стоков (Криворожский коксохимический завод) и др. (рис. 24). Конституция Украины устанавливает, что в интересах настоящего и будущего поколений в Украине принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного рацио- Щ Очис1иыс сооружения на одном из нрсмнрия i tiii Днснронс|ровск'а 88 :т** ^ .. >'iu, li Очистные сооружения на Рубежанском химкомбинате нального использования земли, ее недр, природных ресурсов с целью улучшения окружающей человека среды. Экологические проблемы, порожденные современным общественным развитием, вызвали во всем мире общественно-политическое движение, выступающее против загрязнения окружающей среды и других отрицательных последствий научно-технического прогресса. В Украине в этом плане действует Партия зеленых. Задания для самоконтроля 120. Что такое экология? Какие экологические проблемы вам известны и чем они вызваны? 121. Какие химические явления и процессы лежат, по вашему мнению, в основе следующих экологических проблем: а) озоновая дыра; в) кислотные дожди; б) парниковый эффект; г) гибель гидробионтов в озерах. 122. Как вы думаете, что могут предложить химики для решения экологических проблем, указанных в задании 121? 89 § 21. МЕСТО ХИМИИ СРЕДИ НАУК О ПРИРОДЕ, ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА Различают три основные науки о природе — физику, химию, биологию, предметом изучения которых является материя, т. е. весь материальный мир со всем разнообразием его существования и превращений. Материя существует в пространстве и времени и находится в непрерывном движении. Формы движения материи очень разнообразны. Они взаимно связаны и могут переходить друг в друга. Каждая естественная наука изучает конкретную форму движения материи. Физика изучает механическое движение — перемещение масс в пространстве, что представляет собой простейшую форму движения, а также физические процессы — электромагнитные, гравитационные, ядерные, которые связаны с механическим движением, но не сводятся к нему. Химия изучает химическую форму движения материи — химические реакции. Они включают в себя физическую форму движения, например переход электронов от атомов одних элементов к атомам других элементов, и сопровождаются физическими процессами (поглощением или выделением теплоты, света, электроэнергии и пр.). Однако химические процессы не сводятся к физическим формам движения. Предметом изучения биологии является органическая форма движения материи (жизнь), которая невозможна без механической, химической форм движения, но не исчерпывается ими. а представляет собой качественно новую, отличающуюся от предшествующих, форму движения материи. Приведенная классификация (и соподчиненность) форм движения носит объективный характер, поскольку отражает объективное развитие материи от простого к сложному, от низших форм к высшим. Вместе с тем она является и классификацией наук, которые эти формы изучают. В соответствии с этим 90 Химические знания в значительной степени формируются на основе физических и, в свою очередь, служат основой для формирования биологических знаний. В совокупности эти взаимосвязанные виды знаний дают возможность понять современную научную картину мира. Она возникает вследствие обобщения и синтеза основных естественнонаучных понятий и принципов. Поскольку науку в общем понимании образует система взаимодействующих между собой отраслей знаний, научная картина мира образуется в результате синтеза знаний, полученных из разных наук. Следовательно, В этом значении ее называют общей научной картиной мира — она включает представления как о природе, так и о жизни общества. Изучение химии с помощью знаний о веществах, их составе, строении, свойствах, применении, о химических реакциях и закономерностях их протекания, роли химии в синтезе новых материалов и т. д. дает возможность понять научную картину химической реальности, так называемую химическую картину мира.: Она представляет собой лишь фрагмент, часть материального мира, но без нее невозможно получить целостное представление об общей научной картине мира. Изучая химию, вы заметили, что многие представления о веществах и их превращениях по мере развития познания и практики изменялись. Так, атомно-молекулярное учение, основные положения которого были разработаны в середине XVIII в. М. В. Ломоносовым и Дж. Дальтоном, имело огромное значение для утверждения научного взгляда на картину мира. Однако с развитием науки оказалось, что не все ве- 91 щества состоят из молекул, у многих веществ ионное или атомное строение. На основе новых научных взглядов химическая картина мира изменилась, стала более совершенной. Первые синтезы органических веществ из неорганических, которые нанесли сокрушительный удар по виталистическому учению и доказали единство неорганической и органической природы, также привели к изменению взглядов на научную картину мира. Следующим важным шагом в развитии взглядов на вещество была разработка А. М. Бутлеровым структурной теории, а со временем и открытие Д. И. Менделеевым периодического закона и создание периодической системы химических элементов. В результате природу стали представлять как комплекс взаимосвязанных предметов и явлений, которые находятся в непрерывном движении, изменяются, развиваются. Успехи естествознания в изучении явления радиоактивности и сложности строения атомов позволили решать вопрос об искусственном получении, целенаправленном превращении химических элементов и высвобождении при этом внутриатомной энергии. Этим снова были внесены изменения в научную картину мира. Она стала еще более совершенной. Человек все глубже и глубже проникает в тайны микро- и макромира. В связи с последними научными открытиями возникает ряд проблем, решение которых, по мнению ученых, может вызвать создание новых теорий, что также внесет определенные изменения в научную картину мира. Все это свидетельствует о материальности мира, разнообразии форм движения материи, ее познаваемости и неисчерпаемости. Задания для самоконтроля 123. Какое место занимает химия среди наук о природе? Дайте обоснованный ответ. 124. Какой смысл вкладывается в понятие «научная картина мира»? 125. Как вы объясните выражение «научная картина химической реальности»? Какое значение имеет эта картина для понимания общей научной картины мира? 92 Раздел III ОБОБЩЕНИЕ ЗНАНИЙ ПО КУРСУ ХИМИИ § 22. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ Вы знаете, что химия изучает химические элементы и их соединения, химические превращения различных соединений и те закономерности, которые этими превращениями управляют. Следовательно, одним из важнейщих понятий в химии является понятие о химическом элементе. Химическим элементом называется тип атомов, имеющих одинаковый заряд ядра, равный протонному числу (порядковому номеру) элемента. Сегодня известно уже 112 химических элементов. Их классифицируют по-разному, в зависимости оттого, какой признак кладется в основу классификации (схема 2). Каждый элемент имеет свой символ — знак химического элемента. Наличие химической азбуки позволяет отражать состав веществ с помощью химических формул. * Что такое химическая формула и что она показывает? Покажите на конкретном примере. Понятно, что. кроме химического элемента, вещество также является одним из основных объектов химии. И это справедливо. поскольку из веществ состоят все окружающие нас тела. Например, капли дождя, иней на ветках, туман над рекой — все это тела, состоящие из одного и того же вещества — воды. 93 Вещество достаточно полно определяется тремя признаками: 1) занимает часть пространства; 2) обладает массой покоя; 3) построено из частиц за счет сил притяжения и отталкивания. Химия изучает главным образом вещества, состоящие из атомов, молекул, ионов, радикалов. '* Дайте определения понятиям «атом», молекула», «ион», «радикал». Приведите соответствующие примеры. Взаимное притяжение и отталкивание частиц, из которых состоит данное вещество, определяет его агрегатное состояние. В каких агрегатных состояних могут находиться вещества в зависимости от внещних условий? “ Как вы думаете, к каким явлениям — физическим или химическим — относится переход вещества из одного агрегатного состояния в другое? Ответ мотивируйте. Учтите, что этот переход не сопровождается изменением состава вещества, но обязательно связан с большим или меньшим изменением его структуры. 94 в философском смысле зеодество ?1/!ассой покон В химии же понятие о веществе несколько ограничено, поскольку оно охватывает только химическую форму материи. С этой точки зрения веилеаво -- это .:u ^. частиь «агьммых ' дяидзйся в яюбоди м.:х ipcx .‘;г-;,е ... .'ЯЯ' НИИ. в настоящее время известно свыще двенадцати миллионов веществ, и этот список чуть ли не ежедневно пополняется. Согласно современным представлениям о химической связи все вещества являются химическими соединениями^ поскольку содержат химически связанные между собой атомы элементов; если это атомы одного элемента — простые вещества, если нескольких элементов — сложные. Так, воду можно разложить на водород Н2 и кислород О2, а молекулы Н2 и О2, в свою очередь,— на атомы водорода Н и кислорода О. Следовательно, вещества принято разделять на простые и сложные (схема 3). Дайте определение и приведите примеры простых и сложных веществ, пользуясь схемой 3. 95 Простые вещества представляют собой формы существования элементов в свободном виде. Некоторым элементам соответствует несколько простых веществ (аллотропных форм), которые могут различаться как по составу, например кислород От и озон О3 для элемента кислорода, так и по строению кристаллической решетки, например алмаз, графит, карбин для элемента углерода. Каждому веществу присущ набор специфических свойств — объективных характеристик, которые определяют индивидуальность конкретного вещества и тем самым позволяют отличить его от всех других веществ. Свойства веществ определяются их составом и строением, т. е. характером связей, возникших между атомами, и их пространственным расположением. • В виде каких аллотропных форм существует элемент фосфор? Раскройте зависимость между составом, строением и свойствами его аллотропных форм. * Напишите структурные формулы бутана и изобутана и объясните. что общего и чем эти изомеры отличаются друг от друга. Свойства веществ существенно изменяются в зависимости от присутствующих примесей. Поэтому для чистых веществ введено понятие «химический индивид», что означает, состоящий только из атомов (молекул, ионов) определенного вида. Получение абсолютно чистых веществ, очевидно, практически невозможно, хотя в настоящее время используют методы, снижаюгцие содержание примесей до нескольких атомов на 10^—атомов основного элемента. Сложные вещества также классифицируют по определенным признакам. Вспомним, к примеру, на какие классы делятся неорганические вещества (схема 4). * Рассмотрите схему 4. Дайте определения каждому классу неорганических веществ и приведите соответствующие примеры. * Какие классы органических веществ вы знаете? Укажите форм\-лу и название характерного представителя каждого класса. 96 Золотая пектораль (Скифия, IV в. до и. э.) Периодическая система химических иО 4 О 5 в. ьа Е= ГРУППЫ II III IV Н 1 I 0070 Is' подород Li литий 3 6.941 [Не]2*‘ 8е 9.0122 {He]2s^ В бор 5 10,8П С ,2.0П [He]2s'2p' углерод__________ N 14,007 [He]2s'2p' азот Na натрий И 22.990 [Nells' Mg магйий 12 24>» [NePs’ А1 13 алюминии Si 28,0^ [Ne]3s^3p* кремний_________ Р 15 Г 30,974 [Ne]3s'3p^ фосфор___________ к калии 19 39.098 [АгН*' СЯ 40,078 (Аг]4»" кальций 44,956 Sc [Ar]3d‘4s' __________скандий 22 р|р« 47,88 1 1 (Ar]3dMs" титан 23 50,942 V [Ar]3d'4s' ванадий 63,546 Си [Ar]3d"’4s' медь 30 65,39 [Ar]3d"'4s' Zn цинк Ga 69,723 [Ar]3d"’4s^4p' галлий Ge 72,59 [Ar]3d'”4s'4p^ германий_________ Л AS 74,922 [Ar]3d"’4s'4p' МЫШЬЯК Rb 8«,46К рубидий [Kr]5s' Sr стронций 38 87,62 IKrlSs- 39 88,906 Ж (Kr]4d'5s' __________иттрий 47 А 107,87 А2 [Kr]4d'‘*5s’ __________серебро П2.4, Cd [Kr]4d“'5s' ___________кадмий Т in П4,82 (Kr]4d"'5s^5p' ИНДИЙ______________ 7г 91,224 ZjL [Kr]4d"5s' ______цирконий 92,906 Nb [Kr]4d^5s‘ ниобий Sn 118,71 (Kr]4d"’5s'5p' ОЛОВО Sb 51 121.75 {Kr]4d'“5s'5p' сурьма_____________ Cs цезий 55 132.91 pCe}6s’ Ba 137.» 138,91 *La барий (Xe)6s' (Xe]5d'6s' лантан W8.49 Hfl pCeK'5dV ______гафний 73 г|п 180,95 1 В [Xej4f^^5d^6s^ тантал 79 A 196,97 All tXeK"5d"'6s' ЗОЛОТО 80 XT’ 200,59 XIS lXe]4f*^5d"*6s^ _____________ртуть T1 204,38 (Xe]4f*‘5d"’6s^6p' таллий Pb 207*2 [Xe]4f"5d"’6s'6p' свинец________ Bl 208,98 [Xe]4f"5d"'6s'6p' висмут____________ Fr фртнции 87 (223) |Rnl7s* Ra 226,02 [Rn)7s' радий______________ **27) **AC (Rn]6d'7s' актиний •04 ijrt (261) (Rn]5f"6d^7s' реэерфордий ,262, Db [Rn]5f“6d’7s^ __________дубний Высшие оксиды R,0 RO RjOj RO, RjOg Летучие водород* иые соединения RH. RH, 140,12 CC (Xe]4f'5d''6s' церий 59 X» 140,91 Pr [Xe]4f’5d‘’6s-празеодим ^4,24 Nd [Xe)4f'5d"6s' неодим П47) Pm [Xe]4f’5d°6s' прометий 150,36 Sm [Xe]4f‘5d"6s' самарий 63 -W-9 151,96 HjU [Xe)4f’5d°6s-европий ^7,25 Gd [Xe]4f’5d‘6s-гадолиний 232,04 Th [Rn]5f‘6d*7s‘ ________торий 91 ¥> (231) Pa [Rn)5f-6d’7s^ протактиний TT 238,03 U [Rn]5f’6d'7s’ ;_______уран Np 93 (237) tRn)5f'6d'7s' нептуний ’“44, Pu [Rn]5f‘6d"7s' плутоний Am 95 (243) [Rn]5f’6d'’7s‘ америций 96 ^ (247) in (Rn]5f’6d'7s* кюрий элементов (короткая форма) ЭЛЕМЕНТОВ VI VII VIII Не Is О 15,999 [He]2s^2p‘ кислород F 18,998 [He]2s^2p’ фтор Ne 10 20,179 [He]2s^2p‘. 16 32,066 [Ne]3s^3p^ сера Cl 35,.» tNe]3s^3p’ хлор______________ A ** A Г 39,948 tNe]3s^3p‘ аргон______________ Порядковый Название номер элемента систематическое Электронная конфигурация »,996 СГ tAr]3d’4s' _________хром 54,938 ]У1П tAr]3d’4s^ марганец »,847 Fe [Ar]3d^4s^ железо ”,933 Со [Ar]3d’4s^ кобальт 28 жт* 58,69 Nl [Ar]3dMs^ никель Se 78.'9^ tAr]3d'“4s^4p' селен И 35 иг 79,904 [Ar]3d“’4s^4p= бром_____________ Кг 83,“ tAr]3d'“4s^4p‘ криптон______ 9?,94 МО tKr]4d’5s' молибден 43 (99) tKr]4d’5s-________технеций Тс т.оу RU [Kr]4d’5s' рутений to2,9, Rh (Kr]4d‘5s‘ ____________РОДЦ1Й “.42 Pd [Kr]4d‘'’5s" _______палладий г|п 52 1 С 127,60 [Kr]4d'''5s'5p' теллур________ 53 126,90 pCrnd'^Ss^Sp’ иод V 54 Л.С 131,29 ксенон U3,85 W (Xe]4f“5d-‘6s" вольфрам 186,21 RC [Xe]4f"^5d’6s^ ____________рений m2 Os (Xe]4f'*5d‘6s* осмий 77 j 192,22 1Г (Xe]4f‘-'5dV ___________иридий 195,08 Pt [Xe]4f"5d'’6s‘ плотина Po 84 (209) tXe]f“5d'“6s"6p‘ полоний A 4. *5 Al (210) (Xe]4f'"5d“’6s^6p' астат Rn (222) P(e]4f“5d'"6s"6p' радон____________ 106 (263) »g tRn]5f‘*6d*7s^ _______сиборгий Bh [Rnl5f*"6d*7s^ _________борий 108 ЖЖ (265) XlS (Rn]5f*'6d*7s' _________ гасий Mt tRn]5f"6d'7s^ майтнерий 110 T T Uun tRn]5f"6d*7s^ унуннилий RO, RjO? RO. HjR HR 65 Tpi_ 158,93 1 D [ХеНГ’за^’бв^ тербий 66 162,5 Dy (Xe)4f'‘’5d°6s^ диспрозий 67 YT 164,93 XIO (Xe]4f'‘5d'’6s' гольмий 68 -ж^ 167,26 ЕГ (Xe]4f'^5d‘’6s^ зрбий 69 г|п 168,93 lin (Xe34f''5d‘’6s-тулий m,04Yb (Xe]4f^^5dW иттербий 174,97 Lu [Xe]4f“5d'6s-лютеций P47) Bk (Rn]5f’6d‘‘7s-берклий 98 (249) \^1 [Rn]5f^°6d°7s' калифорний!: U52) Es [Rn]5f^'6d"7s^ эйнштейний 100 (257) Fin (Rn]5f^=6d‘’7s^ фермий k2»)Md tRn]5f‘'6d"7s" менделевий <02 TVT (259) JMO [Rn]5f"6d°7s^ нобелий 103 J (260) JLr [Rn]5f'*6d'7s- лоуренсий Периодическая система химичс ГРУППЬ IA ИА 1ИБ IVB VB VIE VIIB VIII s-элементы <- - - ► 1,0 н тяррад 1 2 6»9 V:;:,. Li 3 9,6 Be бвриятМ 4 с/-элементы 3 5»,0 Na натрий 11 24.3 Mg МСШИЙ 12 39.1 40.1 45,0 47,9 50.9 52,0 54,9 55,9 58.9 К Ca Sc Ti V Сг Мп Fe Сс ' ка/шциЙ скандий титан ванадий хром марганец железо кобал 2S 21 22 23 24 25 26 27 85,5 «7,6 88,9 91,2 92,9 95,9 (99) 101,1 102,‘ 5 Rb Sr Y Zr Nb Мо Тс Ru Ш рувтаднй : 61|1|ШЦ|ЙЙ итрий цирконий ниобий молибден технеций рутений роди 37 39 40 41 42 43 44 45 П2 9 137.3 138,9 178,5 181,0 183,9 186,2 190,2 192,: 6 Cs Ва La* Hf Та W Re Os 1г цеаий лантан гафний тантал вольфрам рений осмий ирид^ ■ ; 58 : 57 72 73 74 75 76 77 (223) : - (227) (261) (262) (263) (262) (265) (266 7 Fr Ac** Rf Db Sg вь Hs Ml фр»а^й : ' iW«: актиний реэерфордий дубний сиборгий борий гасий майтне| «7 88 89 104 105 106 107 108 109 140.1 Се церий 58 140,9 Рг празеодим 59 144,2 Nd неодим 60 (147) Pm прометий 61 150.4 Sm самарий 62 152,( Ей европ! 63 232.0 Th торий (231) Ра протаетиний 238,1 и (237) Np (244) Pu {243 An X элементов (длинная форма) ЛЕНТОВ 1Б ИБ IIIA IVA VA VIA VIIA VIIIA /7-элементы 10,8 12,0 14,0 16,0 19,0 20,2 В С N О F Ne бор углерод азот кислород фтор неон 5 6 7 8 9 10 27,0 28,1 31,0 32,1 35,5 39,9 А1 Si р S С1 Аг алюминий кремний фосфор сера хлор аргон ► 13 14 15 16 17 18 18,7 63,5 65,4 69,7 72,6 74,9 79,0 79,9 83,8 Si Си Zn Ga Ge As Se Вг Кг 1кель медь цинк галлий германий мышьяк селен бром криптон 28 29 30 31 32 33 34 35 36 06,4 107,9 112,4 114,8 118,7 121.8 127,6 126,9 131.3 *d Ag Cd In Sn Sb Те I Хе ла^й серебро кадмий индий олово сурьма теллур йод ксенон 46 47 48 49 50 51 52 53 54 Е>5.1 197,0 200,6 204,4 207,2 209,0 (209) (210) (222) Pt Аи Hg Т1 РЬ Bi Ро At Rn атина золото ртуть таллий свинец висмут полоний астат радон 78 79 80 81 82 83 84 85 86 ЦП (НИЛИЙ 110 /■элементы 57,3 )ЛИНИЙ 64 >47) "ш )рий 158,9 ТЬ тербий 65 (247) Вк берклий 162,5 Dy диспрозий 66 (249) Cf калифорний 164,9 Но гольмий 67 167,3 Ег эрбий 68 (252) Es эйнштейний (257) Fm 168,9 Tm тулий 69 173,0 Yb иттербий 70 (258) Md мендк певий 1П1 (259) No нобелий 1ПТ 175,0 Lu лютеций 71 (260) Lr Саркофаг египетского фараона Тутанхамона (около 1400—1392 до н. э.). На его сооружение пошло более 100 кг золота ,i uw T K. ia(44i : Г(НС1) =1:1:2, т. е. 1 л водорода соединяется с 1 л хлора и при этом образуется 2 л хлороводорода. Следовательно, ;; В уравнениях химических реакций коэффици-11 енты перед формулами газообразных веществ i соответствуют их объемам. Как объяснить выявленную закономерность? Закон Авогадро. Выявленную Ж. Гей-Люссаком закономерность объясняет закон, открытый в 1811 г. итальянским ученым Амедео Авогадро. АМЕДЕО АВОГАДРО (1776—1856) Итальянский физик и химик. Заложил основы молекулярной теории, открыл олин из газовых законов, названный его именем. Определил состав и относительную молекулярную массу многих веществ. Доказал, что молекулы водорода, кислорода, азота, хлора двухатомны. Eio работы способствовали дальнейшему развитию атомно-молскуля|)нон теории. 105 в равных объемах различных газов при одинаковых условиях (давлении и температуре) содержится одинаковое число молекул. Из закона Лвогадро вытекают два следствия. Следствие первое: I; один моль любого газа при одинаковых услот ВИЯХ занимает одинаковый объем. Г1ри нормальных условиях (давлении в 1 атм (101325 Па) и температуре 273,15 К или 0 °С) объем 1 моль любого газа будет равен 22.4 л. Постоянная К,„ = 22.4 л/моль называется молярным объемом газа при нормальных условиях (н. у.). При любых условиях молярный объем газа — это величина, равная отношению объема газа при данных условиях к количеству вещества этого газа V.,. = V I! где — молярный объем газа, м^/моль (л/моль); V— объем газа при данных условиях, м (л); п — количество вещества газа. моль. При стандартных условиях (давлении в 1 атм (101325 Па) и температуре 298.15 К или 25 °С) молярный объем газа равен не 22,4. а 24.4 л/моль. Молярный объем газа можно вычислить также, зная молярную массу газа М и его плотность. Молярный объем газа — это величина, рав-■ ная отношению молярной массы газа к его плотности М F,„ =—. где V„, — молярный объем газа, м ,/моль(л/моль); М—молярная масса газа, кг/моль (г/моль); р — плотность газа. кг/м‘^ (г/л). 106 Следствие второе: масса одного и того же объема газа тем больше, чем больше масса его молекул. Если в одинаковых объемах газов при одних и тех же условиях содержится одинаковое число молекул, то очевидно, что ;| отношение масс одинаковых объемов газов при одних и тех же условиях равно отношению их молярных масс "'1 пь М м. где пц — масса определенного объема первого газа; nij — масса такого же объема второго газа; М| и А42 — молярные массы соответственно первого и второго газов. Отношение массы определенного объема данного газа к массе такого же объема другого газа (взятого при тех же условиях) называется относительной плотностью первого газа по второму: <>’\ п п —- А ИЛИ и - ///-, М-, Следовательно, можно утверждать, что плотности раз.пичных газов, взятых при одинаковых условиях, пропорциональны их молярным массам Р2 м м. Периодический закон. Основываясь на атомно-молекулярном учении и .химических свойствах элементов, Д. И. Менделеев в 1869 г. открыл периодический закон — один из основных законов природы. Современная формулировка периодического закона: 107 !j свойства элементов, а также свойства образуе-|1 мых ими простых и сложных веществ находятся j I в периодической зависимости от зарядов ядер 11 их атомов. • Вспомните историю открытия Д. И. Менделеевым периодического закона. • Расскажите о периодической системе с точки зрения строения атома. Кроме известной вам так называемой короткой формы изображения периодической системы, используется еще и «длинная» форма, также предложенная самим Менделеевым. Вообще-то существует много вариантов изображения периодической системы и не только в виде таблицы. Но из табличных вариантов в настоящее время наиболее распространенными являются короткая и длинная формы. Они взаимно дополняют друг друга и в целом идентичны. Однако в последнее время длинная форма приобретает больщую популярность, поскольку она ярче согласуется со строением атомов химических элементов. В длинной форме (см. вклейку) большие периоды, так же как и малые, занимают только одну горизонталь, на два ряда не делятся. Слева располагаются 5-элементы, в атомах которых заполняются л-орбитали; справа—/^-элементы, в атомах которых заполняются /(-орбитали. У 5- и /(-элементов заполняется внешний электронный слой. Среднюю часть больших периодов занимают так называемые пере.ходные элементы, в атомах которых заполняются J-орбитали предвнешнего слоя. Семейства лантаноидов и актиноидов — это /-элементы. У них заполняется третий снаружи слой. Эти семейства, как правило, выносят за пределы таблицы как в короткой, так и в длинной формах. Различие в последовательности заполнения электронных слоев (внешних и более глубоко расположенных) объясняет причину различной длины периодов. Длинная форма периодической системы включает 16 групп — 8 главных и 8 побочных (подгрупп нет), обозна- 108 ДМИТРИЙ ИВАНОВИЧ МЕНДЕЛЕЕВ (1834—1907) Русский химик, разносторонний ученый, педагог, прогрессивный общественный деятель. Открыл периодический закон химических элементов (1869). Создал периодическую систему, которую неустанно совершенствовал. Она получила полное признание еще при жизни Менделеева. Поражает широта интересов ученого: он автор многих фундаментальных исследований по химии, химической технологии, физике, метрологии. воздухоплаванию, метеорологии, сельскому хозяйству, народному просвещению и др. Был избран членом Лондонского королевского общества. Римской, Парижской. Берлинской АН. а также почетным членом многих научных обществ России, Западной Европы и Америки. чаемых буквами А и Б. Положение в группах л- и /(-элементов определяется общим числом электронов внешнего слоя, а элементов — общим числом х-электронов внешнего и J-электронов предвнешнего слоев. Периодическая повторяемость строения внешних электронных оболочек атомов является причиной периодического изменения свойств химических элементов. В этом заключается физическая сущность периодического закона, которая не зависит от формы представления периодической системы элементов. Открытие в конце XIX в. электрона, радиоактивности, сложного строения атома, элементарных частиц привело к тому, что многие положения классического атомно-молекулярного учения пришлось пересмотреть. Так, еще Д. И. Менделеев говорил об атоме как о химически неделимой частице. Исследование свойств твердых тел показало, что в подавляющем большинстве случаев молекулярная теория к ним неприменима. Кристаллы солей состоят не из молекул, а из ионов, существование которых никак не вытекает из основ атомно-молекулярной теории. И все же основные представления атомно-молекулярной теории прочно вошли в химическую науку. Все открытия 109 физики и химии XX в. привели лишь к сужению границ применимости этой теории, но не поколебали ее основ. Даже современная квантовая химия, в рамках которой нет никакой необходимости рассматривать молекулы как частицы, состоящие из атомов, сохраняет эти представления. Основы атомно-молекулярного учения широко используются не только в современной химии, но и в физике, биологии, геологии, астрономии и других естественных науках. Задания для самоконтроля 135. Сформулируйте закон сохранения массы. Кем он был открыт и какое значение имеет? 136. Для сгорания 100 г метана необходимо 400 г кислорода. При этом образуется 225 г воды. Определите массу образовавшегося оксида углерода(1У). 137. Что вам известно о постоянстве состава веществ? 138. Сформулируйте закон объемных отношений и объясните его на конкретном примере. 139. Хватит ли 400 м'^ кислорода для сжигания 100 м’пропана? 140. Сформулируйте закон Авогадро и объясните следствия из него. 141. Определите объем водорода (н.у.), выделившегося при взаимодействии алюминия количеством вещества 0.5 моль с раствором серной кислоты. 142. Элемент, атом, молекула простого вещества— в чем различие этих понятий? 143. Сформулируйте периодичеекий закон и раскройте его значение. 144. Из указанных элементов третьего периода наиболее ярко выраженными неметаллическими свойствами обладает (1) алюминий; (3) сера; (2) кремний; (4) .хлор. 145. Основные свойства элементов главной подгруппы первой группы с увеличением протонного числа (порядкового номера) (1) ослабевают; (2) усиливаются; (3) остаются неизменными; (4) ослабевают, а затем усиливаются. 110 146. Формула соединения азота с кислородом, в котором массовая доля азота составляет 30.4 %, а молекулярная масса в газообразном состоянии равна 92. это: (1) N.Oj: (3)N,0,; (2) NO; (4) N\0. 147. Что. по вaшe^ty мнению, позволяет считать элементы С1 и I аналогами, а что указывает на их различия? 148*. Массовая доля водорода в соединении с элементом IV группы равна 0,125. Водородное соединение этого элемента имеет формулу (Г)СН.,; (3)СеН4; (2) SIHj: (4) SnH,. 149*. При взаимодействии двухвалентного металла массой 6,85 г с водой выделился водород объемом 1,12 л (н. у.). Этот металл (1) Са; (3)Mg; (2) Ra; (4) Ва. § 24. ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Учение о химической связи — одно из основных в химии. Ведь химические элементы встречаются в природе главным образом не в виде отдельных атомов, а в виде простых или сложных веществ. Лишь немногие .химические элементы — гелий Не. неон Ne, аргон Аг, криптон К.г, ксенон Хе — в природных условиях находятся в атомном состоянии (в состоянии одноатомного газа), что объясняется устойчивостью электронных оболочек атомов инертных газов. • Сравните строение атомов инертных газов, укажите общее и отличное в их строении. Напишите графические формулы и электронную конфигурацию атомов гелия, неона, аргона. Свободные атомы всех остальных химических элементов стремятся образовать более сложные системы — молекулы или иные агрегаты атомов, где последние связаны химическими силами, имеющими электростатическую природу. При этом образуются различные типы химической связи, основные из них — это ковалентная, ионная, металлическая. 111 Ковалентная связь. Связь, осуществляемая посредством общих электронных пар, называется ковалентной. Вы уже знаете, что среди свободных атомов различных химических элементов наиболее стабильной электронной конфигурацией обладают атомы гелия (15^) и атомы остальных инертных газов (ns^np^). Можно ожидать, что атомы других химических элементов стремятся приобрести электронную конфигурацию ближайшего инертного газа как отвечающую минимуму энергии и, следовательно, наиболее стабильную. Это достигается, например, при образовании общих электронных пар, в одинаковой мере принадлежащих соединяющимся атомам и взаимодополняющих их электронную оболочку до устойчивой конфигурации типа 15 или ns пр . Так образуются, например, молекулы галогенов, метана и многих других органических и неорганических веществ; :С1- + -Cl: ^ :СЬС1: Н •С--ь4-Н^Н:С:Н Н Ковалентная связь, как мы видим на примере хлора, может возникать не только между одинаковыми, но и между разными атомами, как в молекуле метана. Рассмотрим еще пример: Н- •р:^Н :р: В этом случае образовавщаяся общая электронная пара испытывает более сильное притяжение со стороны атома фтора как более электроотрицательного элемента. Происходит смещение общей электронной пары в сторону более электроотрицательного элемента и образуется полярная ковачеитная б+ S-связь Н F. Разновидностью полярной ковалентной связи является связь, образованная по донорно-акцепторному механизму. 112 Такая связь присутствует в ионах аммония и гидроксония. Например, при взаимодействии аммиака с соляной кислотой образуется хлорид аммония NH4CI: NH3 + НС1 = NH4C1 В ионной форме: NH3 + H^ + Cr=NH; +СГ NH3 + = nh; Как же образовался ион аммония NH4? За счет чего ион водорода присоединился к молекуле аммиака? В молекуле аммиака NH3 атом азота имеет неподеленную электронную пару, которая переходит на свободную орбиталь иона водорода и становится общей для азота и водорода, в результате чего образуется ион аммония: Н H:N: +Н^ Н Н H:N:H Н Частичка, предоставившая для образования химической связи неподеленную электронную пару электронов, называется донором, а частичка, принявшая эту пару электронов на свою свободную орбиталь, называется aKtfenmopoM. Механизм образования ковалентной связи за счет неподеленной парь! электронов одного атома и свободной орбитали другого называег-1 ся донорно-акцепторным. При этом все четыре связи N—Н в ионе аммония NH4 во всех отношениях равноценны (по длине связи, энергии и пр.). Они лишь образовались различными способами. 113 Следовательно, известно два механизма образования ковалентной связи: 1. Механизм спаривания, когда каждый атом, образуя ковалентную связь, поставляет по одному электрону для образования общей электронной пары, принадлежащей обоим атомам. 2. Донорно-акцепторный механизм, когда электронная пара для образования связи поставляется только одним атомом. Ионная связь. Химическая связь, обусловленная электростатическим притяжением разноименно заряженных ионов, в которые превращаются атомы в результате отдачи или присоединения электронов, называется ионной. Устойчивая элекгронная конфигурация атома (как у ближайшего инертного элемента) может быть достигнута за счет перехода электронов одного свободного атома к дру10му с образованием ионов, которые соединяются силами электростатического притяжения. Например, при взаимодействии атомов натрия ( 15^2,у^2//з.у') с атомами хлора (1.у^2.у"2/?*^3.у“3р^) происходит переход электрона с З.у-орбитали атома натрия на Зр-орбиталь атома хлора. При этом атом натрия превращается в положительно заряженный ион со стабильной конфигурацией ближайшего инертного элемента — неона (2/?^’). Атом же хлора принимает этот электрон на 3/?-орбиталь. превращаясь в отрицательно заряженный ион с электронной конфигурацией \s^2s~2p^3s"3p^, характерной для аргона. Противоположно заряженные ионы прочно удерживаются силами электростатического притяжения. Этот процесс можно отразить схемой: Na- 4- -Cl: -> [Naf [:СЩ~ Следовательно, ионную связь можно рассматривать как крайний случай полярной ковалентной связи. Ионная связь образуется между атомами таких элементов, которые значительно отличаются по своей электроотрицательности. Американский ученый Лайнус Полинг определил 114 э.чектроотрицателъиостъ как спосооность атомов в молекуле притягивать электроны. Чем выше разность электроотрицательностей у атомов, тем выше степень ионности связи. Провести резкую границу между различными типами химической связи невозможно. Это объясняется тем, что тип связи зависит от различных значений электроотрицательно-стен атомов элементов, которые взаимодействуют друг с другом, от характера распределения электронной плотности в веществе и др. Поэтому в большинстве соединений химические связи в действительности оказываются промежуточными между неполярной ковалентной и ионной связями, а в «чистом» виде они встречаются редко. Металлическая связь. Это особый вид связи, обусловленный тем, что у атомов всех металлов имеется избыток орбиталей, но недостаток электронов. Например, рассмотрим строение электронной оболочки атома лития или натрия; Р ,Li t ,Na \s^2s^2p^3s' Ha внешнем электронном уровне единственный валентный электрон занимает одну из четырех орбиталей. В кристалле лития или натрия ;уго позволяет валентным электронам свободно перемещаться в пространстве, переходя с одной орбитали на другую. Такие электроны становятся обобществленными (электронный газ), как бы принадлежащими всем атомам лития (натрия) одновременно. Более того, непрерывно перемещаясь между положительными ионами и электростатически притягивая их, эти обобществленные электроны обеспечивают металлическую связь, стабильность металлической решетки. 11 Металлическая связь — это тип химической 1: связи, обусловленный взаимодействием ва-I! лентных электронов (электронного газа) с по-! ложительно заряженными ионами кристаллической решетки металлов. 15 Металлическая связь является делокализованной: она не имеет определенной направленности, поскольку в ее образовании принимают участие все атомы куска металла. Водородная связь. Атомы водорода одной молекулы могут взаимодействовать с атомами очень электроотрицательных элементов (О, N, F) другой молекулы, образуя так называемую водородную связь. Например, в молекуле фтороводорода HF связь между атомами водорода и фтора ковалентная и сильно полярная, поскольку фтор более электроотрицательный элемент. Общая электронная пара сильно смещена к атому фтора (показывается стрелкой). В результате на атоме фтора возникает частичный отрицательный заряд 5- (дельта минус), а на атоме водорода — частичный положительный заряд 5+ (дельта плюс); Н :F: Н (частичные заряды по абсолютному значению меньше 1). Молекула HF становится полярной, возникает диполь, который может взаимодействовать с диполем другой молекулы за счет электростатического притяжения, образуя водородную связь (обозначается тремя точками): 5+ н 5- F- 5+ • н 5+ • н Наряду с электростатическим взаимодействием при образовании водородной связи проявляется и донорно-акцепторное взаимодействие. Это объясняется тем, что атом водорода положительно поляризуется при смещении единственного электрона и, имея очень малые размеры, создает электрическое поле высокого напряжения, вследствие чего он может глубоко внедряться в электронную оболочку соседнего, ковалентно с ним не связанного, отрицательно поляризованного атома. Поэтому водород в данном случае условно называют акцептором, а фтор — донором электронов. Водородная связь слабее ионной или ковалентной, но она значительно прочнее обычного межмолекулярного взаимодей-етвия. Водородная евязь ветречаетея во многих неорганичееких и органичееких вещеетвах (вода, аммиак, епирты, карбоновые киелоты, белки). Например, молекулы воды, где общие электронные пары еильно емещены к киелороду, могут образовывать четыре водородные евязи: Н Н Ч / О н н ч /• о н н ч /• о Между молекулами епиртов также возникает химичеекое взаимодейетвие — водородная евязь: н-о-н- I R ■? R Н-О R Водородная евязь очень раепроетранена в природе. Она играет важную роль при аееоциации молекул, в процеееах рае-творения, криеталлизации, электролитичеекой диееоциации и в других важных физико-химичееких процеееах. Предполагают. что водородная евязь играет большую роль в механизме наеледетвенноети: дейетвие памяти евязывают е хранением информации в молекулярных образованиях о водородными евязями. Задания для самоконтроля 150. Раскройте сущность основных типов химической связи на конкретных примерах. Одинакова ли их природа? 151. Как на основании строения молекулы аммиака объяснить его способность образовывать ион аммония? 152. Даны вещества: хлор, хлороводород, хлорид калия, этанол. Чем различаются эти вещества по своему строению и типу химической связи? 117 153. Объясните образование химической связи в молекулах фтора. оксида углерода(1У) и сероводорода. 154. Объясните образование химической связи в бромиде калия и сульфиде натрия. 155. Среди перечисленных формул веществ найдите вещества с ионным, полярным и неполярным ковалентным типами связи и объясните, как они построены: НВг. СН.,, Н^О. ZnCU. СС1^, NH,. СаО. NaOH. SO.. 156. В каком из соединений, формулы которых приведены, между атомами образуется ковалентная связь по донорно-акцепторному механизму, объясните ее: (1) КС1: (3)CCl4; (2) NH^Cl; (4) COj. 157. Объясните строение молекул метана, этана и этилена. Укажите химические связи. 158. Объясните механизм образования водородной связи. 159*. Почему температура кипения спиртов значительно выше. чем у соответствующих углеводородов? 160*. Почему в альдегидах в отличие от спиртов водородная связь не образуется? 161*. Почему многие неорганические вещества, например гало-геноводороды, имеющие ковалентную связь, в водном растворе подвергаются диссоциации и образуют ионы? § 25. СТРОЕНИЕ НЕОРГАНИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В зависимости от физических условий (температуры и давления) вещества могут существовать в различных агрегатных соетояниях: газообразном, жидком, твердом (криеталлическом и аморфном), плазменном. Плазменное еоетояние достигаетея при выеоких темпера-ту'рах. когда вещеетва иепаряются. распадаютея на атомы, которые превращаются в ионы. Таким образом, плазма — это ионизированный газ. В газах расстояния между частицами (атомами, молекулами) больщие. Вследствие этого газообразное еоетояние характеризуется слабым взаимодействием частиц и неупорядо- 118 ценным их расположением (частицы свободно перемешаются и занимают весь предоставленный им объем). В жидкостях частицы расположены значительно ближе друг к другу, поэтому взаимодействие между ними сильнее, чем в ['азах. Структура жидкости характеризуется определенным порядком в расположении частиц, однако он постоянно меняется вследствие теплового движения частиц. Наиболее упорядоченным является кристаллическое состояние. Кристаллические решетки. Почти все твердые вещества имеют кристаллическое строение. Структура кристаллических веществ может быть представлена при помощи кристаллической решетки — определенного пространственного расположения частиц (атомов, молекул, ионов). В зависимости от того, какие частицы находятся в узлах решетки и от природы химической связи частиц в кристалле, различают ионные, атомные. молекулярные и металлические кристаллические решетки (рис. 25). В узлах ионных кристал.чических решеток находятся положительно и отрицательно заряженные ионы, как простые, например Na^ и СГ. так и сложные, например NH4 , NO3. SOj'. Они связаны друг с другом силами электростатического притяжения. т. е. в ионных кристаллах существует ионная связь. К соединениям с ионными решетками относятся большинство солей и некоторые оксиды. В узлах атомных кристаллических решеток находятся атомы. связанные между собой ковалентной химической связью (алмаз, диоксид кремния и др.). Много веществ с молекулярной кристшитческой решеткой^ в узлах которой располагаются молекулы, связанные между собой силами межмолекулярного взаимодействия. Это неметаллы. кроме углерода и кремния (водород, кислород, азот, инертные газы), почти все органические вещества и многие неорганические соединения (диоксид углерода, озон, вода и др.). 19 (Е5) О) Q) (3) О О О а 0000 0000 0 0 0© О00© ©ъ©ъ © © © © Гпс. 25. Кристаллические решетки: а — молекулярные: б — атомные; в — ионные; г — металлические В узлах метачличвских кристамических решеток расположены отдельные атомы и положительно заряженные ионы металла, между которыми находится электронный газ (рис. 25, г). Менее распространено для твердых тел аморфное состояние. В отличие от кристаллических тел вещества в аморфном состоянии не имеют строго регулярного упорядоченного строения и определенной температуры плавления (при нагревании они размягчаются и постепенно переходят в жидкое состояние). Различие в типе химической связи кристаллов определяет существенное отличие физических и химических свойств веществ с разными кристаллическими рещетками. Так, вещества с атомной кристаллической рещеткой характеризуются высокой твердостью, тугоплавкостью, нерастворимостью практически ни в каких растворителях. Вещества с молекулярной кристаллической рещеткой, напротив, легкоплавки, летучи, характеризуются небольщой твердостью. Причина в том, что силы межмолекулярного взаимодействия значительно слабее, чем силы ковалентной связи. 120 Вещества с ионными кристаллическими решетками по прочности занимают промежуточное положение: уступают веществам с атомной решеткой, но превосходят вещества с молекулярной решеткой. Они обладают сравнительно высокой температурой плавления, как правило, нелетучи. Зависимость свойств кристаллических веществ от типа химической связи между частичками показаны в табл. 4. Таопща ^ Физические свойства кристаллов Кристаллы Свойства Ковсыентные Ионные Металлические Атомные Молекулярные Температура плавления Очень высокая Невысокая Высокая Высокая Температура кипения То же Механические свойства Очень твердые Мягкие Твердые. хрупкие Твердые, ковкие и тягучие Электрическая проводимость Изоляторы (кроме графита) Изоляторы Изоляторы (электролиты в расплаве или водном растворе) Хорошие проводники (твердые и жидкие) Раствори- мость а) в воде б) в неполярных растворителях Нераство- римы Нераство- римы Растворимы Растворимы Нераство- римы Нераство- римы t t Эмпирическое правило: подобное растворяется в подобном Теория химического строения. Понятие «химическое строение» впервые ввел А. М. Бутлеров в 1861 г. Он отмечал, что свойства веществ определяются не только их составом 121 АЛЕКСАНДР МИХАИЛОВИЧ БУТЛЕРОВ (1828—1886) [русский химик-opi аник, профессор Казанского (1854—1868). а затем до копна жизни профессор Иетербургско|-о университетов, академик Петербургской ЛИ (с 1871). Почетный член Московского и Киевского университетов. Глава большой школы русских хими-ков-органиков. Создал и обосновал теорию химического строения. Первым объяснил явление изо.мерии. Получил изобутилен и открыл ^ реакцию его полимеризации. Синтезировал ряд органических соединений, в юм числе осуществил первый в истории химии синтез сахаристого вещества (1861). Его труды по гидратации этилена легли в основу одного из современных способов получения этилового спирта. (качественным и количественным), как считалось раньше, но и внутренней структурой молекул, т. е. порядком соединения между собой атомов, входящих в состав молекулы. Этот порядок и является химическим строением молекулы. В понятие «химическое строение» А. М. Бутлеров включал также характер связи атомов и их взаимное влияние друг на друга. Например, водород и кислород, образовавшие воду, настолько изменились от взаимного влияния, что В1'да уже не имеет свойств ни водорода, ни кислорода, из которых она образовалась. хотя и содержит элементы водород и кислород, входившие ранее в исходные простые вещества. В молекуле фенола С^НзОН бензольное ядро влияет на гидроксильную группу, усиливая ее кислотность (аналогия со спиртами): ОН Фенол 2Na -А 2 ON а + Hn't Фенолят натрия 122 Гидроксильная группа, в свою очередь, влияет на бензольное ядро, облегчая замещение в нем атомов водорода: ОН ОН + ЗВг: 3HBrt Фенол Вг 2.4.6-Трибромфепол Так. на примерах из неорганичеекой и органической химии мы наблюдаем взаимное влияние атомов. Вы уже знаете, что химичеекое отроение молекул выражают о помощью отруктурных формул. Структурные формулы показывают порядок I' связи атомов в молекуле, но не отображают г взаимного расположения их в пространстве. Структурные формулы воегда запиоывают для отдельной молекулы, обозначая черточкой каждую евязывающую электронную пару. Они еправедливы только для вещеетв молекулярного строения. К таким вещеетвам отноеятея большинетво органичееких еоединений, киелородеодержащие киелоты (кроме НРО3 и Н2810з) и некоторые океиды неметаллов (СО. СО2, N0, NO2, SO2. Н2О и др.). Так. етруктурные формулы еерной и укеуеной киелот Н-0. Н-О' 0 Н П н-с-с:^ Ъ н передают порядок раеположения атомов в молекулах этих кислот. Структурные формулы не следует путать с устаревшим графическим изображением формул, где черточкой изображается не общая электронная пара, а степень окисления элемента. Например, графическое изображение 123 формулы хлорида натрия Na—Cl нельзя считать структурной формулой, поскольку NaCl — ионное соединение. В узлах его кристаллической решетки содержатся не молекулы, а ионы Na^ и СГ. Между ними нет связи, образованной парой электронов. Ионы Na* и СГ удерживаются вместе благодаря элекзростатическо.му притяжению. Представляя химическую структуру как определенную последовательность атомов в молекуле и их взаимное влияние друг на друга, А. М. Бутлерову удалось раскрыть суть явления изомерии, известного со времен И. Берцелиуса. Это объясняется тем, что порядок соединения атомов в молекуле влияет на свойства веществ. Изомерия — это явление существования веществ с одинаковым качественным и количественным составом, но различным химическим I строением, а потому и разными свойствами. Напишите формулы возможных изомеров бутана и бутанола. Теория химического строения, которая вначале была сформулирована как учение о строении органических веществ, оказалась справедливой и для неорганических веществ, имеющих молекулярное строение. В результате она стала общей теорией химии. Задания для самоконтроля 162. Какие типы кристаллических решеток вы знаете и чем они характеризуются? 163. Почему температура плавления льда несравненно ниже температуры плавления алмаза? 164. Как можно, зная температуру плавления вещества и другие физические свойства, сделать вывод о характере его кристаллической решетки? Ответ мотивируйте. 165. Напишите молекулярные, структурные и электронные формулы этана, этилена, ацетилена. 166. Покажите с помощью структурных формул порядок соединения атомов в молекулах этанола, оксида углерода(1У), ортофос-форной кислоты. 124 167. Напишите структурные формулы изомеров пентана (их три) и укажите их названия по международной номенклатуре. 168. Напишите структурные формулы: а) 3-этилгептана; б) 2.4-диметилгексана; в) 2-метил-З-этилгептана; г) 2,2-диметилпро-пана. 169. В чем заключается сущность теории химического строения А, М. Бутлерова и каково ее научное значение, 170*. В чем заключаются причины резкого отличия в свойствах: а) оксида углерода(1У) и оксида кремния(1У); б) воды и сероводорода? 171*. Что общего и чем отличаются по своему строению молекулы метана, аммиака и воды? Как это скажется на их свойствах? 172*. При сжигании 7,2 г органического вещества, плотность паров которого по водороду равна 36, образовалось 22 г оксида угле-рода(1У) и 10,8 г воды. Определите строение исходного вещества, если известно, что при радикальном хлорировании его может образоваться только одно монохлорпроизводное. § 26. ВЗАИМОСВЯЗЬ СОСТАВА, СТРОЕНИЯ, СВОЙСТВ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕОРГАНИЧЕСКИХ И ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ На протяжении всего курса химии вы изучали свойства различных веществ в неразрывной связи с их составом и строением. Это позволяло характеризовать вещества вполне осмысленно. Например, в самом начале курса вы изучали свойства кислорода, водорода и воды на основе атомно-молекулярных представлений и научились объяснять свойства с точки зрения состава этих веществ. Затем вы обогатились конкретным материалом о веществах и их свойствах, узнали о видах химической связи и усвоили закономерность о зависимости некоторых физических свойств веществ от типов кристаллических решеток и уже знаете: j если известно строение веществ, то можно I предсказать их свойства, и наоборот: если из-i вестны свойства веществ, то можно определить их строение. 125 Например, вам предлагают определить свойства хлорида калия KCI. Зная, что это вещество с ионной связью, в кристаллах которого между ионами и С1~ действуют кулоновские силы притяжения, обеспечивая прочную связь, вы приходите к выводу, что хлорид калия — твердое вещество, тугоплавкое, нелетучее (малолетучее). Либо вам предлагают, например, сравнить вещества — фторид натрия NaF, фтор F2 и фторо-водород HF и предсказать, какое из них будет наиболее тугоплавким, а какое — самым легкоплавким. Вы сразу же обращаете внимание на состав и строение этих веществ. Фторид натрия NaF состоит из атомов натрия и фтора, которые резко отличаются друг от друга своей электроотрицательностью. Атом фтора как более электроотрицательный оттягивает на себя единственный электрон с внещней электронной оболочки атома натрия, в результате чего возникают ионы. Значит, это соединение с ионной связью. Отсюда следует, что в узлах кристаллической рещетки находятся ионы Na и фтора F”. Между ними действуют электростатические силы притяжения, которые сравнительно велики. Поэтому, чтобы расплавить фторид натрия, нужно эти силы преодолеть, разрущить кристаллическую рещетку. А это означает, что температура плавления фторида натрия должна быть высокой. Проанализируем теперь молекулу фтора F2. Она состоит из одинаковых атомов, с одинаковой электроотрицательностью, значит, химическая связь ковалентная неполярная. В узлах кристаллической рещетки фтора находятся неполярные молекулы F2. Межмолекулярные силы сцепления слабые. Следовательно, фтор должен иметь низкую температуру плавления. Молекула фтороводорода HF состоит из атомов разных химических элементов, но оба они — неметаллы. Значит, связь между ними ковалентная, но сильно полярная, т. к. электроотрицательность фтора значительно выще, чем у водорода. Силы сцепления между полярными молекулами фтороводорода HF значительно больще, чем между неполярными молекулами фтора F2. Поэтому температура плавления фтороводорода HF должна быть выще, чем у фтора F2, но гораздо ниже, чем у фторида натрия NaF —- ионного соединения. 126 Когда вы приступили к изучению органических веществ, то обнаружили, что закономерность о зависимости свойств веществ от их состава и строения особенно ярко проявляется на примере органических соединений. Проявлению этой закономерности способствует теория химического строения, на основе которой вы изучали органические вещества. Эта теория и раскрыла новую сторону связи между составом, строением и свойствами веществ. Так, например, если вам предлагают сравнить свойства пропилена С3Н5 и пропана СзН^, то вы прежде всего обращаете внимание на состав и строение этих соединений. Качественный состав у них одинаков: эти вещества состоят из атомов углерода и водорода. Но количественный состав различен: на одно и то же число атомов углерода (на три) приходится разное число атомов водорода 6 и 8. В молекуле пропилена не хватает двух атомов водорода до полного насыщения всех валентностей атомов углерода. Значит, пропилен — непредельный углеводород с одной двойной связью СНз—СН=СН2. В молекуле же пропана все валентности атомов углерода полностью насыщены атомами водорода, поэтому связи- в молекуле ординарные, т. е. простые СН3-СН2-СН3. Различие в строении молекул этих углеводородов обусловливает различие и в их химических свойствах. Так, пропилен легко окисляется перманганатом калия КМПО4 (фиолетовая окраска раствора быстро исчезает), а пропан, будучи насыщенным углеводородом, при этих условиях не окисляется. Пропилен за счет двойной связи вступает в реакции соединения — присоединяет водород, галогены и галогеноводо-роды: СНз—СН=СН2 + Н, ------> СН3—СНз—СНз Иропиасп Пропан СНз—СН=СН, -ь Вг. ----> СНз—СН—СНз “ ■ II Вг Вг 1.2-Дибром11ропап 127 СН.—СН=СН, + НВг СНз—СН—СНз Вг 2-Бромпропаи Молекулы пропилена благодаря двойной связи могут соединяться друг с другом, образуя длинные цепи молекул; лСН.=СН I СНз Пропилен (-СНз-СН-),, СНз Полипропилен Пропан в реакции соединения с другими веществами и в реакцию полимеризации не вступает, поскольку атомы углерода в его молекуле уже полностью проявили свою валентность, и у них нет больше электронов для установления дополнительных ковалентных связей. Он полностью насыщен атомами водорода. Однако есть и общее свойство у пропана и пропилена — их горючесть: СзН^ + 5О2 2СзНб + 9О2 -> ЗСО2 + 4Н2О -> 6СО2 + 6Н2О Оно объясняется одинаковым качественным составом этих углеводородов (углерод и водород). Применение веществ зависит от тех свойств, которыми они обладают. Так, если кислород обладает свойством поддерживать горение и дыхание, то и расходуется он главным образом при сжигании топлива, выплавке чугуна, при резке и сварке металлов, в медицине. Если метан, например, способен гореть, выделяя огромное количество теплоты, то и используется он в качестве топлива в быту и на производстве. Но в последнее время метан все больше применяют как химическое сырье, что также основано на его свойствах. Так, способность метана разлагаться на простые вещества при сильном нагревании используется для производства сажи, применяемой для получения печатной краски и резиновых изделий из каучука: 128 СНл С 2H,t Метан используют как сырье для получения водорода, необходимог о для синтеза аммиака и реакций гидрирования в органическом синтезе; N, + ЗН7 2NH. C17H33COOH + Нз -----> СрНззСООН Олеиновая кислота Сгеариионая кислота Способность метана вступать в реакции хлорирования используется для получения хлорпроизводных метана: CH4 + CI2 ---> СНзС1 + НС1 CH3CI + CI2 --> CH2CI2 + HCI CH7CI7 + си снек + Ci. -о- СНС1з + НС1 ССЬ + НС1 * Обоснуйте условия, при которых происходят реакции разложения метана, синтеза аммиака, гидрирования олеиновой кислоты, хлорирования метана. Все хлорпроизводные метана находят практическое применение. Так. .хлорметан CH3CI используется в качестве .хладо-агента в холодильных установках. Остальные хлорпроизводные метана — дихлорметан CH2CI2, трихлорметан (хлороформ) CHCI, и тетрахлорметан CCI4 — применяются как растворители. Кроме того, тетрахлорметан ССЙз используют для гашения огня в тех случаях, когда для этого нельзя примеиигь воду. Образующийся при хлорировании метана хлороводород используется для получения соляной кислоты HCI. Следовательно, помните, надо всегда стараться устанавливать связь между составом, строением, свойствами и применением вещества. В этом состоит основа осознанности ваших знаний, значит, и залог успеха в обучении. 129 Задания для самоконтроля 173. Сравните насыщенные и ненасыщенные (этиленовые) углеводороды и отметьте, что общего и чем они различаются. 174. Расскажите о применении этилена. На каких химических свойствах этилена оно основано? 175. Составьте уравнения реакций горения метана, этилена, ацетилена и вспомните, каким пламенем они горят. На основании состава этих углеводородов объясните такое химическое свойство ацетилена, как способность гореть коптящим пламенем. 176. На каких свойствах этилового спирта основано его применение? 177*. Покажите влияние строения молекул на свойства веществ на примере бромирования бензола и фенола. 178*. Почему оксид углерода(1У) и оксид кремния(1У) обладают различными физическими свойствами? 179*. Напищите структурные формулы двухатомного спирта этиленгликоля и угольной кислоты. Сравните строение их молекул и объясните, почему угольная кислота в свободном виде не существует. 180*. Сравните химические свойства двух жидкостей — гексана Cf,H|^ и бензола С(^Н^. Объясните, как состав и строение молекул сказываются на свойствах этих веществ. § 27. КЛАССИФИКАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИ Вы уже знаете, что одна из основных задач химии — получение веществ с заранее заданными свойствами. Для ее решения необходимо уметь проводить химические реакции и управлять ими. Химическая реакция, или химическое превращение,— это процесс, при котором из одних веществ образуются другие вещества, отличные по химическому составу и (или) строению. В настоящее время известно великое множество различных реакций. Вы уже знакомы с некоторыми из них и понимаете, что каждая реакция индивидуальна, поскольку в ней прини- 130 мают участие конкретные вещества с характерными для них химическими свойствами. Вместе с тем разные химические реакции имеют много общих признаков, что позволяет их классифицировать на основе того или иного признака (табл. 5). ! ии г К'лшч Пфтч!|1М1Я VII М И Ч ОС KU \ ()C:ii4Utiii № Признаки классификации Типы реакций 1 Изменение либо отсутствие изменений числа реагентов и продуктов реакции Соединения Разложения Замещения Обмена 2 Изменение либо отсутствие изменений степеней окисления элементов, входящих в состав реагирующих веществ Окислительно-восстановительные Без изменения степени окисления элементов 3 Выделение или поглощение энергии в ходе реакции Экзотермические Эндотермические 4 Тип одного из реагентов Галогенирование (хлорирование, бромирование) Гидрирование (гидрогенизация) Гидратация Г идролиз I Ытрование 5 Наличие катализатора Каталитические Некаталитические 6 Протекание реакций до конца Обратимые Необратимые Реакция соединения — это реакция, при которой из двух или нескольких веществ обра-зу«^тся одно новое вещество. 3Fe + 20, = Fe.O 3'-'4 2А1 + ЗВг2 = 2А1Вгз ВаО + Н2О = Ва(0Н)2 СаО + Si02 = Са810з 131 СИ,—СН=СН. + Cl -> сн^—сн—сн, I I С1 С1 сн. + ЗНз СН2=СН, + н—он НгС н,с СН2 СНо СНз -> СНз—CHj—он а?СН2=СН --» (—СН2—СН—), СНз I СН, Выразите словами сущность каждой реакции, уравнения которых приведены выше, назовите все вещества и, где возможно, реакции, укажите условия их осуществления. Реакция разложения - это реакция, при которой из одного вещества образуется два или несколько новых веществ, 2KNO3 = 2KNO2 + О2 2КСЮ3 = 2KCI + 30, 2КМПО4 = К2МПО4 -ь Мп02 + О, NH4CI = NH3 + НС! NH4NO3 = N2O + 2Н,0 2СН4-----> СзН.-ьЗНз С2Н5ОН----> С2Н4 + Н,0 -О СбН |20(, 2СН;—сн-с: он он СНз—СНз—СН2—СН2—СН2—СНз >|( )| + 4Н, СбН|20б --> 2С2Н5ОН + 2СО2 Выразите словами сущность каждой реакции, уравнения которых приведены выше, назовите все вещества и, где возможно, реакции, укажите условия их осуществления. Реакция замещения — это реакция между простым и сложным веществами, в процессе которой атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов в сложном веществе, в результате чего образуются новое простое и новое сложное вещества. 2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н2 Fe + 2HCI = FeCl2 + H2 8AI -г 3Fe304 = 4AI2O3 + 9Fe 2KBr + CI2 = 2KCI + Вг2 2CH3COOH + Mg ---> (CH3COO)2Mg + H2 OH ONa П 2Na 2 О H, OH 1 Br. OH 0 + ЗВГ2 > 0 у Br 3HBr 133 сн f-NO, H,S04 НС ------>■ С' ,N0, НСЧ:з;:^СН сн + Н20 Проанализируйте приведенные примеры и обратите внимание: если в неорганической химии реакция замещения — это реакция между простым веществом и сложным, то в органической химии это не обязательно. Может быть реакция и между двумя сложными веществами, но в процессе ее происходит замещение атомов в одном сложном веществе другим атомом второго сложного вещества или группой атомов. ® Выразите словами сущность каждой реакции, уравнения которых приведены выше, назовите все вещества и, где возможно, реакции, укажите условия их осуществления. Реакция обмена — это реакция, в процессе ' ‘ которой два сложных вещества обмениваются своими составными частями. CaCl2 + Na2C03 = СаСОз! -н 2NaCl РЬСМОз)2 + K2S = PbSi + 2KNO3 Са80з + 2НВг = СаВгз + S02t + Н2О КОН + H2SO4 = KHSO4 + Н2О СН3—ОН + НО^ ---------> СНз—О—СНз + Н2О ОН ONa +Н2О -О ч + Н.0 0-С2Н5 134 С2Н5—с о ч. + Н-ОН С2Н5СООН+С3Н7ОН 0-СЗН7 * Выразите словами сущность каждой реакции, уравнения которых приведены выше, назовите все вещества и, где возможно, реакции, напишите ионные уравнения и укажите условия протекания до конца реакций ионного обмена. Реакции, в процессе которых иг?и£-н??ются степени окисления элементов, вхпг.яи,!их з со-I; став реагирующих веществ,, avuc- ’! лительно-восстансвигельными. Степенью окщслентп нэзь?н.^отся заряд атома в веществе, вычиспевеый в предположении, что оно состоит из ионов. Протекание окислительно-восстановительных реакций и, следовательно, изменение степени окисления атомов обусловлено переходом электронов от одних атомов к другим. Процесс отдачи электроноз зеу.гествагли : называется окисленри1ем. Например: о +4 S - 4ё S о _ +2 Zn - 2е ^ Zn о 2Вг -2ё-> Вг2 -2 О 20 - 4ё —> О2 Вещества, которые в ходе .прег- ji ции отдают электроны, назызаю'^с^ еосстачо-:: вителями. В приведенных выше примерах сера, металлический цинк, бром в степени окисления -1, кислород в степени окисления -2 являются восстановителями. 'I Процесс приема веществами электронов на-: зывается восстанор’леиием. 135 ЛЕВ ВЛАДИМИРОВИЧ ПИСАРЖЕВСКИЙ (1874—1938) Украинский ученый, академик. Организатор и директор Украинского института физической химии (ныне Институт физической химии НАМ Украины им. Л. Писаржевского). Работал в области термодинамики реакций в растворах. Заложил основы электронной теории катализа. Развил электронно-ионную теорию. Сущность окисления определял как потерю электронов окисляющимся веществом, а восстановления — как присоединение электронов восстанавливающимся веществом. Его электронные представления стали основой для истолкования механизма электрического тока в гальваническом элементе. Например: о -2 02 + 4е 20 +1 о 2Н +2ё-А Нт +3 _ +2 Fe -(- е Fe +2 _ о Mg -1-2е Mg Вещества, которые принимают электроны, называются окислителями. В приведенных примерах окислителями являются кислород О2. водород в степени окисления +1. железо в степени окисления +3, магний в степени окисления +2. В любой окислительно-восстановительной реакции есть вещества, которые отдают и которые принимают электроны, т. е. процессы окисления и восстановления всегда сопутствуют друг другу. Сущность процессов окисления и восстановления как потери и присоединения электронов впервые определил украинский ученый Л. В. Писаржевский. По признаку выделения или поглощения энергии химические реакции делятся на экзо- и эндотермические. Химические реакции, сопровождающиеся выделением теплоты в окружающую среду, называются экзотермическими. 136 Для них запас энергии продуктов реакции оказывается меньшим, чем запас энергии реагентов, поэтому тепловой эффект в экзотермических реакциях записывается с отрицательным знаком. Например, сгорание метана, синтез аммиака; СН4 + 20з = СО, + 2Н2О. АЯ = -882 кДж N2 + ЗН2 = 2NH3, АЯ = -92 кДж Это означает, что при сгорании 1 моль метана СН4 по этой реакции во внешнюю среду выделяется теплота, равная 882 кДж, а при образовании 2 моль аммиака NH3 выделяется теплота, равная 92 кДж (соответственно на 1 моль NH3 — 46 кДж). Химические реакции, сопровождающиеся поглощением теплоты из окружающей среды, называются эндотермическими Для них запас энергии продуктов больше, чем запас энергии реагентов, поэтому тепловой эффект в эндотермических реакциях записывается с положительным знаком. Например, образование оксида углерода(П) в результате восстановления диоксида углерода раскаленным коксом: С02 + С^2С0, АЯ=+173кДж Значит, при образовании 1 моль СО в этой реакции из внешней среды в систему передается 173 (кДж) : 2 (моль) = = 86,5 кДж теплоты. Галогенирование - это реакция, где лейст вующим агентом является галоген. Оно осушествляется по типу реакций замещения либо реакций присоединения. Составляя уравнения реакций, следует помнить, что в качестве галогенирующего агента лучше всего брать хлор или бром. Это объясняется тем, что фтор действует слишком энергично, реагирует с органическими веществами со взрывом 137 и полностью разрушает их. Поэтому для получения фторпро-изводных используют не прямое фторирование, а косвенные способы. А йод не способен к реакции йодирования углеводородов по типу замещения, с ним прямое замещение не происходит (из-за энергетических затруднений). Например: СНз—СН=СН2 + Вг2------)• СНз—СН-СН2 Вг Вг СН=СН + 2С12 + ВГ2 С1 С1 I I СН-СН I I С1 С1 [0Г +НВг в промышленности чаще всего используется термическое хлорирование насыщенных углеводородов (алканов) и других веществ при температуре порядка 300 °С. ^ Назовите каждое вещество и реакции, уравнения которых приведены выше. Гидрирование, мли гидрогенизация,— это такая реакция, в процессе которой водород присоединяется к веществу. Как правило, эти реакции происходят в присутствии катализатора (платины, никеля). Например; СН2=СН2 + Н2 Этилен э- СНз—СНз Этан нсЧ:з::хсн сн Бензол ЗНт СН2 Циклогексан 138 СНз—+Н2-------> СНз—СН2—он н Ацетальдегид (уксусный альдегид) Этанол (этиловый спирт) Гыдрагацип — это реакция присоеди;тения '' ВОДЬ! К вещес-Тйу, Например, в результате гидратации этилена образуется этанол; СН2=СН2 + Н—ОН ------> СНз—СН2—ОН Этилен Этанол Этот процесс протекает при температуре 300 °С и давлении 7 МПа в присутствии катализатора — ортофосфорной кислоты Н3РО4. ' Гидролиз — это об?л8нная реакция между веществом и водой. Например, гидролиз жира (тристеарина): СН2—04с; СН2—0-4-С Тристеарин о HOfH С17Н35 1 + но^н С17Н35 1 I НО-4Н i + НО-Ьн СН-ОН + ЗС17Н35С; ',0 он Стеариновая кислота Глицерин * Вспомните, как происходит гидролиз крахмала. Составьте уравнение реакции. Нитрование — это реакция введения нигро- I группы NO, в мопекулы органического веиде II ства. 139 Обычно вещество обрабатывают различными нитрующими агентами, например HNO3, но не чистой азотной кислотой, а нитрующей смесью — смесью азотной и серной кислот. Последняя служит водоотнимающим средством. Например, нитрование бензола и целлюлозы: СН г,. СН Бензол N0, + Н2О [СбН,02(0Н)з]„ + 3/7НО—N0, Целлюлоза HjSOj [С,Нз0,(0Н02)з]„ + З/7Н3О Тринитроцеллюлоза Существуют и другие классификации химических реакций. Все зависит от того, какой критерий положен в их основу. Так, например, по источнику энергии реакции делятся на термохимические, электрохимические и фотохимические, а по состоянию среды — на гомогенные (однородная среда) и гетерогенные (неоднородная среда) и т. д. Задания для самоконтроля 181. Напишите уравнения реакций: а) взаимодействия алюминия с соляной кислотой; б) нейтрализации гидроксида бария уксусной кислотой; в) взаимодействия магния с ортофосфорной кислотой; г) получения кислорода из бертолетовой соли KCIO3; д) взаимодействия оксида кальция с оксидом азота(У). Укажите тип каждой реакции. 182. Напишите уравнения реакций: а) горения этана; б) гидрирования этилена; в) полимеризации пропилена; г) нейтрализации пропионовой кислоты едким натром; д) диссоциации муравьиной кислоты в водном растворе; е) взаимодействия уксусной кислоты с этиловым спиртом. Укажите тип каждой реакции. 183. Напишите уравнения реакций взаимодействия железа с серой и хлором. Укажите окислитель и восстановитель. 140 184. По приведенным схемам превращений напишите уравнения реакций и укажите тип каждой реакции; а) С -> СО -> СО, -> СаСО, -> СаС1, -> CaS04 б) Na ^ NaOFi NaNOj —> Na^SO, —> NaOH • О в) СаС, -> С,Н, -> C,H,, -> С,Н,ОН -> СН^С^ Н 185*. При взаимодействии металла массой 10 г с водой выделился водород объемом 5,6 л (н. у.). Определите металл, зная, что он двухвалентен, и укажите тип реакции. 186*. При сжигании вещества массой 0.65 г получили оксид уг-лерода(У) массой 2,2 г и воду массой 0,45 г. Плотность паров этого вещества по водороду 39. Выведите молекулярную формулу вещества и вычислите объем газа (н. у.), выделяемого при бромированин этого соединения количеством вещества 2 моль. Назовите типы реакций. 187*. Расставьте коэффициенты, используя метод электронного баланса, в следующих схемах реакций: а) MnS + HN03(kohu.) —> MnSO^ -t- NO, H,0 б) NH, + SO, ^ N, + S + Нр в) HNO, -> HNO3 + NO + H,0 § 28. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Тепловой эффект реакции. При протекании химических реакций уже имеющиеся в веществе химические связи разрушаются и образуются новые, происходит перестройка электронных структур атомов, молекул, ионов. Дэтя разрыва химических связей в исходных веществах необходимо затратить определенную энергию. При образовании же новых химических связей в продуктах реакции энергия будет выделяться. Поэтому химическая реакция всегда сопровождается изменением энергии системы, выделением или поглощением энергии, т. е. определенным тепловь!м эффектом. 141 Тепловой эффект реакции — это теплота, выделенная или поглощенная системой при протекании в ней химической реакции. В зависимости от того, идет ли реакция с выделением теплоты или сопровождается поглощением теплоты, различают экзо- и эндотермические реакции. К первым, как правило, относятся все реакции соединения, а ко вторым — реакции разложения. Откуда же берется теплота при химических реакциях? Чтобы ответить на этот вопрос, следует вспомнить из курса физики, что каждое тело имеет определенный запас внутренней энергии. Внутренняя энергия включает все виды энергии, характеризующие тело: энергию движения молекул относительно друг друга, энергию движения электронов в атомах и атомов в молекулах, ионах. Атомы, ионы, молекулы в твердом теле колеблются, вращаются, перемещаются и т. д. Поскольку все химические реакции сопровождаются перераспределением внутренней энергии между реагентами и продуктами. то сумма внутренней энергии продуктов отличается от суммы внутренней энергии реагентов. Разница показывает ту теплоту, которая выделяется либо поглощается в ходе реакции. При постоянном давлении (р - const) тепловой эффект реакции совпадает с изменением энтальпии (теплоты) системы, поэтому вместо термина «тепловой эффект реакции» используется термин «энтальпия реакции» (обозначается Н, а изменение энтальпии — А//). При экзотермических реакциях система выделяет часть своей внутренней энергии в окружающую среду в виде определенного количества теплоты. Значит, внутренняя энергия системы уменьщается, и изменение энтальпии будет иметь отрицательный знак. При эндотермических реакциях теплота поглощается, и внутренняя энергия системы, и ее энтальпия возрастают, поэтому изменение энтальпии А//будет иметь положительный знак. 142 Для сравнения тепловых эффектов различных реакций значение этих величин обычно относят к 1 моль вещества и одинаковым условиям, принятым за стандартные. За стандартные условия, в которых находится вещество, принимают давление в 101325 Па (1 атм) и температуру, равную ^ 298,15 К (25 °С). * Сравните стандартные и нормальные условия. Что общего и чем они отличаются? Уравнения химических реакций с указанием теплового эффекта называют термохимическими ураннения?-.1и. Например, термохимическое уравнение реакции синтеза 1 моль воды (поэтому используются дробные коэффициенты); Н2(г) -ь '/202(г) = Н20(ж); АН= -286 кДж/'моль Но в термохимическом уравнении, где используются не дробные, а целочисленные коэффициенты, тепловой эффект реакции должен быть удвоен: 2Н2 -ь 02 = 2Н2О, АН = -572 кДж Это означает, что реакция синтеза воды сопровождается выделением количества теплоты, равным 572 кДж. Рассмотрим другой пример: 2Pb(N03)2 = 2РЬО -ь 4N02 + О2, АН = +592 кДж Это означает, что при разложении нитрата свинца(П) поглощается количество теплоты, равное 592 кДж. Химическое равновесие. Вы знаете, что химические реакции бывают необратимые, когда реагенты полностью превращаются в продукты реакции, и обратимые, которые не доходят до конца, поскольку по мере их протекания в реакционной системе создаются условия для противоположных изменений. Например, если смесь водорода и йода нагревать при темпе- 143 ратуре 410 °С в закрытом сосуде, то массовая доля исходных реагентов, которые превращаются в нодоводород. составляет только 78 %. Это объясняется тем. что при этих же условиях йодоводород разлагается на йод и водород, но не полностью, а только на 22 %: Н, 2HI В обоих случаях возникает состояние, которое при данной температуре характеризуется вполне определенным соотношением реагентов. При этом скорость взаимодействия водорода и йода равняется скорости разложения йодоводорода. Состояние сиг.гемь!, при котором скорость прямой реакции равна скорости обратной реакции, называется химическим равновесием. Процессы, которые одновременно проте кают в двух взаимно противоположных направ пениях (прямом и обратном) называются обратимыми. Большинство химических реакций обратимы. Они протекают самопроизвольно до установления в системе химического равновесия. После наступления равновесия концентрация исходных веществ и продуктов реакции при данных условиях остаются неизменными. Но при изменении внешних условий равновесие смещается и устанавливается новое состояние равновесия. Оно нарушается, если изменяются температура, концентрация реагентов, давление (для газообразных систем). Закономерность влияния внешних условий на равновесие образимых химических реакций установил французский уче-нь!Й Ле Шателье (1850—1936). Она названа в его чест ь прин-ципо.м Ле Шате.чьс'. ясли условия, при которых с:истема находится в равновесии, изменить равновесие сместит-?я в сторону тех процессов, ко'^орые этому из МОНГ?ЧИЮ ПООТИВПДРЙС гяуют 144 Например, если увеличить концентрацию одного из исходных веществ, то равновесие в системе сместится в сторону той реакции, которая уменьшает концентрацию введенно10 вещества. Увеличение давления на газообразную систему будет способствовать смещению равновесия в сторону уменьшения объемов газов. Понижение температуры смещает равновесие в сторону экзотермической реакции, т. е. реакции, идущей с выделением теплоты и тем самым препятствующей понижению температуры. Скорость химической реакции. Химические реакции протекают с различной скоростью. Одни — практическц мгновенно (нейтрализация кислоты щелочью, взрывные реакции), другие — бесконечно медленно, тысячелетиями (химическое выветривание горных пород, например превращение гранита в глину). О скорости реакции судят по изменению концентрации одного из веществ (реагента или продукта) в единицу времени. При химическом равновесии скорость прямой реакции равна скорости обратной, поэтому изменение концентрации веществ не наблюдается. На скорость протекания реакции оказывают влияние различные факторы. Прежде всего, природа реагмрующих ве- Ufecnie. Проделаем такой опыт. В три пробирки нальем по 1—2 мл разбавленной соляной кислоты. В одну пробирку опустим небольшой очищенный железный гвоздь, в другую — гранулу цинка, а в третью — стружку магния (площадь поверхности металлов примерно одинакова). Наблюдения показывают, что магний взаимодействует с соляной кислотой быстрее, чем цинк, а скорость реакции железа еще меньше, чем цинка. Значит, имеет значение природа реагирующих веществ. Скорость реакции зависит от Komfeninpatjuii реагируюп(их веществ. Для того чтобы произошла реакция, реагирующие часзицы (атомы, молекулы, ионы, радикалы) исходных веществ должны столкнуться друг с другом. Чем чаще столк- 145 новения. тем быстрее происходит реакция. Понятно, что число столкновений частиц при данной температуре зависит от концентрации реагирующих веществ. Если реакция протекает между газом и твердым веществом, то ее скорость зависит от частоты соударений молекул газа с твердым веществом на единицу площади его поверхности. Поэтому, чтобы ускорить реакцию, надо увеличить площадь поверхности соприкосновения реагирующих веществ. На скорость реакции больщое влияние оказывает температура. Подавляющее больщинство реакций при нагревании протекают быстрее, чем без нагревания. Катализаторы. Одним из наиболее эффективных средств влияния на скорость реакции является применение катализатора. Смещаем порощкообразные алюминий (или цинковую пыль) и йод. Мы не замечаем признаков протекания реакции. Очевидно, при стандартных условиях она практически не идет. Прикоснемся к смеси раскаленной проволокой. Реакция начинается и далее продолжается самопроизвольно. Мы видим, как разогревается реакционная масса. Теперь к такой же смеси прибавим несколько капель воды. Вскоре мы замечаем протекание реакции: масса смеси раскаляется, происходит бурная реакция с образованием йодида алюминия: 2AI + 3I2 = 2AII3 Внещне процесс протекает так же. как и при нагревании. Вода в данном случае выступила в роли катализатора. Катализатором назь1ваетсй вещество, которое, участвуя в химической реакции, увеличивает ее скорость, оставаясь к концу реакции неизменным. Реакции, идушие с участием катализатора, назьщаются кв тали ти ч е с кими. Например, получение кислорода из бертолетовой соли: 146 2KCIO. МпОт 2KCI + ЗО^Т Получение бензола дегидрированием циклогексана при температуре около 300 °С в присутствии платины: СН2 СН2 300 °с НС + 3H,t Известны вещества, замедляющие реакции, например коррозию металлов. Зощесл за, тормозящие химические реакции, называют- , сй ингибиторами. Эти вещества адсорбируются поверхностью металла и образуют заищт-ную пленку. Ингибиторы применяют для защиты трубопроводов в газо- и нефтедобывающей промышленности. Их широко используют для регулирования скорости реакций полимеризации, стабилизации каучуков при их переработке, углеводородного топлива, сохранения пищевых жиров и лечебных препаратов и т. д. Электронную теорию катализа предложил украинский ученый Л. В. Писаржевский. Современная промышленность широко использует катализаторы. И это понятно, поскольку катализ — наиболее эффективный способ интенсификации промышленного производства. Катализаторы играют сушественную роль в жизнедеятельности организмов. Химические реакции в клетках, тканях, в различных органах происходят под влиянием ферментов — биологических катализаторов. Они очень похожи на неорганические катализаторы, только их активность значительно выше. Они тоже легко отравляются каталитическими ядами, такими как алкоголь, никотин, и теряют свою активность, что пагубно сказывается на здоровье. 147 Задания для самоконтроля 188. Почему химические реакции всегда сопровождаются энергетическими изменениями? 189. Объясните понятие «тепловой эффект реакции» (энтапьпия реакции). 190. Как классифицируют реакции на основе теплового эффекта? Приведите примеры. 191. На разложение 0,5 моль хлороводорода расходуется количество теплоты, равное 46 кДж. Составьте термохимическое уравнение реакции разложения хлороводорода. 192. Теплота сгорания ацетилена составляет !.i07 кДж/моль. Составьте термохимическое уравнение реакции горения ацетилена. Вычислите объем сгоревшего ацетилена, если при этом выделилось количество теплоты, равное 653,5 кДж, 193. На конкретном примере объясните состояние химического равновесия. 194. Какие реакции называются обратимыми? Приведите примеры обратимой и практически необратимой реакций. 195. В какую сторону сместится химическое равновесие системы 2НДг) 0,(г) ^ ЗНзОСг), ^H - -^84 кДж при: а) повышении температуры: б) понижении температуры? 196. Какие факторы и как влияют на смешение химического равновесия? 197. Как вы понимаете скорость химической! реакции? От чего она зависит? 198. Что такое катализатор? Приведите примеры уравнений ка-татитической и некаталитнческой реакций. § 29. ГЕНЕТИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ 1У1ЕЖДУ НЕОРГАНИЧЕСКИМИ И ОРГАНИЧЕСКИМИ ВЕЩЕСТВАМИ Вы уже знаете, что вегцественный мир приро.чы чрезвычайно разнообразен и вместе с тем все вещества взаимосвязаны. Но до начала XIX в. считалось, что меж,;|у нсоргаиичсс- 148 ИЕНС-ЯКОБ БЕРЦЕЛИУС (1779—1848) Шведский химик и минералог, член Стокгольмской АН. затем ее президент (1810—1818). Открыл церий, селен, кремний, цирконий, тантал, ванадий, торий. Обогатил органическ>то химию сведениями о кислотах и явлениях изомерии. Не менее пажен его вклад в химический качественный и количественный анализы и минералогическую химию. Развил атомное учение классическими исследованиями закона кратных отношений. Составил таблицу атомных масс злементов. Открыл катализ. Предложил химические символы олементов (1814), которыми мы пользуемся и поныне. кими и органическими веществами существует непреодолимая граница. Такая точка зрения объясняется тем. что в начаче XIX в. благодаря трудам шведского химика И. Берцелиуса, который в 1806 г. ввел в науку термин «органическая химия», нача1а (|)ормироваться наука об органических веществах как самостоятельная отрасль химических знаний. С одной стороны, обособление органической химии имело положительное значение, поскольку подчеркивало важность этой группы веществ. Но. с другой стороны, такое обособление сыграло отрицательную роль, поскольку закрепляло мнение, что между неорганическими и органическими веществами существует непроходимая пропасть. А это тормозило развитие науки. Это мнение подкреплялось тем, что в то время никому еще не удавалось синтезировать хотя бы одно вещество, считавшееся органическим. В этом ученые усматривали особое своеобразие органических веществ. И. Берцелиус в связи с этим утверждал, что якобы природа имеет в своем распоряжении сверхъестественные силы, которыми химики не владеют, что в живой природе вещества подчиняются другим законам, чем в неживой, и что образование органических веществ происходит при участии «жизненной силы» — Vis Vitalis. 149 Первый удар по витализму был нанесен открытием немецкого химика Ф. Велера (ученика И. Берцелиуса), который в 1828 г. из неорганического вещества цианата аммония N=C—О—NH4 получил мочевину (NH2)2CO — вещество животного происхождения: N=C-0-NH4 Цианат аммония ^ H2N-C-NH2 II О Мочевина Как выяснилось позже, это был не синтез, а только перегруппировка атомов. Окончательно опровергли виталистическое учение синтезы таких органических веществ, как анилин (Н. Н. Зинин, 1842), уксусная кислота (Г. Кольбе, 1845), жиры (М. Бертло, 1854), сахаристое вещество (А. М. Бутлеров, 1861), мочевая кислота (И. Я. Горбачевский, 1882). В результате этих синтезов был сделан важный вывод: органические вещества могут быть получены из неорганических. В дальнейшем было осуществлено много различных синтезов органических веществ из неорганических. Все они подтвердили, что вещества генетически взаимосвязаны. Ярким свидетельством существования генетической связи между неорганическими и органическими веществами является также круговорот биогенных элементов в природе. Вспомним хотя бы круговорот углерода (см. § 23 в учебнике для 10 класса). Он осуществляется благодаря четко отлаженному в ходе эволюции механизму функционирования двух фундаментальных процессов — фотосинтеза и клеточного дыхания. Вследствие жизнедеятельности растительных организмов (в том числе и фитопланктона Мирового океана), содержащих хлорофилл, углекислый газ из атмосферы и вода из почвы под влиянием солнечной энергии превращаются в органические вещества, в частности углеводы. При этом энергия Солнца переходит в энергию химических связей органических соединений, прежде всего углеводов. Упрощенную схему фотосинтеза можно представить так: 150 бСОо + 6Н,0 солнечный свет хлорофилл >СбН,20б + бо,Т Противоположный фотосинтезу процесс — это клеточное дыхание, при котором происходит расщепление синтезированных из СО2 и Н2О углеводов. Кислород, выделяющийся во время фотосинтеза, используется всеми организмами (и животными, и растениями) для окисления углеводов. Окисляя органические вещества, живые клетки возвращают СО2 в атмосферу (рис. 26). Человек осуществляет, по сути, то же самое, когда сжигает уголь или нефть: он возвращает в атмосферу еще «палеозойский СО2». Следовательно, все вещества генетически (от греч! genesis— происхождение) связаны между собой. Генетическая связь состоит в том,- что каждое вещество может химически взаимодействовать с веществами других классов. Органические соединения могут взаимодействовать с неорганическими. Их можно синтезировать из неорганических и превращать в Ггс. Z6. Круговорот углерода (по Б, Алберте и др., 1986) 151 неорганические. В этом-вы еще раз сможете убедиться, выполнив предложенные задания. Задания для самоконтроля 199. По приведенным схемам напишите уравнения реакций, отображающие генетическую связь между неорганическими- веществами: а) CuSOj —)• Си —)• Cu(NOj)-, Си(ОН), —>• СиО -> CuCI-, —>• CiiS FeCl, - б) FeCIi Fe(OH), • Fe(OH)j —)• FcjO^ -> Fej(S04)3 —>• FeCF, B)* Cu(NO.,), CuCl, —)• CufNO,), —)• CuO ■ >’ - 200. По приведенным схемам напишите уравнения реакций, отображающие генетическую связь между органическими веществами: а) ^ C.HjCl -> С.Н.ОН /О /О б) С,Н. -> С.Н.Вг ^ С,Н,ОН -т- СН.СС ^ СН.СС ' 2 6 . 5 2 л 3 в)* СН4 ^ СН3ОН ^ Н—С -О 'ОН 201. По приведенным схемам напишите уравнения реакций, отображающие генетическую связь между неорганическими и органическими веществами: а) Са(НСОз)-, —>• CaCOj —> СаО —> СаС, —>• CjH, —>• -> СО^ б) оксид углерода(1У) —>• крахмал —>• глюкоза —>• этанол —>• уксусная кислота -> ацетат магния -> карбонат магния -> гидрокарбонат магния в) СаС, -> C.H, -> С3Н4 ^ С3Н5ОН ^ СО, ^ СаСО, 152 ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ f/>>ai.:iftu4i"n:i!h' ртиппа / Свойства уксусной кислоты О п ь) т 1. Действие уксусной кислоты на индикаторы. К раствору уксусной кислоты добавьте 1—2 капли раствора лакмуса или метилового оранжевого. Как изменилась окраска раствора? О чем это свидетельствует? Опыт 2. Взаимодействие уксусной кислоты с основаниями. К раствору гидроксида натрия, окрашенного фенолфталеином, добавляйте по каплям раствор уксусной кислоты до обесцвечивания фенолфталеина. О чем свидетельствуют результаты опыта? Напишите уравнение реакции в молекулярной, полной и сокрашенной ионных формах. О п ы тЗ. Взаимодействие уксусной кислоты с металлами. В пробирку с разбавленной уксусной кислотой опустите стружку магния. Наблюдайте выделение газа. Какой газ выделяется? Напишите уравнение реакции в молекулярной, полной и сокрашенной ионных формах. О п ы т 4. Взаимодействие уксусной кислоты с солями. В пробирку с раствором уксусной кислоты добавьте соль какой-либо кислоты, более слабой, чем уксусная, например карбонат натрия. Что наблюдается? Какой газ выделяется? Напишите уравнение реакции в молекулярной, полной и сокращенной ионных формах. 153 Практическая раГяииа 2 Решение экспериментальных задач на распознавание органических веществ 1. В трех пронумерованных пробирках содержатся: а) хлорсодержащее органическое вещество; б) раствор уксусной кислоты; в) раствор крахмала. Определите, в какой пробирке какое вещество. 2. С помощью одного и того же реактива определите; а) глицерин; б) уксусный альдегид. 3. Докажите, что ацетат натрия — соль слабой кислоты. Результаты опытов подтвердите, где возможно, уравнениями реакций. Практическая работа 2 Решение экспериментальных задач Вариант I Задача 1. Получите нитрат меди(И), имея в своем распоряжении только растворы хлорида меди(И), азотной кислоты и гидроксида калия. Напищите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. i. Задача 2*. В трех пронумерованных пробирках содержатся растворы глицерина, глюкозы и формальдегида. Определите, в какой из пробирок какое вещество содержится, и напищите необходимые уравнения реакций. Вариант II Задача 1. Получите хлорид железа(Ш) тремя различными способами. Напищите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах. Задача 2*. В трех пронумерованных пробирках содержатся растворы крахмала, мыла и белка. Определите, в какой из пробирок какое вещество содержится, и, где возможно, напищите уравнения реакций. 154 Вариант III Задача 1. Получите хлорид цинка тремя различными способами. Напишите уравнения реакции в молекулярной и ионной формах. Задача 2*. В трех пронумерованных пробирках содержатся растворы уксусной кислоты, этилового спирта и глицерина. Определите, в какой из пробирок какое вещество содержится, и напишите необходимые уравнения реакций. Вариант IV Задача 1. Докажите опытным путем, что выданный вам кристаллический моносахарид проявляет свойства альдегида и многоатомных спиртов. Ответ сопровождайте уравнениями реакций. Задача 2. В трех пробирках содержатся растворы серной, соляной и азотной кислот. Как доказать присутствие той или иной кислоты? Ответ мотивируйте уравнениями реакций. Задача 3. К раствору фосфата натрия добавьте раствор гидроксида кальция. Что наблюдается? Почему? Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах. Вариант V Задача 1. Докажите опытным путем, что в состав олеиновой кислоты входит непредельный углеводородный радикал. Ответ проиллюстрируйте уравнением реакции. Задача 2. В трех пронумерованных пробирках содержатся растворы карбоната натрия, хлорида натрия и сульфата натрия. Определите, в какой пробирке какая соль находится. Ответ мотивируйте уравнениями реакций. Задача 3. В пробирку с раствором хлорида железа(П1) добавьте раствор едкого натра. Что наблюдается? Почему? Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах. Вариант VI Задача 1*. Исследуйте водный раствор фенолята натрия лакмусовой бумажкой. Какова реакция раствора? Чем она объясняется? 155 Задача 2. В трех пробирках содержатся растворы хлорида натрия, бромида натрия, йодида натрия. Как их распознать? Ответ мотивируйте уравнениями реакций. Задача 3. В пробирку с раствором карбоната натрия добавьте немного разбавленной соляной кислоты. Что наблюдается? Почему? Напишите уравнение реакции в молекулярной и ионной формах. Вариант VII Задача 1. Докажите опытным путем, что: а) хлорид аммония— это действительно аммонийная соль; б) хлорид аммония — соль соляной кислоты. Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Задача 2. В трех пробирках содержатся растворы фенола, уксусной кислоты и крахмала. Как их распознать? Напишите, где возможно, уравнения реакций. Задача 3. Осуществите следующие превращения; РеС1з Ре(ОН)з РсзОз Ре(ЫОз)з Напишите уравнения реакций. Pe2(S04)3 Вариант VIII Задача 1. Получите нитрат меди(И) тремя различными способами. Напишите уравнения реакций в молекулярной и ионной формах. Задача 2*. В трех пробирках содержатся растворы глюкозы. глицерина и белка. Как их распознать? Напишите, где возможно, уравнения реакций. Задача 3. Осуществите следующие превращения: СиО CuCI. Си(ОН)2 -Напишите уравнения реакций. СиО Cu(N03)2 156 Пра/аинчгскал ричоию 4 Решение экспериментально-расчетных задач 202. Получите сульфат бария реакцией обмена и выделите ею из смеси, {вычислите массу каждого их исходных веществ, взятых вами для получения сульфата бария количеством вещества 0,5 моль. 203. Получите карбонат кальция реакцией обмена и выделите его из смеси. Вычислите массу каждого из исходных веществ, взятых вами для получения карбоната кальция количеством вещества 2 моль. 204. Получите гидроксид железа(1П) и выделите его из смеси. Вычислите массу каждого из исходных веществ, взятых вами для получения гидроксида железа(III) количеством вещества 0,5 моль. 205. Получите и соберите кислород. Докажите опытным путем, что полученный газ — кислород. Вычислите, хватит ли кислорода, полученного при разложении 0,5 моль перманганата калия, для сжи1'ания 0,5 моль этана. 206. Получите и соберите оксид углерода(1 V). Докажите опытным путем, что полученный газ — оксид углерода(1У). Вычислите объем (н. у.) оксида углерода(1У), который можно получить из карбоната кальция массой 200 г с массовой долей примесей 10 %. 207. Получите и соберите аммиак. Докажите опытным путем, что полученный газ — аммиак. Вычислите, какой объем аммиака (н. у.) можно получить из хлорида аммония массой 20 г, если выход аммиака составляет 70 %. 208. Докажите опытным путем, у какого вещества кислотные свойства проявляются слабее — у фенола или угольной кислоты. Напишите необходимые уравнения реакций и вычислите объем оксида углерода(1 V), который расходуется на реакцию с фенолятом натрия количеством вещества 0.5 моль. 209*. В пробирку накапайте 3—5 капель концентрированного раствора фенола н добавляйте каплями насыщенную бромную воду до появления осадка. Нанищите уравнение реакции бромирования фенола, укажите название осадка и вычислите его массу при условии, что 157 на бромирование фенола количеством вещества 0,5 моль израсходовано 2 моль брома. Внимание! После работы с фенолом тщательно вымойте руки 210*. Взболтайте в пробирке 0,5 мл анилина и 3—4 мл воды. К полученной эмульсии добавляйте каплями концентрированную бромную воду до образования белого осадка. Напишите уравнение реакции, назовите вещество, выпавшее в осадок, и вычислите количество вещества осадка при условии, что анилин прореагировал с бромной водой объемом 200 мл с молярной концентрацией брома 3 моль/л. Пракишчсския раоота > Решение расчетных задач и упражнений 211. Вычислите объем оксида углерода(1У) (н. у.), выделяющегося при спиртовом брожении глюкозы, образующейся вследствие гидролиза 0,5 моль сахарозы. 212. Какая соль и какой массой образуется при действии избытка соляной кислоты на 1 1,2 г железа? 213. Какая масса соли образуется при действии на 10 г гидроксида калия раствора, содержащего 10 г азотной кислоты? 214. Вычислите относительную плотность по водороду оксида cepbi(IV). 215. Имеется раствор, в котором на 1 моль серной кислоты приходится 1 моль воды. Какова массовая доля серной кислоты в этом растворе? 216. На едкий натр массой 20 г подействовали раствором, содержащим 60 г серной кислоты. Какая соль и каким количеством вещества образовалась при этом? 217. Определите массу безводной серной кислоты, какая может получиться по расчету из 800 т серного колчедана, в котором массовая доля серы составляет 45 %. LS8 218. Определите массу гашеной извести, необходимую для получения из нашатыря NH4CI столько аммиака, сколько его надо для приготовления 1 кг раствора с массовой долей аммиака 17 %. 219. Определите массу ортофосфата аммония, какую можно получить при взаимодействии аммиака массой 50 кг со 100 кг раствора с массовой долей ортофосфорной кислоты 75 %. 220. Определите объем аммиака (н. у.), который можно получить, нагревая 20 г хлорида аммония с 20 г гидроксида кальция, если выход его составляет 98 %. 221. Какая -масса аммиака требуется для получения 5 т раствора с массовой долей азотной кислоты 60 %, если потери аммиака в производстве составляют 2,8 %? 222. При пропускании смеси этилена с метаном через склянку с бромом масса склянки увеличилась на 8 г. Определите объем прореагировавшего газа. 223. При сжигании 1,3 г вещества образовалось 4,4 г оксида углерода(1У) и 0,9 г воды. Плотность паров этого вещества по водороду равна 39. Выведите молекулярную формулу этого соединения и рассчитайте, хватит ли 150 л кислорода (н. у.) для сжигания 1 моль этого вещества. 224. Определите -массу уксусной кислоты, расходуемой на синтез 35,2 г этилового эфира уксусной кислоты, если выход последнего составляет 80 %. 225. При взаимодействии двухвалентного металла с водой образуется водород объемом 5,11 л (н. у.). Определите металл. 226. Напищите уравнения реакций на основании следующих схем: Si02 Na2Si03 Н2810з ^ ЗЮз СН3ОН НС^ НСООН а) Si -> б) СН4 СНзВг Н > C5H5NO2 СаСОз Са(НСОз)2 - в) * СаО СаСз С2Н2 CgHf, г) ЫазСОз ЫаНСОз СО2 -ч СаСОз д) этилен этанол этиловый эфир уксусной кислоты 159 при пи f'OHHh 1. РЛС1ЮЗМЛВЛНИ1', ионов ИГЮРГЛИИЧНСКИХ СОРДИШ'НИЙ Катионы в растворах кислот, щелочей, солей Н" ын: Ag" Na^ К" Ва 2+ Zn 2+ мегалльг шслочь. нагревание ^ растворы с С1" В пламени в пламени -1 растворы с SOj щелочь 0[Г > -> Красная окраска раствора ■> Образование водорода Н7 ^ Белый творожистый осадок AgCl Желтая окраска пламени -> Фиолетовая окраска пламени Белый осадок BaS04 Белый студенистый осадок. Анионы в растворах кислот, щелочей, солей С Г растворы с Ag' Белый творожистый осадок AgCI вг растворы с Ag' Желтоватый творожистый осадок AgBr г растворы с Ag' Желтый творожистый осадок Agl so^ растворы с 1?а“ Белый осадок BaS04 С03' растворы кислот. 11 Выделение углекислого газа СОт N03 II2SO.1 (кони.) и Си Выделение бурого газа NOi ОН' лакм\с Синяя окраска раствора 160 2.1’лспюрим()(ть КИСЛОТ', основ и со,111:й в под[': Катионы Анионы II* К* Ml, Ва-‘ t а'* Мо-' ( 1с’* Ре’* Nr* ,Мп-* ■Vg* Си'* РЬ'* Sn'^ он р р р Р М II II II н II II М м — — II II II 11 Р р р р Р Р р р р р Р Р Р р II р р м р Вг Р р р р Р Р р р р р Р Р Р р и м р м р 1 Р р р |> Р Р р р р р — Р Р р п II — II м 8^^ Р р р |> Р М м - — II II II м II II II II II SO- Р р р 1> U м II -- II - II II н II — — II soV Р р р |> II м р р р р Р Р Р р м р р II р роГ Р р р |> II II II м и II II II Н II II — м II II со- Р р р п М II II — — II - — II II и — II II -- SiOj II р р — II II II II - II II II II — - II II — М)з Р р р р Р р р р р р Р Р Р р р р р р р ( 11з( ОО р р р Р р р - р р - Р Р р м р р р р Примечание. Р ~ растворяется, М — мало растворяется, П соединение раттагается водой или не существует. практически не растворяется, прочерк- 3. КЛАССЫ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕС ГВ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ Класс соединений Ф\ мкшюихчьиая группа Название rpsппы Пример Галогено- производ- ные —F. —С1. —Вг, —I г алогены C,HjCl хлоргган брочбетол Спирты и фенолы —ОН Г идро-ксильная (гидроксил) С,Н,ОН этанол C^jHpOH гексанол С^^Н,ОН фенол Альдегиды н Альдегидная <-0 СН—СС н уксусный альдегид Кетоны и О Карбонильная (карбонил) сн—с-сн, II 0 диметилкетон (ацетон) Карбоновые кислоты /О —СС он Карбо- ксильная (карбоксил) СН^СООН уксусная кислота Нитро- соединения —NO, Нитрогруппа CH,NO, нитрометан Первичные амины —NH, Аминогруппа (первичная) )тиламин Вторичные амины =NH Аминогруппа (вторичная) СН^—NH—СН^ диметиламин Амиды кислот /О —сс NH, Амидогруппа /0 сн—сс: NH, амид уксусной кислоты Углеводо- роды — с.н^, с,н,. с,н._ 162 4. ВЗАИМОСВЯЗЬ МЕЖДУ НЕКОТОРЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ ВЕЛИЧИНАМИ Физическая величина Обозначение Уравнения для определения физической величины Единица Молярная масса м М=-; М=20и, п ' кг/м ОЛЬ, г/м ОЛЬ. 1 г/моль = = 10”^ кг/моль Масса вещества т т = Vp; т = Мп кг, г Количество вещества п т V и = —; /1^ ; М V„, N п = Л^А моль Объем газа V V=V,„n Р 3 м , л Молярный объем Vm т ’ ^ т п р м /моль, л/моль Плотность Р т М р=^; р= — " V,n (для газов) кг/м^, г/см^, г/л, г/мл Относительная плотность газов D /)_Р|; 0-^1 Р 2 А/ 2 — 163 5. ПЛОТНОСТЬ РАСТВОРОВ КИСЛОТ и ОСНОВАНИИ Приведен состав водных растворов, выраженный через массовую долю w и молярную концентрацию с растворенного вещества, в зависимости от плотности раствора при 20 °С для следующих веществ: HCI, HNO3, H2SO4, КОН, NH3, NaOH р, г/л И', % С. моль/л р, г/Л IT. “0 С, МОЛЬ'Л 1380 62,70 13.73 1385 63.72 14.01 1000 0.36 0,10 1390 64.74 14.29 1005 1.36 0,38 1395 65.84 14.57 1010 2,36 0.66 1015 3.37 0.94 II2SO, 1020 4.39 1.23 1000 0.26 0,03 1025 5.41 1..52 1005 0.99 0,10 1030 6.43 1,82 1010 1.73 0.18 1035 7.46 2,12 1015 2.49 0,26 1040 8.49 2,42 1020 3,24 0,34 1045 9.51 2.73 1025 4,00 0,42 1050 10.52 3.03 1030 4.75 0,50 1075 15.49 4,57 1035 5.49 0.58 1 100 20.39 6.15 1040 6.24 0.66 1 125 25.22 7.78 1045 7.00 0,74 1150 30.14 9.5 1 1050 7.70 0,83 1160 32.14 10.23 1055 8,42 0.91 1170 34,18 10.97 1060 9,13 0.99 1180 36.23 11,73 1065 9.84 1,07 1190 38,32 12,50 1070 10,56 1.15 1180 25,21 3,03 1305 40 25 5.36 1000 0,33 0,05 1500 60,17 9.20 1005 1,26 0,20 1730 80,25 14,16 1010 2.16 0,35 1815 90.12 16,68 1015 3,07 0.50 1824 92,00 17,11 1020 3,98 0.65 1831 93,94 17.54 1025 4,88 0,80 1834 95.12 17.79 1030 5.78 0,95 1835 95.72 17,91 1035 6.66 1,09 1040 7.5.3 1,24 КОП 1045 8.40 1.39 1000 0.20 0,04 1050 9,26 1.54 1005 0,74 0.13 1055 10.12 1.69 1010 1.30 0.23 1085 15.13 2,61 1015 1.84 0,33 1115 20.00 3,54 1020 2.38 0,43 1 150 25.48 4,65 1025 3 93 0,54 1180 30.00 5.62 1030 3.48 0.64 1280 45.27 9,20 1035 4.03 0,75 1365 59,69 12.93 1040 4.58 0,85 164 Прооолжение р. р'л И-. % С. МО.’1Ь,Л р, Г/Л Н', % L\ моль/л 1045 5.12 0.95 922 20.27 10,97 1050 5.66 1.06 914 22.75 12.21 1055 6,20 1.17 908 24.68 13.16 1060 6,74 1,27 904 26,00 13.80 1065 7,28 1.38 902 26.67 14.12 1070 7,82 1.49 900 27.33 14,44 1075 8.36 1,60 898 28.00 14,76 1080 8,89 1.71 1085 9,43 1,82 NaOH 1090 9.96 1,94 1000 0.16 0.04 1095 10,49 2.05 1005 0,60 0.15 1 190 20.37 4.32 1010 1,04 0,26 1290 30.21 6.95 1015 1.49 0.38 1395 39,92 9.93 1020 1.94 0.49 1510 49,95 13,45 1025 2.39 0.61 1535 52,05 14.24 1030 2.84 0.73 1035 3.29 0,85 NH, 1040 3.74 0,97 998 0,05 0,03 1045 4.20 1,10 996 0.51 0.30 1050 4.65 1,22 994 0.98 0,57 1055 5,1 1 1.35 992 1.43 0.83 1060 5,56 1.47 990 1.89 1.10 1065 6.02 1.60 988 2,35 1,36 1070 6,47 1,73 986 2.82 1,63 1075 6.93 1.86 984 3.30 1.91 1080 7.38 1.99 982 3.78 2.18 1085 7,83 2.12 980 4,27 2,46 1090 8,28 2.26 978 4.76 . 2,73 1095 8.74 2.39 976 5,25 3,01 1100 9,19 2.33 974 5.75 3,29 1105 9.64 2,66 972 6.25 3,57 1110 10,10 2.80 970 6,75 3.84 1165 15.09 4.40 968 7.26 4.12 1220 20.07 6.12 966 7.77 4,41 1330 30.20 10.04 964 8.29 4.69 1430 40.00 14.30 962 8,82 4,48 1500 47.33 17.75 960 9.34 5.27 1510 48.38 18,26 958 9.87 5.55 1520 49.44 18.78 .956 10,40 5,84 1530 50,50 19,31 165 ОТВЕТЫ К ЗАДАНИЯМ ДДЯ САМОКОНТРОЛЯ 6. (2) 11. (3) 22. (1) 28. F(CH20) = 60 л 32. (2) 34. (3) 45. (2) 48.(1) 55. (3) 60. (4) 94. (2,4) 95. (1.3) 96. (1,2) 107. w(S) = 93 % 108. С4Н9ОН 112. 5000 132. а) нейтрон ц/?; -Р б) позитрон е: в) протон \р: г) электрон ё. 133. о" 1Не 136. miCOj) = 275 г 139. Не хватит 141. ^(Н,) = 16,8 л 144. (4) 145. (2) 146. (1) 148.(2) 166 149. (4) 156. (2) СН. 172. C5H12; неопентан Н3С—С—СН3 СН, 185. Са; замещения 186. СбН(,; F(HBr) = 44.8 л 191. 92 кДж/моль 192. F(C2H2)= 11,2л 195. а) влево; б) вправо. 205. Не хватит 206. У(С02) = 40,32 л 207. F(NH3) = 5.8 л 208. ViCOj) = 1 1.2 л 209. /«(осадка) = 165.5 г 210. //(осаду) = 0,2 моль 211. V(C02) = 22.4 л 212. ///(FeCl2) = 25,4 г 213. ///(KNO3) == 16 г 214. £>h,(S02) = 32 215. MH2SO4) = 84,5 % 216. //(NaHS04) = 0.5 моль 217. ///(N2804) = 588 т 218. ///(Са(ОН)2) = 370 г 219. ///(Саз(Р04)2) = 1 14 кг 220. FOIH3) = 8.2 л 221. ///(NH3) = 823 кг 222. Р(С2Н2) = 6,4 л 223. не хватит 224. ///(СН3СООН) = 30 г 225. Sr толковый СЛОВАРИК Абразивы (от Франц, abrasif— шлифовальный, от лат. ahrado соскабливаю) — природные.или искусственные материаты высокой твердости, например алмаз, корунд, наждак. Из абразивов изготовляют порошки (суспензии), абразивные инструменгы. Другое название — абразивные материалы. Агрпкола Георг (настоящая фамилия Баузр)(1494—1555) — немецкий ученый, врач, философ. Занимался минералогией и метал-л>ргией. Впервые обобщил опыт горно-металлургического производства в сочинении «О горном деле и металлургии». Алкоголь (от араб, ать кухль — очень мелкий порошок сульфида сурьмы, которым красили ресницы). Позднее алкоголем называли жидкость, образующуюся в результате перегонки вина, А.морфный (от греч. аморфос — бесформенный) — состояние жидких и твердых тел. характеризующееся неупорядоченным расположением частиц. Антисептический (от греч. анти — против и сетное— гнилостный) — противогнилостный, противодействующий нагноению, задерживает развитие микроорганизмов; обеззараживающий. Биогенный — происходящий от живого организма либо связанный с ним. Биогенные элементы — это химические элементы (С. Н. О, N. S, Р, галогены и некоторые другие), входящие в состав организмов. Гнгроскопнчный (от греч. гигро — влага и скопес — смотрю) - -поглощающий влагу. Гндрофйльный (от греч. гидра—вода и фгаио — люблю) — способный смачиваться водой. К гидрофильным веществам относятся. например. 1лины. силикаты, Гндрофббный (от греч. гидра — вода и фавас — страх, ужас) — неспособный смачиваться водой. К гидрофобным веществам относятся. например, многие металлы, жиры, воски, некоторые полимеры. Глюкоза (от греч. глюкос — сладкий)—виноградный сахар, углевод группы моносахаридов, бесцветные кристаллы, сладкие на BKVC. Движение — это изменение вообще, всякое взаимодействие материальных обьектов. а не только перемещение. 168 Дсмагурация (отде... и лат. naliira — природные свойства, есте--лишение природных свойств, изменение природных свойств и структу ры белков под воздействием физических и химических фак-!оров. Диполь (от греч. ()и — два и >юлюс) — система из двух од|'|на-ковых оо абсолютной величине, но противоположных по знаку заря-зов. расположенных на некотором рассгоянии друг от друга. Идеальный газ — это газ. силами взаимодействия между части-иами которого можно пренебречь. Ингибитор (от лат. inhiheo —задерживаю, останавливаю) — вещество. замедляющее протекание химической реакции или прекращающее ее. Пекзораль (-от лат. peems. род. падеж pectoris — грудь)— ujeii-ное метщ1Лическое украшение. Известно в Древнем Египте и Европе в железном веке. Пигмент (от лат. pigmentum—краска) — красящее вещество, основа краски. Полипептид (от греч. поли—много и пептио — переваренный)— вещество, образованное в результате взаимодействия трех и более молекул аминокислот. Саркофаг (от греч. aapq — мясо, плоть i срауос — пожиратель)— гроб, небольщая гробница из дерева, камня и других материалов. укращенная росписью, скульптурой. Система (от греч. auaxiipa — целое, составленное из частей) - -совокупность частей, объединенных общей функцией. Реакционная система — совокупность веществ, объединенных общим взаимодействием. Скрап (от англ, scrap) — металлическое сырье, отходы металлургических производств, используемые для переплава в металлургических печах; мепаллолом, переплавляемый в пригодный металл. Фараон — титул царей в Древнем Египте, а также личность, носящая этот титул. Фармация (от греч. срарракею — лекарства) — наука, занимающаяся изысканием, изучением н разработкой способов получения. обработки, приготовления и хранения лекарственных средств, препаратов м материалов, применяемых в медицине и ветеринарии, а также вопросами их стаидартизацни и контроля. Вместе с фармакологией составляет науку о лекарствах. Целлюлоза (от лат. celhila — клетка, ячейка) — клетчатка, высокомолекулярный углевод, основная составная часть оболочек растительных клеток. 169 ИМЕННОИ УКАЗАТЕЛЬ Лногалро А. 105 Ьсргло М, 36. 150 Всртолле К. 103 Бериелиус Й. 124. 149 Буиге М. А. 46 Бутлеров А. М- 92. 121. 124. 150 Вслер Ф. 150 Гассенди П. 99 Гси-Люссак Ж. . 104. 105 Горбачевский И. Я. 53. 150 Д;шыон Дж. 91 Демокрит 99 Зииии 11, Г1. 150 Кольбе Г. 150 К\риаков Н. С. 103 Лав)а!ье .А. 101 Ле Шателье А. 144 Ломоносов М. В. 70. 91. 100 Менделеев Д. И. 92. 107—109 1 Гтранельс Т. 71 Пнсаржсвский Л. В. 136. 147 11олинг Л. 1 14 Пруст Ж, 102—104 Финюр Е. 58 предметный указатель Лкнентор 113 Альдегид м> равьиный (формальдегид) 21 >ке_\сный (ацетальдегид) 21 Аминогрунна 54 •Аминокислоты 53 Амфотерные сое.тинения 55 Лнегаты 28 170 Ьслки UHci'Hhic реакции Ьертоллиды (>рожсиис Хромирование Ь\ ганол 59 103 44 18 10 В Вешество 93—95 Взаимное влияние атомов 19 Воссгановитсль 135 Восстановление 23, 135 Внутренняя анергия 142 Волокна искусственные 62 натуральные 61 синтетические 62 Г Галогенирование 137 1 снетическая связь 31. 151 1 идратання 31. 139 1 идрирование 38. 138 Гидролиз 139 белков 59 жиров 38 крахмала 48 сложных эфиров 33 целлюлозы 51 Глико1ен 48 Глицерин 14 Глюкоза 42 Г'омологический ряд 10 Гомология 64 Группа альдегидная 20 гидроксильная 8 карбоксильная 25 пептидная 56 функциональная 13 Д Д;и1Ьтониды 103 Декстрины 49 Денатурация белков 58 Дипеитид 56 Диссоциа[и1я карбоновь[х кислот 27 /U'Mop 113 Лоиорно-нкиет орпый механизм 1 12- I 14 /К Жиры животные жидкие растительные гверль1е 36 36 36 36 Законы Аногалро 105—107 сохранения маееы liciiieeiB 100—102 объемных отношений 104. 105 нерио.зичеекнй 107. 108 постоянства eoeraua 102—104 Изомерия Изомеры Ингибитор 10. 64. 124 10. 103 147 К Каиром Картина мира общая химическая Катализатор Кермсты Кислоты амино\ кс\ спая 1люконовая карболовая карбоновые масляная (б\ гановая) м\ рав1.имая (метановая) олеиновая гфонионовая (нронановая) стеариновая укс>еная (мановая) К.1етматка Композиты Крахмал Криста.т.тичсские решет кн атомные ионные 62 91 91 146 74 54 44 18 25 26 25. 26 35 26 35 22 50 74 47 119 119 22. 25. 26 172 \[сталличсскпс 120 \[олек\лярн1>1с !19 м Маргарин 38 Материалы 72 к-о\тозицио11ш,1с 74 \гсталлическис 72 Г1еметаллические 73 Материя 90 Метанол 8. 9 Мололи молек\л Mireiirrrroirrae 9. 15. Молярный объем гггча 106 Моющие срелегва еинтегические 40. 83 Мыло 39. 40 И Научная картина мира 91 1 Impoi лицерин 16 Нигрование 139 11о\геггклатура альлегилои 21 аминокислот 54 карбоновых icHCJio'i 25 спиртов 10 11ормалы1ые условия 106 11орпласты 74 о Окислеггие 135 Окггсл итель 136 Омыление жира 39 ()п1оси1ел1>ная нлотносгь газов 107 П 11атока 49 11олимер прнродггг.г1'г 47. 50 сиггтетичсскггй 62 11оли,\геризанггя 65 Нолиггеггти.т 56 Порошковггя \гегалл\ рг ИЯ 72 11ригггггггг Лс 1Лаге.гг>е 144 1 Ipoucee физико-химически 11 97. 98 физический 97 химически1'1 97 ялериый 98 р Реакции (см. Химические реакции) Сахароза 45 С(пяз1, нолоролпая 116. 117 ио}1иая 114. 115 ко1!Ш1еитная 112—114 метал.'шческая 115 пеитилиая 56 Сильвинит 78 Скороегь .химической реакции 145 Скрап 78 Спирт бутиловый 10 метиловый 8, 10 ироииловый 10 ттиловый 8. 10 Спирты многоатомные 14 олноагомные 8 Стандарты 1.1С ус.ловия 106, 143 Сгеарат 39 Сзруктуриые (|)ормулы 123 Степень окисления 135 Сырье 77 вторичное 78 комплексное использование 78. 79 рсгенсрания 78 рециркуляция 78 Г Теория химического строения 121 —124 Тепловой зф(|)ект реакции 141—143 Термохимические уравнения 143 Трибромфенол 19 Грмолеин 36 '1'ринепгил 56 Тристеарин 36 Уг'Леволг.г 42 (!) сбенол сбеноляг натрия Формалг.легил 17 18 21 174 Фотосинтез 42 Фрук'юза 44 Ф\})К11Иональная группа 13 X Химизация 71 Химическая реакция 97. 130 замещения 12. 15. 1 8, 133 каталитическая 146 обмена 134 обратимая 144 окисления И. 15. 22, 51 окислительно-восстановительная 135 присоединения 23 разложения 52. 60. 1 32 соединения 131 экзотермическая 136 эндотермическая 137 Химическое равновесие 143. 144 Химический индивид 96 Химический элемент 93 Ц Целлюлоза 50 Э Экология 86 Электроотрицательность 115 Энергетика 80 водородная 82 солнечная 82 ядерная 82 Энтальпия реакции 142 Этерификация 32 Этанол 8. 9 Этилат натрия 12 Этиленгликоль 16 Этиловый эфир уксусной кислоты 32 Эфиры 29, 32 Я Ятрохимия 69