Саморазвитие, Поиск книг Обсуждение прочитанных книг и статей, Консультации специалистов: Рэйки; Космоэнергетика; Биоэнергетика; Йога; Практическая Философия и Психология; Здоровое питание; В гостях у астролога; Осознанное существование; Фэн-Шуй; Вредные привычки Эзотерика

Р. А. Лидин
Химия: Полный справочник для подготовки к ЕГЭ

Предисловие

Справочник включает весь теоретический материал школьного курса химии, необходимый для сдачи ЕГЭ, – итоговой аттестации учащихся. Этот материал распределен по 14 разделам, содержание которых соответствует темам, проверяемым на ЕГЭ, – четырем содержательным блокам: «Химический элемент», «Вещество», «Химическая реакция», «Познание и применение веществ и химических реакций». К каждому разделу даны тренировочные задания из частей А и В – с выбором ответа и кратким ответом. Раздел 15 полностью посвящен решению расчетных задач, включенных в экзаменационную часть С.

Тестовые задания составлены таким образом, что, отвечая на них, учащийся сможет более рационально повторить основные положения школьного курса химии.

В конце пособия приводятся ответы к тестам, которые помогут школьникам и абитуриентам проверить себя и восполнить имеющиеся пробелы.

Для удобства работы с данным справочником приведена таблица, где указано соответствие между тематикой экзамена и разделами книги.

Пособие адресовано старшим школьникам, абитуриентам и учителям.

1. Распространенные элементы. строение атомов. Электронные оболочки. Орбитали

Химический элемент– определенный вид атомов, обозначаемый названием и символом и характеризуемый порядковым номером и относительной атомной массой.

В табл. 1 перечислены распространенные химические элементы, приведены символы, которыми они обозначаются (в скобках – произношение), порядковые номера, относительные атомные массы, характерные степени окисления.

Нулевая степень окисления элемента в его простом веществе (веществах) в таблице не указана.

Все атомы одного элемента имеют одно и то же число протонов в ядре и число электронов в оболочке. Так, в атоме элемента водород Н находится 1р⁺ в ядре и на периферии 1е^-; в атоме элемента кислород О находится 8р⁺ в ядре и 8е^- в оболочке; атом элемента алюминий Аl содержит 13р⁺ в ядре и 13е^- в оболочке.

Атомы одного элемента могут различаться числом нейтронов в ядре, такие атомы называются изотопами. Так, у элемента водород Н три изотопа: водород-1 (специальное название и символ протий ¹H) с 1 р⁺ в ядре и 1е^- в оболочке; водород-2 (дейтерий ²Н, или D) с 1р⁺ и 1п⁰ в ядре и 1е^- в оболочке; водород-3 (тритий ³Н, или Т) с 1р⁺ и 2п⁰ в ядре и 1е^- в оболочке. В символах ¹Н, ²Н и ³Н верхний индекс указывает массовое число– сумму чисел протонов и нейтронов в ядре. Другие примеры:

Электронную формулу атома любого химического элемента в соответствии с его расположением в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева можно определить по табл. 2.

Электронная оболочка любого атома делится на энергетические уровни (1, 2, 3-й и т. д.), уровни делятся на подуровни (обозначаются буквами s, р, d, f). Подуровни состоят из атомных орбиталей – областей пространства, где вероятно пребывание электронов. Орбитали обозначаются как 1s (орбиталь 1-го уровня s-подуровня), 2s, 2р, 3s, 3р, 3d, 4s… Число орбиталей в подуровнях:

Заполнение атомных орбиталей электронами происходит в соответствии с тремя условиями:

1) принцип минимума энергии

Электроны заполняют орбитали, начиная с подуровня с меньшей энергией.

Последовательность нарастания энергии подуровней:

1s < 2c < 2p < 3s < 3p < 4s <= 3d < 4p < 5s <= 4d < 5p < 6s…

2) правило запрета (принцип Паули)

В каждой орбитали может разместиться не более двух электронов.

Один электрон на орбитали называется неспаренным, два электрона — электронной парой:

3) принцип максимальной мультиплетности (правило Хунда)

В пределах подуровня электроны сначала заполняют все орбитали наполовину, а затем – полностью.

Каждый электрон имеет свою собственную характеристику – спин (условно изображается стрелкой вверх или вниз). Спины электронов складываются как вектора, сумма спинов данного числа электронов на подуровне должна быть максимальной (мультиплетность):

Заполнение электронами уровней, подуровней и орбиталей атомов элементов от Н (Z = 1) до Kr (Z = 36) показано на энергетической диаграмме (номера отвечают последовательности заполнения и совпадают с порядковыми номерами элементов):

Из заполненных энергетических диаграмм выводятся электронные формулы атомов элементов. Число электронов на орбиталях данного подуровня указывается в верхнем индексе справа от буквы (например, 3d⁵ – это 5 электронов на Зd-подуровне); вначале идут электроны 1-го уровня, затем 2-го, 3-го и т. д. Формулы могут быть полными и краткими, последние содержат в скобках символ соответствующего благородного газа, чем передается его формула, и, сверх того, начиная с Zn, заполненный внутренний d-подуровень. Примеры:

₁H = 1s¹

₂Не = 1s²

₃Li = 1s²2s¹ = [₂He]2s¹

₈O = 1s²2s²2p⁴ = [₂He]2s²2p⁴

₁₃Al = 1s²2s²2p⁶3s²3p¹ = [₁₀Ne]3s²3p¹

₁₇Cl = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁵ = [₁₀Ne]3s²3p⁵

_2OСа = 1s²2s²2p⁶3s²3p4s² = [₁₈Ar]4s²

₂₁Sc = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹4s² = [₁₈Ar]3d¹4s²

₂₅Mn = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s² = [₁₈Ar]3d⁵4s²

₂₆Fe = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s² = [₁₈Ar]3d⁶4s²

_3OZn = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s² = [₁₈Ar, 3d¹⁰]4s²

₃₃As = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p³ = [₁₈Ar, 3d¹⁰]4s²4p³

₃₆Kr = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s²4p⁶ = [₁₈Ar, 3d¹⁰]4s²4p⁶

Электроны, вынесенные за скобки, называются валентными. Именно они принимают участие в образовании химических связей.

Исключение составляют:

₂₄Cr = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁵4s¹ = [₁₈Аr]Зd⁵4s¹ (а не 3d⁴4s²!),

₂₉Cu = 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d¹⁰4s¹ = [₁₈Ar]3d¹⁰4s¹ (а не 3d⁹4s²!).

Примеры заданий части А

1. Название, не относящееся к изотопам водорода, – это

1) дейтерий

2) оксоний

3) протий

4) тритий

2. Формула валентных подуровней атома металла – это

1) 4s²4p⁴

2) 3d⁵4s²

3) 2s²2p¹

4) 3s²3p⁶

3. Число неспаренных электронов в основном состоянии атома железа равно

1) 2

2) 3

3) 4

4) 8

4. В возбужденном состоянии атома алюминия число неспаренных электронов равно

1) 1

2) 2

3) 3

4) 4

5. Электронная формула [Ar]3d⁹4s⁰ отвечает катиону

1) Ti²⁺

2) Cu²⁺

3) Cr²⁺

4) Zn²⁺

6. Электронная формула аниона Э^2- [Ne] 3s²3p⁶ отвечает элементу

1) аргон

2) хлор

3) сера

4) фосфор

7. Суммарное число электронов в катионе Mg²⁺ и анионе F^- равно

1) 9

2) 10

3) 20

4) 21

2. Периодический закон. Периодическая система. Электроотрицательность. Степени окисления

Современная формулировка Периодического закона, открытого Д. И. Менделеевым в 1869 г.:

Свойства элементов находятся в периодической зависимости от порядкового номера.

Периодически повторяющийся характер изменения состава электронной оболочки атомов элементов объясняет периодическое изменение свойств элементов при движении по периодам и группам Периодической системы.

Проследим, например, изменение высших и низших степеней окисления у элементов IA – VIIA-групп во втором – четвертом периодах по табл. 3.

Положительные степени окисления проявляют все элементы, за исключением фтора. Их значения увеличиваются с ростом заряда ядер и совпадают с числом электронов на последнем энергетическом уровне (за исключением кислорода). Эти степени окисления называют высшими степенями окисления. Например, высшая степень окисления фосфора Р равна +V.

Отрицательные степени окисления проявляют элементы, начиная с углерода С, кремния Si и германия Ge. Значения их равны числу электронов, недостающих до восьми. Эти степени окисления называют низшими степенями окисления. Например, у атома фосфора Р на последнем энергетическом уровне недостает трех электронов до восьми, значит, низшая степень окисления фосфора Р равна – III.

Значения высших и низших степеней окисления повторяются периодически, совпадая по группам; например, в IVA-группе углерод С, кремний Si и германий Ge имеют высшую степень окисления +IV, а низшую степень окисления – IV.

Эта периодичность изменения степеней окисления отражается на периодическом изменении состава и свойств химических соединений элементов.

Аналогично прослеживается периодическое изменение электроотрицательности элементов в 1—6-м периодах IA– VIIA-групп (табл. 4).

В каждом периоде Периодической системы электроотрицательность элементов увеличивается при возрастании порядкового номера (слева направо).

В каждой группе Периодической системы электроотрицательность уменьшается при возрастании порядкового номера (сверху вниз). Фтор F обладает наивысшей, а цезий Cs – наинизшей электроотрицательностью среди элементов 1—6-го периодов.

У типичных неметаллов – высокая электроотрицательность, а у типичных металлов – низкая.

Примеры заданий частей А, В

1. В 4-м периоде число элементов равно

1) 2

2) 8

3) 18

4) 32

2. Металлические свойства элементов 3-го периода от Na до Сl

1) силиваются

2) ослабевают

3) не изменяются

4) не знаю

3. Неметаллические свойства галогенов с увеличением порядкового номера

1) возрастают

2) понижаются

3) остаются без изменений

4) не знаю

4. В ряду элементов Zn – Hg – Со – Cd один элемент, не входящий в группу, – это

1) Са

2) Cs

3) Cd

4) Со

5. Металлические свойства элементов повышаются по ряду

1) In – Ga – Al

2) К – Rb – Sr

3) Ge – Ga – Tl

4) Li – Be – Mg

6. Неметаллические свойства в ряду элементов Аl – Si – С – N

1) увеличиваются

2) уменьшаются

3) не изменяются

4) не знаю

7. В ряду элементов О – S – Se – Те размеры (радиусы) атома

1) уменьшаются

2) увеличиваются

3) не изменяются

4) не знаю

8. В ряду элементов Р – Si – Аl – Mg размеры (радиусы) атома

1) уменьшаются

2) увеличиваются

3) не изменяются

4) не знаю

9. Для фосфора элемент с меньшей электроотрицательностью – это

1) N

2) S

3) Сl

4) Mg

10. Молекула, в которой электронная плотность смещена к атому фосфора, – это

1) PF₃

2) РН₃

3) P₂S₃

4) Р₂O₃

11. Высшая степень окисления элементов проявляется в наборе оксидов и фторидов

1) СlO₂, РСl₅, SeCl₄, SO₃

2) PCl, Аl₂O₃, КСl, СО

3) SeO₃, ВСl₃, N₂O₅, СаСl₂

4) AsCl₅, SeO₂, SCl₂, Cl₂O₇

12. Низшая степень окисления элементов – в их водородных соединениях и фторидах набора

1) ClF₃, NH₃, NaH, OF₂

2) H₃S⁺, NH+, SiH₄, H₂Se

3) CH₄, BF₄, H₃O⁺, PF₃

4) PH₃, NF+, HF₂, CF₄

13. Валентность для многовалентного атома одинакова в ряду соединений

1) SiH₄ – AsH₃ – CF₄

2) РН₃ – BF₃ – ClF₃

3) AsF₃ – SiCl₄ – IF₇

4) H₂O – BClg – NF₃

14. Укажите соответствие между формулой вещества или иона и степенью окисления углерода в них

3. Молекулы. Химическая связь. Строение веществ

Химические частицы, образованные из двух или нескольких атомов, называются молекулами (реальными или условными формульными единицами многоатомных веществ). Атомы в молекулах химически связаны.

Под химической связью понимают электрические силы притяжения, удерживающие частицы друг около друга. Каждая химическая связь в структурных формулах представляется валентной чертой, например:

H – H (связь между двумя атомами водорода);

H₃N – Н⁺ (связь между атомом азота молекулы аммиака и катионом водорода);

(К⁺) – (I^-) (связь между катионом калия и иодид-ионом).

Химическая связь образуется парой электронов (•), которая в электронных формулах сложных частиц (молекул, сложных ионов) обычно заменяется валентной чертой, в отличие от собственных, неподеленных электронных пар атомов, например:

Химическая связь называется ковалентной, если она образована путем обобществления пары электронов обоими атомами.

В молекуле F₂ оба атома фтора имеют одинаковую электроотрицательность, следовательно, обладание электронной парой для них одинаково. Такую химическую связь называют неполярной, так как у каждого атома фтора электронная плотность одинакова и в электронной формуле молекулы может быть условно разделена между ними поровну:

В молекуле хлороводорода НСl химическая связь уже полярная, так как электронная плотность на атоме хлора (элемента с большей электроотрицательностью) значительно выше, чем на атоме водорода:

Ковалентная связь, например Н – Н, может быть образована путем обобществления электронов двух нейтральных атомов:

H · + · H -> H – H

или

H ? ? H

Такой механизм образования связи называется обменным или равноценным.

По другому механизму та же ковалентная связь H – H возникает при обобществлении электронной пары гидрид-иона H катионом водорода Н⁺:

H⁺ + (:H)^- -> H – H

или

H ? ? H

Катион Н⁺ в этом случае называют акцептором, а анион Н – донором электронной пары. Механизм образования ковалентной связи при этом будет донорно-акцепторным, или координационным.

Одинарные связи (Н – Н, F – F, Н – CI, Н – N) называются а-связями, они определяют геометрическую форму молекул.

Двойные и тройные связи ( ) содержат одну ?-составляющую и одну или две ?-составляющие; ?-составляющая, являющаяся основной и условно образующаяся первой, всегда прочнее ?-составляющих.

Физическими (реально измеряемыми) характеристиками химической связи являются ее энергия, длина и полярность.

Энергия химической связи (Е_св) – это теплота, которая выделяется при образовании данной связи и затрачивается на ее разрыв. Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда слабее, чем кратная (двойная, тройная).

Длина химической связи (l_св) – межъядерное расстояние. Для одних и тех же атомов одинарная связь всегда длиннее, чем кратная.

Полярность связи измеряется электрическим дипольным моментом р – произведением реального электрического заряда (на атомах данной связи) на длину диполя (т. е. длину связи). Чем больше дипольный момент, тем выше полярность связи. Реальные электрические заряды на атомах в ковалентной связи всегда меньше по значению, чем степени окисления элементов, но совпадают по знаку; например, для связи H^+I—Cl^-I реальные заряды равны Н⁺⁰'¹⁷—Сl^-0'¹⁷ (двухполюсная частица, или диполь).

Полярность молекул определяется их составом и геометрической формой.

Неполярными (р = O) будут:

а) молекулы простых веществ, так как они содержат только неполярные ковалентные связи;

б) многоатомные молекулы сложных веществ, если их геометрическая форма симметрична.

Например, молекулы СО₂, BF₃ и СН₄ имеют следующие направления равных (по длине) векторов связей:

При сложении векторов связей их сумма всегда обращается в нуль, и молекулы в целом неполярны, хотя и содержат полярные связи.

Полярными (р > O) будут:

а) двухатомные молекулы сложных веществ, так как они содержат только полярные связи;

б) многоатомные молекулы сложных веществ, если их строение асимметрично, т. е. их геометрическая форма либо незавершенная, либо искаженная, что приводит к появлению суммарного электрического диполя, например у молекул NH₃, Н₂О, HNО₃ и HCN.

Сложные ионы, например NH₄⁺, SO₄^2- и NO₃^-, не могут быть диполями в принципе, они несут только один (положительный или отрицательный) заряд.

Ионная связь возникает при электростатическом притяжении катионов и анионов почти без обобществления пары электронов, например между К⁺ и I^-. У атома калия – недостаток электронной плотности, у атома иода – избыток. Такую связь считают предельным случаем ковалентной связи, поскольку пара электронов находится практически во владении у аниона. Такая связь наиболее характерна для соединений типичных металлов и неметаллов (CsF, NaBr, CaO, K₂S, Li₃N) и веществ класса солей (NaNО₃, K₂SО₄, СаСО₃). Все эти соединения при комнатных условиях представляют собой кристаллические вещества, которые объединяют общим названием ионные кристаллы (кристаллы, построенные из катионов и анионов).

Известен еще один вид связи, называемой металлической связью, в которой валентные электроны так непрочно удерживаются атомами металлов, что фактически не принадлежат конкретным атомам.

Атомы металлов, оставшиеся без четко принадлежащих им внешних электронов, становятся как бы положительными ионами. Они образуют металлическую кристаллическую решетку. Совокупность обобществленных валентных электронов (электронный газ) удерживает положительные ионы металла вместе и в определенных узлах решетки.

Помимо ионных и металлических кристаллов существуют еще атомные и молекулярные кристаллические вещества, в узлах решеток которых находятся атомы или молекулы соответственно. Примеры: алмаз и графит – кристаллы с атомной решеткой, иод I₂ и диоксид углерода СO₂ (сухой лед) – кристаллы с молекулярной решеткой.

Химические связи существуют не только внутри молекул веществ, но могут образовываться и между молекулами, например для жидкого HF, воды Н₂O и смеси H₂O + NH₃:

Водородная связь образуется за счет сил электростатического притяжения полярных молекул, содержащих атомы самых электроотрицательных элементов – F, О, N. Например, водородные связи имеются в HF, Н₂O и NH₃, но их нет в HCl, H₂S и РН₃.

Водородные связи малоустойчивы и разрываются довольно легко, например при плавлении льда и кипении воды. Однако на разрыв этих связей затрачивается некоторая дополнительная энергия, и поэтому температуры плавления (табл. 5) и кипения веществ с водородными связями

(например, HF и Н₂O) оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей (например, HCl и H₂S соответственно).

Многие органические соединения также образуют водородные связи; важную роль водородная связь играет в биологических процессах.

Примеры заданий части А

1. Вещества только с ковалентными связями – это

1) SiH₄, Сl₂O, СаВr₂

2) NF₃, NH₄Cl, P₂O₅

3) CH₄, HNO₃, Na(CH₃O)

4) CCl₂O, I₂, N₂O

2–4. Ковалентная связь

2. одинарная

3. двойная

4. тройная

присутствует в веществе

1) КСl

2) N₂

3) S₂

4) H₂S

5. Кратные связи имеются в молекулах

1) HCOOH

2) ССl₄

3) С₃Н₈

4) С₃Н₄

6. Частицы, называемые радикалами, – это

1) SO₂

2) СlO₂

3) С₂Н₆

4) С₂Н₅

7. Одна из связей образована по донорно-акцепторному механизму в наборе ионов

1) SO₄^2-, NH₄⁺

2) H₃O⁺, NH₄⁺

3) PO₄^3-, NO₃^-

4) PH₄⁺, SO₃^2-

8. Наиболее прочная и короткая связь – в молекуле

1) Н₂O

2) H₂S

3) HF

4) PH₃

9. Вещества только с ионными связями – в наборе

1) HCl, КСl

2) NH₄Cl, SiCl₄

3) NaF, CsCl

4) Nal, P₂O₅

10–13. Кристаллическая решетка вещества

10. Si

11. H₂SO₄

12. Cr

13. Ва(ОН)₂

1) металлическая

2) ионная

3) атомная

4) молекулярная

4. Классификация и взаимосвязь неорганических веществ

Классификация неорганических веществ базируется на химическом составе – наиболее простой и постоянной во времени характеристике. Химический состав вещества показывает, какие элементы присутствуют в нем и в каком числовом отношении для их атомов.

Элементы условно делятся на элементы с металлическими и неметаллическими свойствами. Первые из них всегда входят в состав катионов многоэлементных веществ (металлические свойства), вторые – в состав анионов (неметаллические свойства). В соответствии с Периодическим законом в периодах и группах между этими элементами находятся амфотерные элементы, проявляющие одновременно в той или иной мере металлические и неметаллические (амфотерные, двойственные) свойства. Элементы VIIIA-группы продолжают рассматривать отдельно (благородные газы), хотя для Kr, Хе и Rn обнаружены явно неметаллические свойства (элементы Не, Ne, Ar химически инертны).

Классификация простых и сложных неорганических веществ приведена в табл. 6.

Ниже приводятся определения (дефиниции) классов неорганических веществ, их важнейшие химические свойства и способы получения.

Неорганические вещества – соединения, образуемые всеми химическими элементами (кроме большинства органических соединений углерода). Делятся по химическому составу:

Простые вещества образованы атомами одного элемента. Делятся по химическим свойствам:

Металлы – простые вещества элементов с металлическими свойствами (низкая электроотрицательность). Типичные металлы:

Металлы обладают высокой восстановительной способностью по сравнению с типичными неметаллами. В электрохимическом ряду напряжений они стоят значительно левее водорода, вытесняют водород из воды (магний – при кипячении):

Простые вещества элементов Cu, Ag и Ni также относят к металлам, так как у их оксидов CuO, Ag₂O, NiO и гидроксидов Cu(OH)₂, Ni(OH)₂ преобладают основные свойства.

Неметаллы – простые вещества элементов с неметаллическими свойствами (высокая электроотрицательность). Типичные неметаллы: F₂, Cl₂, Br₂, I₂, O₂, S, N₂, Р, С, Si.

Неметаллы обладают высокой окислительной способностью по сравнению с типичными металлами.

Амфигены – амфотерные простые вещества, образованные элементами с амфотерными (двойственными) свойствами (электроотрицательность промежуточная между металлами и неметаллами). Типичные амфигены: Be, Cr, Zn, Аl, Sn, Pb.

Амфигены обладают более низкой восстановительной способностью по сравнению с типичными металлами. В электрохимическом ряду напряжений они примыкают слева к водороду или стоят за ним справа.

Аэрогены – благородные газы, одноатомные простые вещества элементов VIIIA-группы: Не, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn. Из них He, Ne и Ar химически пассивны (соединения с другими элементами не получены), а Kr, Хе и Rn проявляют некоторые свойства неметаллов с высокой электроотрицательностью.

Сложные вещества образованы атомами разных элементов. Делятся по составу и химическим свойствам:

Оксиды – соединения элементов с кислородом, степень окисления кислорода в оксидах всегда равна (-II). Делятся по составу и химическим свойствам:

Элементы He, Ne и Ar соединений с кислородом не образуют. Соединения элементов с кислородом в других степенях окисления – это не оксиды, а бинарные соединения, например O^+IIF₂^-I и H₂^+IO₂^-I. Не относятся к оксидам и смешанные бинарные соединения, например S^+IVCl₂^-IO^-II.

Осн?вные оксиды – продукты полной дегидратации (реальной или условной) основных гидроксидов, сохраняют химические свойства последних.

Из типичных металлов только Li, Mg, Ca и Sr образуют оксиды Li₂O, MgO, СаО и SrO при сжигании на воздухе; оксиды Na₂O, К₂O, Rb₂O, Cs₂O и ВаО получают другими способами.

Оксиды CuO, Ag₂O и NiO также относят к основным.

Кислотные оксиды – продукты полной дегидратации (реальной или условной) кислотных гидроксидов, сохраняют химические свойства последних.

Из типичных неметаллов только S, Se, Р, As, С и Si образуют оксиды SO₂, SeO₂, Р₂O₅, As₂O₃, СO₂ и SiO₂ при сжигании на воздухе; оксиды Cl₂O, Cl₂O₇, I₂O₅, SO₃, SeO₃, N₂O₃, N₂O₅ и As₂O₅ получают другими способами.

Исключение: у оксидов NO₂ и ClO₂ нет соответствующих кислотных гидроксидов, но их считают кислотными, так как NO₂ и ClO₂ реагируют со щелочами, образуя соли двух кислот, а ClO₂ и с водой, образуя две кислоты:

а) 2NO₂ + 2NaOH = NaNO₂ + NaNO₃ + H₂O

б) 2ClO₂ + Н₂O (хол.) = НClO₂ + НClO₃

2ClO₂ + 2NaOH (хол.) = NaClO₂ + NaClO₃ + H₂O

Оксиды CrO₃ и Mn₂O₇ (хром и марганец в высшей степени окисления) также являются кислотными.

Амфотерные оксиды – продукты полной дегидратации (реальной или условной) амфотерных гидроксидов, сохраняют химические свойства амфотерных гидроксидов.

Типичные амфигены (кроме Ga) при сжигании на воздухе образуют оксиды BeO, Cr₂O₃, ZnO, Al₂O₃, GeO₂, SnO₂ и РЬО; амфотерные оксиды Ga₂O₃, SnO и РЬO₂ получают другими способами.

Двойные оксиды образованы либо атомами одного амфотерного элемента в разных степенях окисления, либо атомами двух разных (металлических, амфотерных) элементов, что и определяет их химические свойства. Примеры:

(Fe^IIFe₂^III)O₄, (Рb₂^IIPb^IV)O₄, (MgAl₂)O₄, (CaTi)O₃.

Оксид железа образуется при сгорании железа на воздухе, оксид свинца – при слабом нагревании свинца в кислороде; оксиды двух разных металлов получают другими способами.

Несолеобразующие оксиды – оксиды неметаллов, не имеющие кислотных гидроксидов и не вступающие в реакции солеобразования (отличие от основных, кислотных и амфотерных оксидов), например: СО, NO, N₂O, SiO, S₂O.

Гидроксиды – соединения элементов (кроме фтора и кислорода) с гидроксогруппами О^-IIН, могут содержать также кислород O^-II. В гидроксидах степень окисления элемента всегда положительная (от +I до +VIII). Число гидроксогрупп от 1 до 6. Делятся по химическим свойствам:

Осн?вные гидроксиды (основания) образованы элементами с металлическими свойствами.

Получаются по реакциям соответствующих основных оксидов с водой:

М₂O + Н₂O = 2МОН (М = Li, Na, К, Rb, Cs)

МО + Н₂O = М(ОН)₂ (М = Са, Sr, Ва)

Исключение: гидроксиды Mg(OH)₂, Cu(OH)₂ и Ni(OH)₂ получают другими способами.

При нагревании реальная дегидратация (потеря воды) протекает для следующих гидроксидов:

2LiOH = Li₂O + Н₂O

М(ОН)₂ = МО + Н₂O (М = Mg, Са, Sr, Ва, Cu, Ni)

Основные гидроксиды замещают свои гидроксогруппы на кислотные остатки с образованием солей, металлические элементы сохраняют свою степень окисления в катионах солей.

Хорошо растворимые в воде основные гидроксиды (NaOH, КОН, Са(ОН)₂, Ва(ОН)₂ и др.) называют щелочами, так как именно с их помощью в растворе создается щелочная среда.

Кислотные гидроксиды (кислоты) образованы элементами с неметаллическими свойствами. Примеры:

При диссоциации в разбавленном водном растворе образуются катионы Н⁺ (точнее, Н₃O⁺) и следующие анионы, или кислотные остатки:

Кислоты можно получить по реакциям соответствующих кислотных оксидов с водой (ниже приведены реально протекающие реакции):

Cl₂O + H₂O = 2HClO

Е₂O₃ + Н₂O = 2НЕO₂ (Е = N, As)

As₂O₃ + 3H₂O = 2H₃AsO₃

EO₂ + H₂O = H₂EO₃ (Е = С, Se)

E₂O₅ + H₂O = 2HEO₃ (Е = N, Р, I)

E₂O₅ + 3H₂O = 2H₃EO₄ (E = P, As)

EO₃ + H₂O = H₂EO₄ (E = S, Se, Cr)

E₂O₇ + H₂O = 2HEO₄ (E = Cl, Mn)

Исключение: оксиду SO₂ в качестве кислотного гидроксида соответствует полигидрат SO₂ nН₂O («сернистая кислота H₂SO₃» не существует, но кислотные остатки HSO₃^- и SO₃^2- присутствуют в солях).

При нагревании некоторых кислот протекает реальная дегидратация и образуются соответствующие кислотные оксиды:

2HAsO₂ = As₂O₃ + H₂O

H₂EO₃ = EO₂ + H₂O (E = C, Si, Ge, Se)

2HIO₃ = I₂O₅ + H₂O

2H₃AsO₄ = As₂O₅ + H₂O

H₂SeO₄ = SeO₃ + H₂O

При замене (реальной и формальной) водорода кислот на металлы и амфигены образуются соли, кислотные остатки сохраняют в солях свой состав и заряд. Кислоты H₂SO₄ и Н₃РO₄ в разбавленном водном растворе реагируют с металлами и амфигенами, стоящими в ряду напряжений левее водорода, при этом образуются соответствующие соли и выделяется водород (кислота HNO₃ в такие реакции не вступает; ниже типичные металлы, кроме Mg, не указаны, так как они реагируют в подобных условиях с водой):

М + H₂SO₄(pasб.) = MSO₄ + Н₂? (М = Be, Mg, Cr, Mn, Zn, Fe, Ni)

2M + 3H₂SO₄(paзб.) = M₂(SO₄)₃ + 3H₂? (M = Al, Ga)

3M + 2Н₃РO₄(разб.) = M₃(PO₄)₂? + 3H₂? (M = Mg, Fe, Zn)

В отличие от бескислородных кислот кислотные гидроксиды называют кислородсодержащими кислотами или оксокислотами.

Амфотерные гидроксиды образованы элементами с амфотерными свойствами. Типичные амфотерные гидроксиды:

Be(OH)₂ Sn(OH)₂ Al(OH)₃ AlO(OH)

Zn(OH)₂ Pb(OH)₂ Cr(OH)₃ CrO(OH)

He образуются из амфотерных оксидов и воды, но подвергаются реальной дегидратации и образуют амфотерные оксиды:

Исключение: для железа(III) известен только метагидроксид FeO(OH), «гидроксид железа(III) Fe(OH)₃» не существует (не получен).

Амфотерные гидроксиды проявляют свойства основных и кислотных гидроксидов; образуют два вида солей, в которых амфотерный элемент входит в состав либо катионов солей, либо их анионов.

Для элементов, имеющих несколько степеней окисления, действует правило: чем выше степень окисления, тем более выражены кислотные свойства гидроксидов (и/или соответствующих оксидов).

Соли – соединения, состоящие из катионов основных или амфотерных (в роли основных) гидроксидов и анионов (остатков) кислотных или амфотерных (в роли кислотных) гидроксидов. В отличие от бескислородных солей, соли, рассматриваемые здесь, называются кислородсодержащими солями или оксосолями. Делятся по составу катионов и анионов:

Средние соли содержат средние кислотные остатки СО₃^2-, NO₃^-, РО₄^3-, SO₄^2- и др.; например: К₂СO₃, Mg(NO₃)₂, Cr₂(SO₄)₃, Zn₃(PO₄)₂.

Если средние соли получают по реакциям с участием гидроксидов, то реагенты берут в эквивалентных количествах. Например, соль К₂СO₃ можно получить, если взять реагенты в соотношениях:

2КОН и 1Н₂СO₃, 1К₂O и 1Н₂СO₃, 2КОН и 1СO₂.

Реакции образования средних солей:

1)

Основание + Кислота -> Соль + Вода

1а) основный гидроксид + кислотный гидроксид ->…

2NaOH + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + 2Н₂O

Cu(OH)₂ + 2HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2H₂O

1б) амфотерный гидроксид + кислотный гидроксид ->…

2Al(ОН)₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 6Н₂O

Zn(OH)₂ + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + 2Н₂O

1в) основный гидроксид + амфотерный гидроксид ->…

NaOH + Al(ОН)₃ = NaAlO₂ + 2Н₂O (в расплаве)

2NaOH + Zn(OH)₂ = Na₂ZnO₂ + 2Н₂O (в расплаве)

2)

Основной оксид + Кислота = Соль + Вода

2а) основный оксид + кислотный гидроксид ->…

Na₂O + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + Н₂O

CuO + 2HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + H₂O

2б) амфотерный оксид + кислотный гидроксид ->…

Al₂O₃ + 3H₂SO₄ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

ZnO + 2HNO₃ = Zn(NO₃)₂ + H₂O

2в) основный оксид + амфотерный гидроксид ->…

Na₂O + 2Al(ОН)₃ = 2NaAlO₂ + ЗН₂O (в расплаве)

Na₂O + Zn(OH)₂ = Na₂ZnO₂ + Н₂O (в расплаве)

3)

Основание + Кислотный оксид -> Соль + Вода

За) основный гидроксид + кислотный оксид ->…

2NaOH + SO₃ = Na₂SO₄ + Н₂O

Ва(ОН)₂ + СO₂ = ВаСO₃ + Н₂O

3б) амфотерный гидроксид + кислотный оксид ->…

2Al(ОН)₃ + 3SO₃ = Al₂(SO₄)₃ + 3H₂O

Zn(OH)₂ + N₂O₅ = Zn(NO₃)₂ + H₂O

Зв) основный гидроксид + амфотерный оксид ->…

2NaOH + Al₂O₃ = 2NaAlO₂ + Н₂O (в расплаве)

2NaOH + ZnO = Na₂ZnO₂ + Н₂O (в расплаве)

4)

Основной оксид + Кислотный оксид -> Соль

4а) основный оксид + кислотный оксид ->…

Na₂O + SO₃ = Na₂SO₄, BaO + СO₂ = ВаСO₃

4б) амфотерный оксид + кислотный оксид ->…

Al₂O₃ + 3SO₃ = Al₂(SO₄)₃, ZnO + N₂O₅ = Zn(NO₃)₂

4в) основный оксид + амфотерный оксид ->…

Na₂O + Al₂O₃ = 2NaAlO₂, Na₂O + ZnO = Na₂ZnO₂

Реакции 1в, если они протекают в растворе, сопровождаются образованием других продуктов — комплексных солей:

NaOH (конц.) + Al(OН)₃ = Na[Al(OH)₄]

КОН (конц.) + Cr(OH)₃ = К₃[Cr(ОН)₆]

2NaOH (конц.) + M(OH)₂ = Na₂[M(OH)₄] (М = Be, Zn)

КОН (конц.) + M(OH)₂ = K[M(OH)₃] (М = Sn, Pb)

Все средние соли в растворе – сильные электролиты (диссоциируют нацело).

Кислые соли содержат кислые кислотные остатки (с водородом) HCO₃^-, Н₂РO₄^2-, HPO₄^2- и др., образуются при действии на основные и амфотерные гидроксиды или средние соли избытка кислотных гидроксидов, содержащих не менее двух атомов водорода в молекуле; аналогично действуют соответствующие кислотные оксиды:

NaOH + H₂SO₄ (конц.) = NaHSO₄ + H₂O

Ва(ОН)₂ + 2Н₃РO₄ (конц.) = Ва(Н₂РO₄)₂ + 2Н₂O

Zn(OH)₂ + Н₃РO₄ (конц.) = ZnHPO₄? + 2Н₂O

PbSO₄ + H₂SO₄ (конц.) = Pb(HSO₄)₂

K₂HPO₄ + Н₃РO₄ (конц.) = 2КН₂РO₄

Са(ОН)₂ + 2ЕO₂ = Са(НЕO₃)₂ (Е = С, S)

Na₂EO₃ + ЕO₂ + H₂O = 2NaHEO₃ (Е = С, S)

При добавлении гидроксида соответствующего металла или амфигена кислые соли переводятся в средние:

NaHSO₄ + NaOH = Na₂SO₄ + Н₂O

Pb(HSO₄)₂ + Pb(OH)₂ = 2PbSO₄? + 2H₂O

Почти все кислые соли хорошо растворимы в воде, диссоциируют нацело (КНСO₃ = К⁺ + HCO₃^-).

Осн?вные соли содержат гидроксогруппы ОН, рассматриваемые как отдельные анионы, например FeNO₃(OH), Ca₂SO₄(OH)₂, Cu₂CO₃(OH)₂, образуются при действии на кислотные гидроксиды избытка основного гидроксида, содержащего не менее двух гидроксогрупп в формульной единице:

Со(ОН)₂ + HNO₃ = CoNO₃(OH)? + Н₂O

2Ni(OH)₂ + H₂SO₄ = Ni₂SO₄(OH)₂? + 2H₂O

2Cu(OH)₂ + H₂CO₃ = Cu₂CO₃(OH)₂? + 2H₂O

Основные соли, образованные сильными кислотами, при добавлении соответствующего кислотного гидроксида переходят в средние:

CoNO₃(OH) + HNO₃ = Co(NO₃)₂ + Н₂O

Ni₂SO₄(OH)₂ + H₂SO₄ = 2NiSO₄ + 2H₂O

Большинство основных солей малорастворимы в воде; они осаждаются при совместном гидролизе, если образованы слабыми кислотами:

2MgCl₂ + Н₂O + 2Na₂CO₃ = Mg₂CO₃(OH)₂? + СO₂? + 4NaCl

Двойные соли содержат два химически разных катиона; например: CaMg(CO₃)₂, KAl(SO₄)₂, Fe(NH₄)₂(SO₄)₂, LiAl(SiO₃)₂. Многие двойные соли образуются (в виде кристаллогидратов) при совместной кристаллизации соответствующих средних солей из насыщенного раствора:

K₂SO₄ + MgSO₄ + 6Н₂O = K₂Mg(SO₄)₂ 6Н₂O?

Часто двойные соли менее растворимы в воде по сравнению с отдельными средними солями.

Бинарные соединения – это сложные вещества, не относящиеся к классам оксидов, гидроксидов и солей и состоящие из катионов и бескислородных анионов (реальных или условных).

Их химические свойства разнообразны и рассматриваются в неорганической химии отдельно для неметаллов разных групп Периодической системы; в этом случае классификация проводится по виду аниона.

Примеры:

а) галогениды: OF₂, HF, KBr, PbI₂, NH₄Cl, BrF₃, IF₇

б) хальгогениды: H₂S, Na₂S, ZnS, As₂S₃, NH₄HS, K₂Se, NiSe

в) нитриды: NH₃, NH₃ H₂O, Li₃N, Mg₃N₂, AlN, Si₃N₄

г) карбиды: CH₄, Be₂C, Al₄C₃, Na₂C₂, CaC₂, Fe₃C, SiC

д) силициды: Li₄Si, Mg₂Si, ThSi₂

е) гидриды: LiH, CaH₂, AlH₃, SiH₄

ж) пероксидьг. H₂O₂, Na₂O₂, СаO₂

з) надпероксиды: HO₂, КO₂, Ва(O₂)₂

По типу химической связи среди этих бинарных соединений различают:

ковалентные: OF₂, IF₇, H₂S, P₂S₅, NH₃, H₂O₂

ионные: Nal, K₂Se, Mg₃N₂, CaC₂, Na₂O₂, KO₂

Встречаются двойные (с двумя разными катионами) и смешанные (с двумя разными анионами) бинарные соединения, например: KMgCl₃, (FeCu)S₂ и Pb(Cl)F, Bi(Cl)O, SCl₂O₂, As(O)F₃.

Все ионные комплексные соли (кроме гидроксокомплексных) также относятся к этому классу сложных веществ (хотя обычно рассматриваются отдельно), например:

[Cu(NH₃)₄]SO₄ K₄[Fe(CN)₆] Na₃[AlF₆]

[Ag(NH₃)₂]Cl K₃[Fe(NCS)₆] K₂[SiF₆]

К бинарным соединениям относятся ковалентные комплексные соединения без внешней сферы, например [Fe(CO)₅] и [№(СО)₄].

По аналогии со взаимосвязью гидроксидов и солей из всех бинарных соединений выделяют бескислородные кислоты и соли (остальные соединения классифицируют как прочие).

Бескислородные кислоты содержат (как и оксокислоты) подвижный водород Н⁺ и поэтому проявляют некоторые химические свойства кислотных гидроксидов (диссоциация в воде, участие в реакциях солеобразования в роли кислоты). Распространенные бескислородные кислоты – это HF, НCl, HBr, HI, HCN и H₂S, из них HF, HCN и H₂S – слабые кислоты, а остальные – сильные.

Примеры реакций солеобразования:

2HBr + ZnO = ZnBr₂ + Н₂O

2H₂S + Ва(ОН)₂ = Ba(HS)₂ + 2Н₂O

2HI + Pb(OH)₂ = Pbl₂? + 2Н₂O

Металлы и амфигены, стоящие в ряду напряжений левее водорода и не реагирующие с водой, вступают во взаимодействие с сильными кислотами НCl, НВr и HI (в общем виде НГ) в разбавленном растворе и вытесняют из них водород (приведены реально протекающие реакции):

М + 2НГ = МГ₂ + Н₂? (М = Be, Mg, Zn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni)

2M + 6НГ = 2МГ₃ + H₂? (M = Al, Ga)

Бескислородные соли образованы катионами металлов и амфигенов (а также катионом аммония NH₄⁺) и анионами (остатками) бескислородных кислот; примеры: AgF, NaCl, KBr, PbI₂, Na₂S, Ba(HS)₂, NaCN, NH₄Cl. Проявляют некоторые химические свойства оксосолей.

Общий способ получения бескислородных солей с одноэлементными анионами – взаимодействие металлов и амфигенов с неметаллами F₂, Cl₂, Br₂ и I₂ (в общем виде Г₂) и серой S (приведены реально протекающие реакции):

2М + Г₂ = 2МГ (М = Li, Na, К, Rb, Cs, Ag)

M + Г₂ = МГ₂ (М = Be, Mg, Са, Sr, Ва, Zn, Mn, Со)

2М + ЗГ₂ = 2МГ₃ (М = Al, Ga, Cr)

2М + S = M₂S (М = Li, Na, К, Rb, Cs, Ag)

M + S = MS (M = Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Mn, Fe, Co, Ni)

2M + 3S = M₂S₃ (M = Al, Ga, Cr)

Исключения:

а) Cu и Ni реагируют только с галогенами Cl₂ и Br₂ (продукты МCl₂, МBr₂)

б) Cr и Mn реагируют с Cl₂, Br₂ и I₂ (продукты CrCl₃, CrBr₃, CrI₃ и MnCl₂, MnBr₂, MnI₂)

в) Fe реагирует с F₂ и Cl₂ (продукты FeF₃, FeCl₃), с Br₂ (смесь FeBr₃ и FeBr₂), с I₂ (продукт FeI₂)

г) Cu при реакции с S образует смесь продуктов Cu₂S и CuS

Прочие бинарные соединения – все вещества этого класса, кроме выделенных в отдельные подклассы бескислородных кислот и солей.

Способы получения бинарных соединений этого подкласса разнообразны, самый простой – взаимодействие простых веществ (приведены реально протекающие реакции):

а) галогениды:

S + 3F₂ = SF₆, N₂ + 3F₂ = 2NF₃

2P + 5Г₂ = 2РГ₅ (Г = F, CI, Br)

С + 2F₂ = CF₄

Si + 2Г₂ = Sir₄ (Г = F, CI, Br, I)

б) халькогениды:

2As + 3S = As₂S₃

2E + 5S = E₂S₅ (E = P, As)

E + 2S = ES₂ (E = C, Si)

в) нитриды:

3H₂ + N₂  2NH₃

6M + N₂ = 2M₃N (M = Li, Na, K)

3M + N₂ = M₃N₂ (M = Be, Mg, Ca)

2Al + N₂ = 2AlN

3Si + 2N₂ = Si₃N₄

г) карбиды:

2M + 2C = M₂C₂ (M = Li, Na)

2Be + С = Be₂C

M + 2C = MC₂ (M = Ca, Sr, Ba)

4Al + 3C = Al₄C₃

Si + С = SiC

д) силициды:

4Li + Si = Li₄Si

2M + Si = M₂Si (M = Mg, Ca)

е) гидриды:

2M + H₂ = 2MH (M = Li, Na, K)

M + H₂ = MH₂ (M = Mg, Ca)

ж) пероксиды, надпероксиды:

2Na + O₂ = Na₂O₂ (сгорание на воздухе)

M + O₂ = МО₂ (М = К, Rb, Cs; сгорание на воздухе)

Многие из этих веществ полностью реагируют с водой (чаще гидролизуются без изменения степеней окисления элементов, но гидриды выступают как восстановители, а надпероксиды вступают в реакции дисмутации):

РCl₅ + 4Н₂O = Н₃РO₄ + 5НCl

SiBr₄ + 2Н₂O = SiO₂? + 4НBr

P₂S₅ + 8Н₂O = 2Н₃РO₄ + 5H₂S?

SiS₂ + 2Н₂O = SiO₂? + 2H₂S

Mg₃N₂ + 8H₂O = 3Mg(OH)₂? + 2(NH₃ H₂O)

Na₃N + 4H₂O = 3NaOH + NH₃ H₂O

Be₂C + 4H₂O = 2Be(OH)₂? + CH₄?

MC₂ + 2H₂O = M(OH)₂ + C₂H₂? (M = Ca, Sr, Ba)

Al₄C₃ + 12H₂O = 4Al(OH)₃? + 3CH₄?

MH + H₂O = MOH + H₂? (M = Li, Na, K)

MgH₂ + 2H₂O = Mg(OH)₂? + H₂?

CaH₂ + 2H₂O = Ca(OH)₂ + H₂?

Na₂O₂ + 2H₂O = 2NaOH + H₂O₂

2MO₂ + 2H₂O = 2MOH + H₂O₂ + O₂? (M = K, Rb, Cs)

Другие вещества, наоборот, устойчивы по отношению к воде, среди них SF₆, NF₃, CF₄, CS₂, AlN, Si₃N₄, SiC, Li₄Si, Mg₂Si и Ca₂Si.

Примеры заданий частей А, В, С

1. Простые вещества – это

1) фуллерен

2) этилен

3) ацетон

4) озон

2. В формульных единицах продуктов реакций

Si + CF1₂ ->…, Si + O₂ ->…, Si + Mg ->…

общая сумма числа атомов всех элементов равна

1) 8

2) 9

3) 10

4) 11

3. В металлсодержащих продуктах реакций

Na + Н₂O ->…, Са + Н₂O ->…, Al + НCl (р-р) ->…

общая сумма числа атомов всех элементов равна

1) 6

2) 8

3) 10

4) 12

4. Оксид кальция может реагировать (по отдельности) со всеми веществами набора

1) СO₂, NaOH, NO

2) HBr, SO₃, NH₄Cl

3) BaO, SO₃, KMgCl₃

4) O₂, Al₂O₃, NH₃

5. Будет протекать реакция между оксидом серы (IV) и

1) SiO₂

2) КCl

3) LiOH

4) NaNO₃

6. Соль МAlO₂ образуется при сплавлении

1) Al и ZnO

2) Al₂O₃ и КОН

3) Al и Са(ОН)₂

4) Al₂O₃ и Fe₂O₃

7. В молекулярном уравнении реакции

ZnO + HNO₃ -> Zn(NO₃)₂ +…

сумма коэффициентов равна

1) 4

2) 5

3) 6

4) 7

8. Продукты реакции N₂O₅ + NaOH ->… – это

1) Na₂O, HNO₃

2) NaOH, NH₃

3) NaNO₃, H₂O

4) NaNO₂, N₂, H₂O

9. Набор оснований – это

1) NaOH, LiOH, ClOH

2) NaOH, Ba(OH)₂, Cu(OH)₂

3) Ca(OH)₂, KOH, BrOH

4) Mg(OH)₂, Be(OH)₂, NO(OH)

10. Гидроксид калия реагирует в растворе (по отдельности) с веществами набора

1) СО, CuSO₄

2) SO₂, Ag

3) Al, Ba(OH)₂

4) SO₃, FeCl₃

11–12. Остаток, отвечающий кислоте с названием

11. Серная

12. Азотная

имеет формулу

1) NO₂^-

2) SO₄^2-

3) NO₃^-

4) SO₃^2-

13. Из соляной и разбавленной серной кислот не выделяет газ только металл

1) ртуть

2) цинк

3) магний

4) хром

14. Амфотерный гидроксид – это

1) Ва(ОН)₂

2) CsOH

3) Ni(OH)₂

4) Cr(OH)₃

15-16. По заданным формулам гидроксидов

15. H₃PO₄, РЬ(ОН)₂

16. Cr(OH)₃, HNO₃

выводится формула средней соли

1) РЬ₃(РO₄)₂

2) РЬ₃РO₄

3) Cr₂NO₃

4) Cr(NO₃)₃

17. После пропускания избытка H₂S через раствор гидроксида бария в конечном растворе будет содержаться соль

1) Ba(HS)₂

2) (BaOH)₂S

3) BaS

4) BaSO₃

18. Возможно протекание реакций:

1) CaSO₃ + H₂SO₄ ->…

2) Ca(NO₃)₂ + HNO₃ ->…

3) NaHCOg + K₂SO₄ ->…

4) Al(HSO₄)₃ + NaOH ->…

19. В уравнении реакции (СаOН)₂СO₃(т) + Н₃РO₄ -> СаНРO₄? +…

сумма коэффициентов равна

1) 6

2) 5

3) 9

4) 8

20. Установите соответствие между формулой вещества и группой, к которой оно относится.

21. Установите соответствие между исходными веществами и продуктами реакций.

22. В схеме превращений

вещества А и Б указаны в наборе

1) NaNO₃, Н₂O

2) HNO3, КОН

3) N₂O, NaOH

4) HNO₃, Н₂O

23. Составьте уравнения возможных реакций по схеме

FeS -> H₂S + PbS -> PbSO₄ -> Pb(HSO₄)₂

24. Составьте уравнения четырех возможных реакций между веществами:

1) азотная кислота (конц.)

2) углерод (графит или кокс)

3) оксид кальция

4) оксид железа(II)

5. Металлы главных подгрупп I–III групп

5.1. Натрий

Натрий – элемент 3-го периода и IA-группы Периодической системы, порядковый номер 11. Электронная формула атома [₁₀Ne]3s¹, степени окисления +I и 0. Имеет малую электроотрицательность (0,93), проявляет только металлические (основные) свойства. Образует (как катион) многочисленные соли и бинарные соединения. Почти все соли натрия хорошо растворимы в воде.

В природе – пятый по химической распространенности элемент (второй среди металлов), встречается только в виде соединений. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Натрий, катион натрия и его соединения окрашивают пламя газовой горелки в ярко-желтый цвет (качественное обнаружение).

Натрий Na. Серебристо-белый металл, легкий, мягкий (режется ножом), низкоплавкий. Хранят натрий в керосине. С ртутью образует жидкий сплав — амальгаму (до 0,2 % Na).

Весьма реакционноспособный, во влажном воздухе натрий медленно покрывается гидроксидной пленкой и теряет блеск (тускнеет):

Натрий химически активен, сильный восстановитель. Воспламеняется на воздухе при умеренном нагревании (>250 °C), реагирует с неметаллами:

2Na + O₂ = Na₂O₂ 2Na + H₂ = 2NaH

2Na + Cl₂ = 2NaCl 2Na + S = Na₂S

6Na + N₂ = 2Na₃N 2Na + 2C = Na₂C₂

Очень бурно и с большим экзо-эффектом натрий реагирует с водой:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + Н₂? + 368 кДж

От теплоты реакции кусочки натрия расплавляются в шарики, которые начинают беспорядочно двигаться из-за выделения Н₂. Реакция сопровождается резкими щелчками вследствие взрывов гремучего газа (Н₂ + O₂). Раствор окрашивается фенолфталеином в малиновый цвет (щелочная среда).

В ряду напряжений натрий стоит значительно левее водорода, из разбавленных кислот HCl и H₂SO₄ вытесняет водород (за счет Н₂O и Н⁺).

Получение натрия в промышленности:

(см. также ниже получение NaOH).

Натрий применяется для получения Na₂O₂, NaOH, NaH, а также в органическом синтезе. Расплавленный натрий служит теплоносителем в ядерных реакторах, а газообразный – используется как наполнитель желтосветных ламп наружного освещения.

Оксид натрия Na₂O. Основный оксид. Белый, имеет ионное строение (Na⁺)₂O^2-. Термически устойчивый, при прокаливании медленно разлагается, плавится под избыточным давлением пара Na. Чувствителен к влаге и углекислому газу в воздухе. Энергично реагирует с водой (образуется сильнощелочной раствор), кислотами, кислотными и амфотерными оксидами, кислородом (под давлением). Применяется для синтеза солей натрия. Не образуется при сжигании натрия на воздухе.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: термическое разложение Na₂O₂ (см.), а также сплавление Na и NaOH, Na и Na₂O₂:

2Na + 2NaOH = 2Na_aO + H₂ (600 °C)

2Na + Na₂O₂ = 2Na_aO (130–200 °C)

Пероксид натрия Na₂O₂. Бинарное соединение. Белый, гигроскопичный. Имеет ионное строение (Na⁺)₂O₂^2-. При нагревании разлагается, плавится под избыточным давлением O₂. Поглощает углекислый газ из воздуха. Полностью разлагается водой, кислотами (выделение O₂ при кипячении — качественная реакция на пероксиды). Сильный окислитель, слабый восстановитель. Применяется для регенерации кислорода в изолирующих дыхательных приборах (реакция с СO₂), как компонент отбеливателей ткани и бумаги. Уравнения важнейших реакций:

2Na₂O₂ = 2Na₂O + O₂ (400–675 °C, вакуум)

Na₂O₂ + 2Н₂O = Н₂O₂ + 2NaOH (на холоду)

2Na₂O₂ + 2Н₂O = O₂? + 4NaOH (кипячение)

Na₂O₂ + 2НCl (разб.) = 2NaCl + Н₂O₂ (на холоду)

2Na₂O₂ + 4НCl (разб.) = 4НCl + 2Н₂O + O₂? (кипячение)

2Na₂O₂ + 2CO₂ = Na₂CO₃ + O₂

Na₂O₂ + CO = Na₂CO₃

Na₂O₂ + 4H⁺ + 2I^- = I₂? + 2H₂O + 2Na⁺

5Na₂O₂ + 16H⁺ + 2MnO₄^- = 5O₂? + 2Mn²⁺ + 8H₂O + 10Na⁺

3Na₂O₂ + 2[Cr(OH)₆]^3- = 2CrO₂^4- + 8OH^- + 2H₂O + 6Na⁺ (80 °C)

Получение: сжигание Na на воздухе.

Гидроксид натрия NaOH. Основный гидроксид, щелочь, техническое название едкий натр. Белые кристаллы с ионным строением (Na⁺)(OH^-). Расплывается на воздухе, поглощая влагу и углекислый газ (образуется NaHCO₃). Плавится и кипит без разложения. Вызывает тяжелые ожоги кожи и глаз.

Хорошо растворим в воде (с экзо-эффектом, +56 кДж). Реагирует с кислотными оксидами, нейтрализует кислоты, вызывает кислотную функцию у амфотерных оксидов и гидроксидов:

NaOH (разб.) + H₃PO₄ (конц.) = NaH₂PO₄ + H₂O

2NaOH (разб.) + H₃PO₄ (разб.) = Na₂HPO₄ + 2H₂O

3NaOH (конц.) + H₃PO₄ (разб.) = Na₃PO₄ + 3H₂O

2NaOH_(T) + M₂O₃ = 2NaMO₂ + H₂O (1000 °C, M = Al, Cr)

2NaOH (конц.) + 3H₂O + AI₂O₃ = 2Na[Al(OH)₄] (кипячение)

2NaOH_(T) + M(OH)₂ = Na₂MO₂ + 2H₂O (500 °C, M = Be, Zn)

2NaOH (конц.) + Zn(OH)₂ = Na₂[Zn(OH)₄]

Осаждает нерастворимые гидроксиды:

2NaOH + MCl₂ = 2NaCl + M(OH)₂? (M = Mg, Cu)

Подвергает дисмутации галогены и серу:

2NaOH (конц., хол.) + Е₂ = NaE + NaEO + H₂O (Е = Cl, Br)

6NaOH (разб., гор.) + 3S = 2Na₂S + Na₂SO₃ + 3H₂O

Подвергается электролизу в расплаве:

Раствор NaOH разъедает стекло (образуется NaSiO₃), корродирует поверхность алюминия (образуются Na[Al(OH)₄] и Н₂).

Получение NaOH в промышленности:

а) электролиз раствора NaCl на инертном катоде:

б) электролиз раствора NaCl на ртутном катоде (амальгамный способ):

(освобождающуюся ртуть возвращают в электролизер).

Едкий натр – важнейшее сырье химической промышленности. Используется для получения солей натрия, целлюлозы, мыла, красителей и искусственного волокна; как осушитель газов; реагент в извлечении из вторичного сырья и очистке олова и цинка; при переработке руд алюминия (бокситов).

5.2. Калий

Калий – элемент 4-го периода и IA-группы Периодической системы, порядковый номер 19. Электронная формула атома [₁₈Ar]4s¹, степени окисления +I и 0. Имеет малую электроотрицательность (0,91), проявляет металлические (основные) свойства. Образует (как катион) многочисленные соли и бинарные соединения. Почти все соли калия хорошо растворимы в воде.

В природе – девятый по химической распространенности элемент (шестой среди металлов), находится только в виде соединений. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Недостаток калия в почве восполняется внесением калийных удобрений – хлорида КCl, сульфата K₂SO₄ и золы растений.

Калий, катион калия и его соединения окрашивают пламя газовой горелки в фиолетовый цвет (качественное обнаружение).

Калий К. Серебристо-белый металл, легкий, очень мягкий, низкоплавкий. Хранят калий под слоем керосина. С ртутью образует жидкий сплав – амальгаму.

По химическим свойствам похож на натрий, но еще более реакционноспособный. Во влажном воздухе тускнеет, покрываясь гидроксидной пленкой.

Калий проявляет сильные восстановительные свойства. Активно сгорает на воздухе до КO₂, реагирует с водородом (продукт KH), хлором (КCl), серой (K₂S).

Энергично и с высоким экзо-эффектом калий разлагает воду:

2К + 2H₂O = 2KOH + Н₂? + 392 кДж,

выделяющийся водород тут же воспламеняется.

В ряду напряжений калий стоит значительно левее водорода, из разбавленных кислот HCl и H₂SO₄ вытесняет водород (за счет Н₂O и Н⁺), при этом серная кислота частично восстанавливается до SO₂.

Получение калия в промышленности одинаково с получением натрия.

Применяется калий для синтеза его соединений (КO₂, KH, соли), в виде расплава (в смеси с Na) – как теплоноситель в ядерных реакторах.

Гидроксид калия КОН. Основный гидроксид, щёлочь, техническое название едкое кали. Белый, имеет ионное строение К⁺ОН^-. Плавится и кипит без разложения. Расплывается на воздухе, поглощает углекислый газ (образуется КНСO₃). Вызывает тяжелые ожоги кожи и глаз.

Хорошо растворим в воде (с высоким экзо-эффектом), создает в растворе сильнощелочную среду. Нейтрализуется кислотами, реагирует с кислотными оксидами, амфотерными гидроксидами и оксидами. Концентрированный раствор разъедает стекло (образуется K₂SiO₃).

Важнейшие реакции и методы получения КОН в промышленности аналогичны свойствам и получению NaOH.

Применяется КОН в производстве мыла, как адсорбент газов, дегидратирующий агент, осадитель нерастворимых гидроксидов металлов.

5.3. Кальций

Кальций – элемент 4-го периода и IIA-группы Периодической системы, порядковый номер 2O. Электронная формула атома [₁₈Ar]4s², степени окисления +II и 0. Относится к щелочноземельным металлам.

Имеет низкую электроотрицательность (1,04), проявляет металлические (основные) свойства. Образует (как катион) многочисленные соли и бинарные соединения. Многие соли кальция малорастворимы в воде.

В природе – шестой по химической распространенности элемент (третий среди металлов), находится в связанном виде. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Недостаток кальция в почве восполняется внесением известковых удобрений (СаСO₃, СаО, цианамид кальция CaCN₂ и др.).

Кальций, катион кальция и его соединения окрашивают пламя газовой горелки в темно-оранжевый цвет (качественное обнаружение).

Кальций Са. Серебристо-белый металл, мягкий, пластичный. Во влажном воздухе тускнеет и покрывается пленкой из СаО и Са(ОН)₂.

Весьма реакционноспособный; воспламеняется при нагревании на воздухе, реагирует с водородом, хлором, серой и графитом:

Восстанавливает другие металлы из их оксидов (промышленно важный метод — кальцийтержия):

ЗСа + Cr₂O₃ = ЗСаО + 2Cr (700–800 °C)

5Са + V₂O₅ = 5СаО + 2V (950 °C)

Энергично реагирует с водой (с высоким экзо-эффектом):

Са + 2Н₂O = Са(ОН)₂ + Н₂? + 413 кДж

В ряду напряжений стоит значительно левее водорода, из разбавленных кислот НCl и H₂SO₄ вытесняет водород (за счет Н₂O и Н⁺):

Ca + 2H+ = Са²⁺ + Н₂?

Получение кальция в промышленности:

Кальций применяется для удаления примесей неметаллов из металлических сплавов, как компонент легких и антифрикционных сплавов, для выделения редких металлов из их оксидов.

Оксид кальция СаО. Основный оксид. Техническое название негашёная известь. Белый, весьма гигроскопичный. Имеет ионное строение Са²⁺O^2-. Тугоплавкий, термически устойчивый, летучий при прокаливании. Поглощает влагу и углекислый газ из воздуха. Энергично реагирует с водой (с высоким экзо-эффектом), образует сильно щелочной раствор (возможен осадок гидроксида), процесс называется гашение извести. Реагирует с кислотами, оксидами металлов и неметаллов. Применяется для синтеза других соединений кальция, в производстве Са(ОН)₂, СаС₂ и минеральных удобрений, как флюс в металлургии, катализатор в органическом синтезе, компонент вяжущих материалов в строительстве.

Уравнения важнейших реакций:

Получение СаО в промышленности – обжиг известняка (900—1200 °C):

СаСO₃ = СаО + СO₂

Гидроксид кальция Са(ОН)₂. Основный гидроксид. Техническое название гашёная известь. Белый, гигроскопичный. Имеет ионное строение Са²⁺(ОН^-)₂. Разлагается при умеренном нагревании. Поглощает влагу и углекислый газ из воздуха. Малорастворим в холодной воде (образуется щелочной раствор), еще меньше – в кипящей воде. Прозрачный раствор (известковая вода) быстро мутнеет из-за выпадения осадка гидроксида (суспензию называют известковое молоко). Качественная реакция на ион Са²⁺ – пропускание углекислого газа через известковую воду с появлением осадка СаСO₃ и переходом его в раствор. Реагирует с кислотами и кислотными оксидами, вступает в реакции ионного обмена.

Применяется в производстве стекла, белильной извести, известковых минеральных удобрений, для каустификации соды и умягчения пресной воды, а также для приготовления известковых строительных растворов – тестообразных смесей (песок + гашёная известь + вода), служащих связующим материалом для каменной и кирпичной кладки, отделки (оштукатуривания) стен и других строительных целей. Отвердевание («схватывание») таких растворов обусловлено поглощением углекислого газа из воздуха.

Уравнения важнейших реакций:

Получение Са(ОН)₂ в промышленности – гашение извести СаО (см. выше).

5.4. Жёсткость воды

Природная вода, проходя через известковые горные породы и почвы, обогащается солями кальция и магния (а также железа) и становится жёсткой. В жесткой воде при стирке белья увеличивается расход мыла, а ткань, впитывая соли, становится желтой и быстро ветшает. Накипь – нерастворимые соединения кальция и магния и оксид железами), осаждающиеся на внутренних стенках посуды, паровых котлов и трубопроводов. В жесткой воде дольше варятся овощи, крупы и мясо. Различают временную и постоянную жесткость воды.

Временная жесткость вызвана присутствием в воде гидрокарбонатов М(НСO₃)₂ (М = Са, Mg) и Fe(HCO₃)₂. Если количественно определяют содержание ионов HCO₃^-, говорят о карбонатной жесткости, если содержание ионов Са²⁺, Mg²⁺ и Fe²⁺ – о кальциевой, магниевой или железной жесткости. Временная жесткость тем выше, чем больше содержание этих ионов в воде. Жесткость воды назвали временной потому, что она устраняется простым кипячением:

Са(НСO₃)₂ = СаСO₃? + Н₂O + СO₂?

Mg(HCO₃)₂ = Mg(OH)₂? + 2СO₂?

4Fe(HCO₃)₂ + O₂ = 2Fe₂O₃? + 8CO₂? + 4H₂O

Постоянная жесткость обусловлена другими солями кальция и магния (сульфаты, хлориды, нитраты, дигидро-ортофосфаты и др.). Такая жесткость не устраняется кипячением воды. Поэтому для удаления из жесткой воды большей части всех солей ее умягчают, используя химические реактивы и специальные (ионообменные) способы. Умягченная вода пригодна для питья и приготовления пищи.

Умягчение воды достигается, если ее обработать различными осадителями – гашеной известью, содой и ортофосфатом натрия:

 устранение временной жесткости:

Са(НСO₃)₂ + Са(ОН)₂ = 2СаСO₃? + 2Н₂O

Mg(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ = CaMg(CO₃)₂? + 2Н₂O

4Fe(HCO₃)₂ + 8Са(ОН)₂ + O₂ = 4FeO(OH)? + 8СаСO₃? + 10Н₂O

 устранение постоянной жесткости:

Ca(NO₃)₂ + Na₂CO₃ = СаСO₃? + 2NaNO₃

2MgSO₄ + Н₂O = Na₂CO₃ = Mg₂CO₃(OH)₂? + СO₂? + 2Na₂SO₄

3FeCl₂ + 2Na₃PO₄ = Fe₃(PO₄)₂? + 6NaCl

В химической лаборатории и в промышленности используется полностью обессоленная вода (для питья она непригодна). Для получения обессоленной воды природную воду подвергают перегонке (дистилляции). Такая дистиллированная вода является мягкой, подобно дождевой воде.

5.5. Алюминий

Алюминий – элемент 3-го периода и IIIA-группы Периодической системы, порядковый номер 13. Электронная формула атома [₁₀Ne]3s²3p¹, степени окисления + III и 0.

По электроотрицательности (1,47) одинаков с бериллием, проявляет амфотерные (кислотные и основные) свойства. В соединениях может находиться в составе катионов и анионов.

В природе – четвертый по химической распространенности элемент (первый среди металлов), находится в химически связанном состоянии.

Алюминий Al. Серебристо-белый, блестящий, легкий и пластичный металл. На воздухе покрывается матовой защитной пленкой Al₂O₃, весьма устойчивой и защищающей металл от коррозии; пассивируется в воде и концентрированной HNO₃ (образование той же оксидной пленки).

Реакционноспособный, сгорает на воздухе, при комнатной температуре реагирует с галогенами Cl₂, Br₂ и I₂, при нагревании – с фтором, серой:

4Al(порошок) + 3O₂(воздух) = 2Al₂O₃ (700 °C)

2Al(порошок) + ЗЕ₂ = 2AlЕ₃ (25 °C, Е = CI, Br)

2Al(порошок) + 3I₂ = 2AlI₃ (25 °C, кат. – капля Н₂O)

2Al + 3F₂ = 2AlF₃ (600 °C)

2Al + 3S = Al₂S₃ (150–200 °C)

Алюминий восстанавливает другие металлы из их оксидов (промышленно важный метод — алюминотермия):

Амальгамированный алюминий, т. е. очищенный от оксидной пленки, энергично и с большим экзо-эффектом реагирует с водой:

2Al + 6Н₂O = 2Al(ОН)₃? + ЗН₂? + 836 кДж

Алюминий – сильный (типичный) восстановитель, в ряду напряжений стоит значительно левее водорода; вытесняет водород из разбавленных кислот НCl и H₂SO₄:

2Al + 6Н+ = 2Al³⁺ + ЗН₂?

и, проявляя амфотерность, из концентрированного раствора щелочей (окислитель – вода):

2Al + 2NaOH + 6Н₂O = 2Na[Al(OH)₄] + ЗН₂? (80 °C)

Реагирует со щелочами в расплаве (также демонстрируя амфотерные свойства):

2Al + 6NaOH_(T) = 2NaAlO₂ + ЗН₂ + 2Na₂O (450 °C)

Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой:

Al + 4НNO₃(разб.) = Al(NO₃)₃ + NO? + 2Н₂O

и восстанавливает N^v до N^-III в реакциях с очень разбавленной азотной кислотой и ее солями:

8Al + З0НNO₃(оч. разб.) = 8Al(NO₃)₃ + 3NH₄NO₃ + 9Н₂O

8Al + 18Н₂O + 5КОН + 3KNO₃ = 8К[Al(ОН)₄] + 3NH₃? (кипячение)

(движущей силой этих реакций служит промежуточное выделение атомарного водорода Н⁰, а во второй реакции – также и образование устойчивого гидроксокомплекса [Al(OH),]^-).

Получение алюминия в промышленности – электролиз Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃[AlF₆] при 950 °C:

Применяется как реагент в алюминотермии для получения редких металлов и термитной сварке стальных конструкций. Алюминий – важнейший конструкционный материал, основа легких коррозионно-стойких сплавов (с магнием — дуралюмин, или дюраль, с медью — желтая алюминиевая бронза, из которой чеканят мелкую разменную монету). Чистый алюминий в больших количествах идет на изготовление посуды и электрических проводов.

Оксид алюминия Al₂O₃. Амфотерный оксид, кислотные и основные свойства равно выражены. Белый, имеет ионное строение (Al³⁺)₂(O^2-)₃. Тугоплавкий, термически устойчивый. Аморфный порошок гигроскопичен и химически активен, кристаллический – очень тверд и химически пассивен. Не реагирует с водой, разбавленными кислотами и щелочами. Переводится в раствор концентрированными кислотами и щелочами, реагирует со щелочами и карбонатом натрия при сплавлении. Применяется как сырье в производстве алюминия, для изготовления огнеупорных, химически стойких и абразивных материалов, особо чистый Al₂O₃ – для изготовления рубиновых лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов – Cr₂O₃ (красный цвет), Ti₂O₃ и Fe₂O₃ (голубой цвет).

Уравнения важнейших реакций:

(эта реакция используется для «вскрытия» бокситов)

В природе входит в состав глины и бокситов, образует минерал корунд.

Гидроксид алюминия Al(ОН)₃. Амфотерный гидроксид, кислотные и основные свойства равно выражены. Белый, аморфный (гелеобразный) или кристаллический. Связи Al – ОН преимущественно ковалентные. Разлагается при нагревании без плавления. Практически не растворяется в воде. Реагирует с кислотами, щелочами в растворе и при сплавлении. Не реагирует с NH₃ Н₂O, NH₄Cl, СO₂, SO₂ и H₂S. Метагидроксид АlO(ОН) химически менее активен, чем Al(ОН)₃. Промежуточный продукт в производстве алюминия. Применяется для синтеза других соединений алюминия (в том числе криолита), органических красителей, как лекарственный препарат при повышенной кислотности желудочного сока.

Уравнения важнейших реакций:

• термическое разложение

• основная и кислотная диссоциация в растворе

(реакции характеризуют очень малую растворимость в воде и амфотерность гидроксида, поставляющего в раствор одновременно ионы ОН и Н⁺ примерно в равной концентрации; гидроксид диссоциирует слабее, чем сама вода)

• амфотерные свойства

Al(ОН)₃ + ЗНСlразб.) = AlCl₃ + ЗН₂O

Al(ОН)₃ + NaOH_(т) = NaAlO₂ + 2Н₂O (1000 °C)

Al(ОН)₃ + NaOH(конц.) = Na[Al(OH)₄]_(p)

Для получения осадка Al(ОН)₃ щелочь обычно не используют из-за легкости перехода осадка в раствор (см. выше), а действуют на соли алюминия гидратом аммиака. При комнатной температуре образуется Al(ОН)₃, а при кипячении – менее активный АlO(ОН):

Удобный способ получения Al(ОН)₃ – пропускание СO₂ через раствор гидроксокомплекса:

[Al(ОН)₄]^- + СO₂ = Al(ОН)₃? + HCO₃^-

Тетрагидроксоалюминат(III) натрия Na[Al(OH)₄]. Комплексная соль. С таким составом существует при комнатной температуре в концентрированном растворе NaOH. Для твердого состояния состав условный, так как при кристаллизации из раствора он усложняется (выделены Na₄[Al(OH)₇], Na₄[Al₄O₃(OH)₁₀] и др.). При прокаливании твердые соли разлагаются до диоксоалюмината(III) натрия NaAlO₂, при разбавлении их растворов – до Al(ОН)₃. По-разному реагируют с сильными и слабыми кислотами, с хлоридом алюминия и карбонатом аммония.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: взаимодействие Al(ОН)₃ и солей алюминия с NaOH в концентрированном растворе:

Al(OH)₃ + NaOH(конц.) = Na[Al(OH)₄]

AlCl₃ + 4NaOH(конц.) = Na[Al(OH)₄] + 3NaCl

Образуется из оксида алюминия (см.) как промежуточный продукт при промышленном «вскрытии» бокситов.

Примеры заданий части А

1. Среди металлов главной подгруппы II группы наиболее сильным восстановителем является

1) барий

2) кальций

3) стронций

4) магний

2. При сжигании магния на воздухе образуются

1) Mg(OH)₂

2) MgO

3) Mg(NO₃)₂

4) Mg₃N₂

3. Алюминий будет выделять водород из реактива

1) HNO₃ (разб.)

2) NaHSO₄ (разб.)

3) H₂SO₄ (конц.)

4) NaOH (конц.)

4. Реакция замещения протекает в растворе между алюминием и

1) Na₂SO₄

2) BeSO₄

3) NiSO₄

4) MgSO₄

5. Из раствора гидрокарбоната бария выпадает осадок при добавлении реактивов

1) ВаО

2) СO₂

3) Ва(ОН)₂

4) H₂SO₄

6. Калий можно получить электролизом на угольных электродах из

1) раствора КCl

2) раствора KNO₃

3) расплава КCl

4) расплава смеси КCl и MgCl₂

7—8. Если внести каплю раствора

7. поваренной соли

8. хлорида калия

в бесцветное пламя газовой горелки, оно станет

1) красным

2) желтым

3) зеленым

4) фиолетовым

9. Устранение временной жёсткости воды проводится по реакции

1) Са(НСO₃)₂ + Na₃PO₄ ->…

2) Са(НСO₃)₂ + Са(ОН)₂ ->…

3) CaSO₄ + Na₂CO₃ ->…

4) СаCl₂ + NaHCO₃ ->…

6. Переходные металлы 4-го периода. Свойства, способы получения. Общие свойства металлов

6.1. Хром

Хром – элемент 4-го периода и VIБ-группы Периодической системы, порядковый номер 24. Электронная формула атома [₁₈Ar]3d⁵4s¹, характерные степени окисления +VI, + III и 0.

Шкала степеней окисления хрома:

По электроотрицательности (1,56) хром занимает промежуточное положение между типичными металлами (Na, К, Са) и типичными неметаллами (F, О, N. CI, S). Соединения Cr^III проявляют амфотерные свойства, металлические (основные) свойства преобладают у Cr^II, неметаллические (кислотные) – у Cr^VI; в соединениях хром чаще находится в составе катионов и реже – в составе анионов. Хром образует многочисленные соли и бинарные соединения.

В природе – девятнадцатый по химической распространенности элемент (десятый среди металлов), находится только в виде соединений (минералы, полиметаллические руды). Растворимые соли хрома ядовиты.

Хром Cr. Серый (с голубоватым оттенком) металл, очень твердый, ковкий (технический продукт – хрупкий). Блестящий, хотя покрыт очень тонкой оксидной пленкой, сохраняет блеск даже во влажном воздухе. Не реагирует с водой, щелочами и гидратом аммиака, пассивируется в концентрированной и разбавленной азотной кислоте и в «царской водке».

В ряду напряжений стоит левее водорода, из разбавленных кислот HCl и H₂SO₄ вытесняет водород:

Cr + 2H⁺ = Cr²⁺ + Н₂?

Далее катион Cr²⁺ можно перевести кислотами-окислителями в катион Cr³⁺:

Хром реагирует в расплаве с сильными окислителями:

2Cr + КClO₃ = Cr₂O₃ + КCl (500–700 °C)

2Cr + 3KNO₃ = Cr₂O₃ + 3KNO₂ (400–550 °C)

Получение хрома в промышленности – алюминотермия:

Cr₂O₃ + 2Al = 2Cr + Al₂O₃ (800 °C)

и электролиз раствора:

Промышленно важен сплав хрома с железом — феррохром (6O—85 % хрома), его производят восстановлением оксидов, например минерала хромит:

Применяется хром для создания защитных покрытий на других металлах (хромирование), как компонент механически прочных и коррозионно-стойких сталей.

Гидроксид хрома (III) Cr(ОН)₃. Амфотерный гидроксид. Серо-зеленый, разлагается при нагревании, теряя воду и образуя зеленый метагидроксид CrО(ОН). Не растворяется в воде. Из раствора осаждается в виде серо-голубого и голубовато-зеленого гидрата. Реагирует с кислотами и щелочами, не взаимодействует с гидратом аммиака. Применяется для синтеза соединений хрома (III).

Уравнения важнейших реакций:

Получение: осаждение гидратом аммиака из растора солей хрома(III):

Cr³⁺ + 3(NH₃ Н₂O) = Cr(OH)₃? + 3NH₄⁺

Хромат калия К₂CrO₄. Оксосоль. Желтый, негигроскопичный. Плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде (желтая окраска раствора отвечает иону CrO₄^2-), незначительно гидролизуется по аниону. В кислотной среде переходит в К₂Cr₂O₇. Окислитель (более слабый, чем К₂Cr₂O₇). Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион CrO₄^2- – выпадение желтого осадка хромата бария, разлагающегося в сильнокислотной среде. Применяется как протрава при крашении тканей, дубитель кож, селективный окислитель, реактив в аналитической химии.

Уравнения важнейших реакций:

2К₂CrO₄ + H₂SO₄ (30 %) = К₂Cr₂O₇ + K₂SO₄ + Н₂O

2К₂CrO_4(т) + 16HCl (конц., гор.) = 2CrCl₃ + ЗCl₃? + 8H₂O + 4КCl

2К₂CrO₄ + 2H₂O + 3H₂S = 2Cr(OH)₃? + 3S? + 4KOH

2К₂CrO₄ + 8H₂O + 3K₂S = 2K₃[Cr(OH)₆] + 3S? + 4KOH

2К₂CrO₄ + 2AgNO₃ = 2KNO₃ + Ag₂CrO₄ (красн.)?

Качественная реакция:

К₂CrO₄ + ВаCl₂ = 2КCl + ВаCrO₄?

2BaCrO_4(т) + 2HCl (разб.) = ВаCr₂O_7(р) + ВаCl₂ + Н₂O

Получение: спекание хромита с поташом на воздухе:

4(Cr₂Fe^II)O₄ + 8К₂СO₃ + 7O₂ = 8К₂CrO₄ + 2Fe₂O₃ + 8СO₂ (1000 °C)

Дихромат калия К₂Cr₂O₇. Оксосоль. Техническое название хромпик. Оранжево-красный, негигроскопичный. Плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворим в воде (оранжевая окраска раствора отвечает иону Cr₂O₇^2-). В щелочной среде образует К₂CrO₄. Типичный окислитель в растворе и при сплавлении. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественные реакции – синее окрашивание эфирного раствора в присутствии Н₂O₂, синее окрашивание водного раствора при действии атомарного водорода.

Применяется как дубитель кож, протрава при крашении тканей, компонент пиротехнических составов, реагент в аналитической химии, ингибитор коррозии металлов, в смеси с H₂SO₄ (конц.) – для мытья химической посуды.

Уравнения важнейших реакций:

6.2. Марганец

Марганец – элемент 4-го периода и VIIB-группы Периодической системы, порядковый номер 25. Электронная формула атома [₁₈Ar]3d⁵4s²; характерные степени окисления +VII, +VI, +IV, +II и 0.

Шкала степеней окисления марганца:

По электроотрицательности (1,60) марганец занимает промежуточное положение между типичными металлами (Na, К, Са, Mg) и неметаллами (F, О, N, Cl). Соединения Mn^II – оксид и гидроксид – проявляют основные свойства, соединения Mn^III и Mn^IV – амфотерные свойства, для соединений Mn^VI и Mn^VII характерно почти полное преобладание кислотных свойств. Марганец образует многочисленные соли и бинарные соединения.

В природе – четырнадцатый по химической распространенности элемент (восьмой среди металлов; второй, после железа, тяжелый металл).

Марганец Mn. Серебристо-белый (с серым оттенком) металл, более твердый и хрупкий по сравнению с железом. В виде мелкого порошка пирофорен. На воздухе покрывается оксидной пленкой. Пассивируется в воде, поглощает водород, но не реагирует с ним.

При нагревании сгорает в кислороде воздуха, реагирует с хлором и серой:

В ряду напряжений марганец стоит левее водорода, из разбавленных кислот HCl и H₂SO₄ вытесняет водород:

Mn (порошок) + 2H⁺ = Mn²⁺ + Н₂?

Взаимодействует с кислотами-окислителями при нагревании, также образуя соли марганца (II):

Mn + 2H₂SO₄ (конц.) = MnSO₄ + SO₂? + 2Н₂O

ЗMn + 8HNO₃ (разб.) = 3Mn(NO₃)₂ + 2NO? + 4Н₂O

Получение марганца в промышленности – восстановление пиролюзита MnO₂ или гаусманита (Mn^IIMn₂^III)O₄ коксом или алюминием:

MnO₂ + С (кокс) = Mn + СO₂ (600 °C)

3(Mn^IIMn₂^III)O₄ + 8Al = 9Mn + 4Al₂O₃ (700–900 °C)

Наиболее чистый марганец выделяют электролизом раствора из солей марганца(II), например:

Промышленно важен сплав с железом — ферромарганец (> 70 % Mn), его получают восстановлением оксидных руд марганца и железа.

Применяется марганец для изготовления специальных и тугоплавких сплавов, зеркального чугуна и марганцевых твердых сталей, в качестве катализатора в органическом синтезе.

Оксид марганца (IV) MnO₂. Черный, с коричневым оттенком, при нагревании разлагается. Из раствора осаждается в виде черного гидрата MnO₂ nН₂O. Не проявляет амфотерных свойств в силу малой реакционной способности по отношению к воде, разбавленным кислотам НCl и H₂SO₄, азотной кислоте и щелочам в растворе. Типичный окислитель в растворе и расплаве, менее характерны свойства восстановителя.

Применяется для промышленного производства марганца, как деполяризатор в «батарейках» (сухих гальванических элементах), компонент минеральных пигментов, осветлитель стекла.

Уравнения важнейших реакций:

4MnO₂ = 2Mn₂O₃ + O₂ (530–585 °C)

2MnO₂ + 2H₂SO₄ (конц.) = MnSO₄ + O₂? + 2Н₂O (кипячение)

MnO₂ + 4HCl (конц.) = MnCl₂ + Cl₂? + 2H₂O

MnO₂ + H₂SO₄ (гор.) + KNO₂ = MnSO₄ + KNO₃ + H₂O

MnO₂ + 2H₂SO₄ + 2FeSO₄ = MnSO₄ + Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O

MnO₂ + 2KOH + KNO₃ = K₂MnO₄ + KNO₂ + H₂O (350–450 °C)

3MnO₂ + 3K₂CO₃ + KClO₃ = 3K₂MnO₄ + KCl + 3CO₂ (400 °C)

В природе самое распространенное соединение марганца – минерал пиролюзит.

Манганат калия К₂MnO₄. Оксосоль. Темно-зеленый, плавится под избыточным давлением O₂. В растворе устойчив только в сильнощелочной среде. Зеленая окраска раствора отвечает иону MnO₄^2-. Медленно разлагается при разбавлении раствора водой, быстро – при подкислении. Проявляет окислительно-восстановительные свойства.

Качественная реакция – появление фиолетовой окраски при подкислении раствора. Промежуточный продукт при синтезе КMnO₄.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: сплавление MnO₂ с сильными окислителями (KNO₃, КСlO₃).

Пермапгапат калия КMnO₄. Оксосоль. Красно-фиолетовый (почти черный). При нагревании разлагается без плавления. Умеренно растворим в воде (интенсивно-фиолетовая окраска раствора отвечает иону MnO₄^-), гидролиза нет. Медленно разлагается в воде, серной кислоте, щелочах. Сильный окислитель в растворе и при сплавлении; в сильнокислотной среде восстанавливается до Mn^II, в нейтральной среде – до Mn^IV, в сильнощелочной среде – до Mn^VI.

Качественная реакция на ион MnO₄^- – исчезновение фиолетовой окраски раствора при восстановлении в кислотной среде.

Применяется как окислитель углеводородов до карбоновых кислот, реактив в фотографии, антисептик в медицине, средство для очистки газов и отбеливания тканей, твердый источник кислорода. Распространенный окислитель в лабораторной практике.

Уравнения важнейших реакций:

Получение – электролиз раствора K₂MnO₄ (см.).

6.3. Железо

Железо – элемент 4-го периода и VIIIБ-группы Периодической системы, порядковый номер 26. Вместе с кобальтом Со и никелем Ni образует семейство (триаду) железа. Электронная формула атома [₁₈Ar]3d⁶4s², характерные степени окисления 0, +II и +III (последняя наиболее устойчива).

Шкала степеней окисления железа:

По электроотрицательности (1,64) железо занимает промежуточное положение между типичными металлами (Na, Са) и типичными неметаллами (F, О, N). Проявляет амфотерные свойства, металлические (основные) свойства преобладают над неметаллическими (кислотными), в соединениях находится в составе катионов (чаще) и анионов (реже). Образует многочисленные соли и бинарные соединения.

В природе – седьмой по химической распространенности элемент (четвертый среди металлов, первый тяжелый металл); находится в химически связанном виде. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Железо Fe. Простое вещество. Серый мягкий, ковкий, тугоплавкий металл. Обычное железо медленно окисляется во влажном воздухе (ржавеет), чистое железо коррозии не подвергается. Не реагирует с водой, пассивируется в концентрированных серной и азотной кислотах.

Компактный металл покрывается при нагревании на воздухе оксидной пленкой (окалиной), а порошок сгорает; реагирует с хлором и серой:

Восстанавливает водяной пар (старый способ получения водорода в промышленности):

3Fe + 4Н₂O (пар) = (Fe^IIFe₂^III)O₄+ 4Н₂ (800 °C)

В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НCl и H₂SO₄, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:

Fe + 2Н⁺ = Fe²⁺ + Н₂?

(реакции проводятся без доступа воздуха, иначе Fe^II постепенно переводится кислородом в Fe^III).

При действии на железо более сильного окислителя (здесь – азотная кислота) оно сразу переходит в катион Fe³⁺:

Fe + 4HNO₃ (разб.) = Fe(NO₃)₃ + NO? + 2H₂O

Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:

Fe + 2NaOH (50 %) + 2Н₂O = Na₂[Fe(OH)₄]? + Н₂?

и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.

Железо вытесняет (по ряду напряжений) менее активные металлы из растворов их солей:

Fe + CuSO₄ = FeSO₄ + Cu?

Железо медленно окисляется во влажном воздухе (ржавеет), из-за рыхлости коричневой ржавчины (Fe^IIFe₂^III)O₄ защитный слой не создается. Процесс ржавления:

Техническое железо – сплавы железа с углеродом: чугун содержит 2,06—6,67 % С, сталь 0,02—2,06 % С, часто присутствуют другие естественные примеси (S, Р, Si) и вводимые искусственно специальные добавки (Mn, Ni, Cr), что придает сплавам железа технически полезные свойства – твердость, термическую и коррозионную стойкость, ковкость и др.

Доменный процесс производства чугуна

Доменный процесс производства чугуна составляют следующие стадии:

а) подготовка (обжиг) сульфидных и карбонатных руд – перевод в оксидную руду:

б) сжигание кокса при горячем дутье:

в) восстановление оксидной руды угарным газом СО последовательно (см. рубрики соответствующих оксидов):

г) науглероживание железа (до 6,67 % С) и расплавление чугуна:

В чугуне всегда в виде зерен присутствуют цементит Fe₂C и графит.

Производство стали

Передел чугуна в сталь проводится в специальных печах (конвертерных, мартеновских, электрических), отличающихся способом обогрева; температура процесса 1700–2000 °C. Продувание воздуха, обогащенного кислородом, приводит к выгоранию из чугуна избыточного углерода, а также серы, фосфора и кремния в виде оксидов. При этом оксиды либо улавливаются в виде отходящих газов (СO₂, SO₂), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Са₃(РO₄)₂ и CaSiO₃. Для получения специальных сталей в печь вводят легирующие добавки других металлов.

Получение чистого железа в промышленности – электролиз раствора солей железа, например:

(существуют и другие специальные методы, в том числе восстановление оксидов железа водородом).

Чистое железо применяется в производстве специальных сплавов, при изготовлении сердечников электромагнитов и трансформаторов, чугун – в производстве литья и стали, сталь – как конструкционный и инструментальный материалы, в том числе износо-, жаро– и коррозионно-стойкие.

Оксид железа(II) FeO. Амфотерный оксид с большим преобладанием основных свойств. Черный, имеет ионное строение Fe²⁺O^2-. При нагревании вначале разлагается, затем образуется вновь. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами, сплавляется со щелочами. Медленно окисляется во влажном воздухе. Восстанавливается водородом, коксом. Участвует в доменном процессе выплавки чугуна. Применяется как компонент керамики и минеральных красок. Уравнения важнейших реакций:

Получение в лаборатории: термическое разложение соединений железа (II) без доступа воздуха:

Fe(OH)₂ = FeO + H₂O (150–200 °C)

FeCO₃ = FeO + СO₂ (490–550 °C)

Оксид дижелеза (III) – железа(II) (Fe^IIFe₂^III)O₄. Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe²⁺(Fe³⁺)₂(O^2-)₄. Термически устойчив до высоких температур. Не реагирует с водой. Разлагается кислотами. Восстанавливается водородом, раскаленным железом. Участвует в доменном процессе производства чугуна. Применяется как компонент минеральных красок (железный сурик), керамики, цветного цемента. Продукт специального окисления поверхности стальных изделий (чернение, воронение). По составу отвечает коричневой ржавчине и темной окалине на железе. Применение брутто-формулы Fe₃O₄ не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:

Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.

В природе – оксидная руда железа магнетит.

Оксид железа(III) Fe₂O₃. Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fe³⁺)₂(O^2-)₃. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fe₂O₃ nН₂O. Медленно реагирует с кислотами и щелочами. Восстанавливается монооксидом углерода, расплавленным железом. Сплавляется с оксидами других металлов и образует двойные оксиды — шпинели (технические продукты называются ферритами). Применяется как сырье при выплавке чугуна в доменном процессе, катализатор в производстве аммиака, компонент керамики, цветных цементов и минеральных красок, при термитной сварке стальных конструкций, как носитель звука и изображения на магнитных лентах, как полирующее средство для стали и стекла.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в лаборатории – термическое разложение солей железа(III) на воздухе:

Fe₂(SO₄)₃ = Fe₂O₃ + 3SO₃ (500–700 °C)

4{Fe(NO₃)₃ 9 H₂O} = 2Fe_aO₃ + 12NO₂ + 3O₂ + 36H₂O (600–700 °C)

В природе – оксидные руды железа гематит Fe₂O₃ и лимонит Fe₂O₃ nН₂O.

Гидроксид железа (II) Fe(OH)₂. Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Белый (иногда с зеленоватым оттенком), связи Fe – ОН преимущественно ковалентные. Термически неустойчив. Легко окисляется на воздухе, особенно во влажном состоянии (темнеет). Нерастворим в воде. Реагирует с разбавленными кислотами, концентрированными щелочами. Типичный восстановитель. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется в изготовлении активной массы железоникелевых аккумуляторов.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: осаждение из раствора щелочами или гидратом аммиака в инертной атмосфере:

Fe²⁺ + 2OН(разб.) = Fe(OH)₂?

Fe²⁺ + 2(NH₃ H₂O) = Fe(OH)₂? + 2NH₄⁺

Метагидроксид железа FeO(OH). Амфотерный гидроксид с преобладанием основных свойств. Светло-коричневый, связи Fe – О и Fe – ОН преимущественно ковалентные.

При нагревании разлагается без плавления. Нерастворим в воде. Осаждается из раствора в виде бурого аморфного полигидрата Fe₂O₃ nН₂O, который при выдерживании под разбавленным щелочным раствором или при высушивании переходит в FeO(OH). Реагирует с кислотами, твердыми щелочами. Слабый окислитель и восстановитель. Спекается с Fe(OH)₂. Промежуточный продукт при ржавлении железа. Применяется как основа желтых минеральных красок и эмалей, поглотитель отходящих газов, катализатор в органическом синтезе.

Соединение состава Fe(OH)₃ не известно (не получено).

Уравнения важнейших реакций:

Получение: осаждение из раствора солей железа(III) гидрата Fe₂O₃ nН₂O и его частичное обезвоживание (см. выше).

В природе – оксидная руда железа лимонит Fe₂O₃ nН₂O и минерал гётит FeO(OH).

Феррат калия K₂FeO₄. Оксосоль. Красно-фиолетовый, разлагается при сильном нагревании. Хорошо растворим в концентрированном растворе КОН, реагирует с кипящей водой, неустойчив в кислотной среде. Сильный окислитель. Качественная реакция – образование красного осадка феррата бария. Применяется в синтезе ферритов – промышленно важных двойных оксидов железа (III) и других металлов.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: образуется при окислении соединений железа, например метагидроксида FeO(OH), бромной водой, а также при действии сильных окислителей (при спекании) на железо

Fe + 2KOH + 2KNO₃ = K₂FeO₄ + 3KNO₂ + H₂O (420 °C)

и электролизе в растворе:

(феррат калия образуется на аноде).

Качественные реакции на ионы Fe²⁺ и Fe³⁺. Обнаружение ионов Fe²⁺ и Fe³⁺ в водном растворе проводят с помощью реактивов K₃[Fe(CN)₆] и K₄[Fe(CN)₆] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, KFe^III[Fe^II(CN)₆]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь, или турнбуллева синь:

Fe²⁺ + К⁺ + [Fe(CN)₆]^3- = KFe^III[Fe^II(CN)₆]?

Fe³⁺ + K⁺ + [Fe(CN)₆]^4- = KFe^III[Fe^II(CN)₆]?

Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:

K₃[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (III) калия

K₄[Fe(CN)₆] – гексацианоферрат (II) калия

KFe^III[Fe^II(CN)₆] – гексацианоферрат (II) железа(III) калия

Кроме того, хорошим реактивом на ионы Fe³⁺ является тиоцианат-ион NCS^-, железо (III) соединяется с ним, и появляется ярко-красная («кровавая») окраска:

Fe³⁺ + 6NCS– = [Fe(NCS)₆]^3-

Этим реактивом (например, в виде соли KNCS) можно обнаружить даже следы железа (III) в водопроводной воде, если она проходит через железные трубы, покрытые изнутри ржавчиной.

6.4. Общие свойства металлов. Коррозия

Элементы с металлическими свойствами расположены в IA – VIA группах Периодической системы (табл. 7).

Металлами являются также все элементы, расположенные в IБ – VIIIБ-группах (переходные металлы).

В настоящее время в Периодической системе 92 металла.

Типичными металлами являются s-элементы (элементы IA-группы от Li до Fr, элементы IIA-группы от Mg до Ra). Общая электронная формула их атомов ns^1–2. Для них характерны степени окисления +I и +II соответственно.

Небольшое число электронов (1–2) на внешнем энергетическом уровне атомов типичных металлов предполагает легкую потерю этих электронов и проявление сильных восстановительных свойств, что отражают низкие значения электроотрицательности. Отсюда вытекает ограниченность химических свойств и способов получения типичных металлов.

Характерной особенностью типичных металлов является стремление их атомов образовывать катионы и ионные химические связи с атомами неметаллов. Соединения типичных металлов с неметаллами – это ионные кристаллы «катион металлаанион неметалла», например К⁺Br^-, Са²⁺O^2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами – гидроксидов и солей, например Mg²⁺(OH^-)₂, (Li⁺)₂CO₃^2-.

Металлы А-групп, образующие диагональ амфотерности в Периодической системе Be-Al-Ge-Sb-Po, а также примыкающие к ним металлы (Ga, In, Tl, Sn, Pb, Bi) не проявляют типично металлических свойств. Общая электронная формула их атомов ns²np^0–4 предполагает большее разнообразие степеней окисления, большую способность удерживать собственные электроны, постепенное понижение их восстановительной способности и появление окислительной способности, особенно в высоких степенях окисления (характерные примеры – соединения Тl^III, Pb^IV, Bi^v). Подобное химическое поведение характерно и для большинства d-элементов, т. е. элементов Б-групп Периодической системы (типичные примеры – амфотерные элементы Cr и Zn).

Это проявление двойственности (амфотерности) свойств, одновременно металлических (основных) и неметаллических, обусловлено характером химической связи. В твердом состоянии соединения нетипичных металлов с неметаллами содержат преимущественно ковалентные связи (но менее прочные, чем связи между неметаллами). В растворе эти связи легко разрываются, а соединения диссоциируют на ионы (полностью или частично). Например, металл галлий состоит из молекул Ga₂, в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути(II) AlCl₃ и HgCl₂ содержат сильно ковалентные связи, но в растворе AlCl₃ диссоциирует почти полностью, a HgCl₂ – в очень малой степени (да и то на ионы HgCl⁺ и Cl^-).

В свободном виде все металлы – твердые вещества, кроме одного – ртути Hg, которая при обычных условиях жидкость. В кристаллах металлов преобладает особый вид связи (металлическая связь); валентные электроны слабо связаны с конкретным атомом в решетке, и внутри металла существует так называемый электронный газ. Все металлы обладают высокой электропроводимостью (наибольшая y Ag, Cu, Аи, Al, Mg) и теплопроводностью. Встречаются низкоплавкие металлы (цезий Cs с температурой плавления 28,7 °C плавится от тепла руки) и, наоборот, весьма тугоплавкие (вольфрам W плавится лишь при 3387 °C). Отличительным свойством металлов служит их пластичность (ковкость), вследствие чего они могут быть прокатаны в тонкие листы – фольгу (Sn, Al, Au) или вытянуты в проволоку (Cu, Al, Fe), однако встречаются и очень хрупкие металлы (Zn, Sb, Bi).

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси — сплавы, в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем – дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) – это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой, в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка {ржавчина), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Be, Bi, Со, Fe, Mg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте – металлы Al, Be, Bi, Со, Cr, Fe, Nb, Ni, Pb, Th и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Na⁺, Са²⁺, Al³⁺, Fe²⁺ и Fe³⁺).

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Cu, Ag и Hg – только серной (концентрированной) и азотной кислотами, a Pt и Аи – «царской водкой».

Нежелательным химическим свойством металлов является их коррозия, т. е. активное разрушение (окисление) при контакте с водой и под воздействием растворенного в ней кислорода (кислородная коррозия). Например, широко известна коррозия железных изделий в воде, в результате чего образуется ржавчина, и изделия рассыпаются в порошок.

Коррозия металлов протекает в воде также из-за присутствия растворенных газов СO₂ и SO₂; создается кислотная среда, и катионы Н⁺ вытесняются активными металлами в виде водорода Н₂ (водородная коррозия).

Особенно коррозионно-опасным может быть место контакта двух разнородных металлов (контактная коррозия). Между одним металлом, например Fe, и другим металлом, например Sn или Cu, помещенными в воду, возникает гальваническая пара. Поток электронов идет от более активного металла, стоящего левее в ряду напряжений (Fe), к менее активному металлу (Sn, Cu), и более активный металл разрушается (корродирует).

Именно из-за этого ржавеет луженая поверхность консервных банок (железо, покрытое оловом) при хранении во влажной атмосфере и небрежном обращении с ними (железо быстро разрушается после появления хотя бы небольшой царапины, допускающей контакт железа с влагой). Напротив, оцинкованная поверхность железного ведра долго не ржавеет, поскольку даже при наличии царапин корродирует не железо, а цинк (более активный металл, чем железо).

Сопротивление коррозии для данного металла усиливается при его покрытии более активным металлом или при их сплавлении; так, покрытие железа хромом или изготовление сплава железа с хромом устраняет коррозию железа. Хромированное железо и сталь, содержащая хром (нержавеющая сталь), имеют высокую коррозионную стойкость.

Общие способы получения металлов в промышленности:

• электрометаллургия, т. е. получение металлов электролизом расплавов (для наиболее активных металлов) или растворов солей;

• пирометаллургия, т. е. восстановление металлов из руд при высокой температуре (например, получение железа в доменном процессе);

• гидрометаллургия, т. е. выделение металлов из растворов их солей более активными металлами (например, получение меди из раствора CuSO₄ действием цинка, железа или алюминия).

В природе иногда встречаются самородные металлы (характерные примеры – Ag, Au, Pt, Hg), но чаще металлы находятся в виде соединений (металлические руды). По распространенности в земной коре металлы различны: от наиболее распространенных – Al, Na, Са, Fe, Mg, К, Ti до самых редких – Bi, In, Ag, Au, Pt, Re.

Примеры заданий части A

1. В железосодержащих продуктах реакций между железом и разбавленными кислотами HCl, H₂SO₄ и HNO₃ общая сумма числа атомов всех элементов равна

1) 14

2) 18

3) 22

4) 26

2. В уравнениях реакций

Fe + O₂ -> (Fe^IIFe^III₂)O₄

Fe + Cl₂ -> FeCl₃

Fe + Н₂O (пар) -> (Fe^IIFe^III₂)O₄ + Н₂

общая сумма коэффициентов равна

1) 6

2) 7

3) 12

4) 25

3. Соль NaCrO₂ получают при взаимодействии между

1) CrO₃ и Na₂O

2) Cr₂O₃ и Na₂CO₃

3) CrО и NaOH

4) CrO₂ и NaHCO₃

4. Будет протекать реакция при внесении меди в разбавленные растворы

1) бромоводорода

2) нитрата ртути(II)

3) серной кислоты

4) азотной кислоты

5. Протекают реакции

1) H₂SO₄ + FeCO₃ ->…

2) AgNO₃ + HI (p-p) ->…

3) K₂Cr₂O₇ (p-p) + PbO₂ ->…

4) AgNOg (p-p) + Au ->…

6—9. Масса тигля из

6. платины

7. меди

8. серебра

9. железа

при прокаливании на воздухе

1) уменьшается

2) увеличивается

3) не изменяется

4) не знаю

10—11. В молекулярных уравнениях реакций

10. Fe₂O₃ + HNOg ->…, Fe(OH)₂ + O₂ -> FeO(OH) +…

11. CuO + С -> CO₂ + Cu, Fe₂O₃ + CO -> Fe +…

общая сумма коэффициентов равна

1) 12

2) 15

3) 16

4) 22

12. Сплав, оба компонента которого реагируют с концентрированной азотной кислотой, – это

1) Al + Cu

2) Pt + Аu

3) Hg + Ag

4) Fe + Cr

13. He протекает реакция замещения между реагентами

1) CuSO₄ и Zn

2) Pb(NO₃)₂ и Cr

3) Fe и ZnSO₄

4) Cd и Hg(NO₃)₂

14. Для удаления примеси NiSO₄ из раствора FeSO₄ надо добавить

1) хлорид бария

2) нитрат серебра(I)

3) гидроксид калия

4) железо

15. Пластинка металла окажется покрытой другим металлом, взятым в виде раствора соли, в наборах

1) Zn и Pb(NO₃)₂

2) Cu и Hg(NO₃)₂

3) Со и MnSO₄

4) Pb и CrCl₃

16—17. Коррозия стального изделия, склепанного с

16. хромом

17. никелем

во влажном воздухе

1) усиливается

2) ослабевает

3) не изменяется

4) не знаю

7. Неметаллы главных подгрупп IV–VII групп

7.1. Водород

Водород – первый элемент Периодической системы (1-й период, порядковый номер 1). Не имеет полной аналогии с остальными химическими элементами и не принадлежит ни к какой группе (в таблицах условно помещается в IA– и/или в VIIA-группу).

Атом водорода наименьший по размерам и самый легкий среди атомов всех элементов. Электронная формула атома 1s¹, характерные степени окисления 0, +I и реже – I. Состояние H^I считается устойчивым (соединения с H^-I – сильные восстановители).

Шкала степеней окисления водорода:

По электроотрицательности (2,10) водород занимает промежуточное положение между типичными металлами и типичными неметаллами. Проявляет амфотерные свойства – металлические и неметаллические. Входит в состав катионов (катионы оксония Н₃O⁺ и аммония NH⁴⁺, аквакатионы металлов) и многочисленных анионов – кислых кислотных остатков (HS^-, HCO₃^- и др.).

Природный водород содержит изотоп 1Н — протий с примесью стабильного изотопа ²H(D) – дейтерия и следами радиоактивного изотопа ³Н(Т) – трития (на Земле всего 2 кг трития). В химии символом Н в формулах веществ обозначается содержащаяся в них природная смесь изотопов с преобладанием изотопа протий, а сами вещества рассматриваются как почти изотопночистые соединения протия.

Водород – наиболее распространенный элемент в космосе (Солнце, большие планеты Юпитер и Сатурн, звезды, межзвездная среда, туманности); в состав космической материи входит 63 % Н, 36 % Не и 1 % всех остальных элементов.

В природе – третий по химической распространенности элемент (после О и Si), основа гидросферы. Встречается в химически связанном виде (вода, живые организмы, нефть, природный уголь, минералы), содержится в верхних слоях атмосферы.

Водород Н₂. Простое вещество. Бесцветный газ без запаха и вкуса. Молекула содержит ковалентную ?-связь Н – Н. Очень легкий, термически устойчивый до 2000 °C. Весьма мало растворим в воде. Хемосорбируется металлами Fe, Ni, Pd, Pt, где находится в атомном состоянии.

Водород Н₂ может проявлять в одних условиях восстановительные свойства (чаще), в других – окислительные свойства (реже):

восстановитель Н₂⁰ – 2е^- = 2Н^I

окислитель Н₂⁰ + 2е^- = 2Н^-I

Сильный восстановитель при высоких температурах, водород реагирует с неметаллами и оксидами малоактивных металлов, выполняет роль окислителя в реакциях с типичными металлами:

Очень высокой восстановительной способностью обладает атомарный водород Н⁰ (водород in statu nascendi, лат., – в момент возникновения), который получают непосредственно в зоне проводимой реакции (время жизни Н⁰ 0,5 с); например, гранулы магния вносят в подкисленный раствор переманганата калия, протекают реакции:

а) образование атомарного водорода

Mg + 2Н⁺ = Mg²⁺ + 2Н⁰

б) восстановление перманганат-иона атомарным водородом

5Н⁰ + 3H⁺ + MnO₄^- = Mn²⁺ + 4Н₂O

Другой пример – восстановление нитробензола в анилин (реакция Зинина):

а) Fe + 2Н⁺ = Fe²⁺ + 2Н⁰

б) C₆H₅NO₂ + 6Н⁰ = C₆H₅NH₂ + 2Н₂O

Получить атомарный водород можно также пропусканием водорода Н₂ над никелевым катализатором.

Атомарный водород легко восстанавливает при комнатной температуре весьма устойчивые соединения, например KNO₃ и O₂:

2Н⁰ (Zn, разб. HCl) + KNO₃ = KNO₂ + H₂O

2H⁰ (Zn, разб. HCl) + O₂ = Н₂O₂

Аналогично протекают реакции при использовании амфигенов (Zn, Al) в щелочной среде:

а) Zn + 2OH^- + 2H₂O = [Zn(OH)₄]^2- + 2Н⁰

б) 8Н⁰ + KNO₃ = NH₃? + КОН + 2Н₂O (кипячение)

Качественная реакция – сгорание собранного в пробирку водорода с «хлопком» («гремучая» смесь с воздухом при содержании Н₂ 4—74 % по объему).

Применяется водород как восстановитель и гидрирующий агент в синтезе технически важных продуктов (редкие металлы, NH₃, НCl, органические вещества).

Вода Н₂O. Бинарное соединение. Бесцветная жидкость (слой более 5 м толщиной окрашен в голубой цвет), без вкуса и запаха. Молекула имеет строение дважды незавершенного тетраэдра [:: ОН₂] (sр³-гибридизация). Летучее вещество, термически устойчивое до 1000 °C.

В обычных условиях полярные молекулы воды образуют между собой водородные связи. Это обусловливает аномалию температур плавления и кипения воды – они значительно выше, чем у ее химических аналогов (H₂S и других). Затвердевание воды в лед сопровождается увеличением объема на 9 %, т. е. лед легче жидкой воды (вторая аномалия воды). Наибольшую плотность вода имеет не при 0 °C, а при 4 °C (третья аномалия воды). Твердая вода (лед) легко возгоняется.

Природная вода по изотопному составу водорода в основном ¹Н₂O с примесью ¹Н²НО и ²Н₂O, по изотопному составу кислорода в основном Н₂¹⁶O с примесью Н₂¹⁸O и Н₂¹⁷O. В малой степени подвергается диссоциации до Н⁺, или, точнее, до Н₃O⁺, и ОН; очень слабый электролит. Катион оксония Н₃O⁺ имеет строение незавершенного тетраэдра [: O(Н)₃] (sр³-гибридизация). Образует кристаллогидраты со многими солями, аквакомплексы – с катионами металлов. Реагирует с металлами, неметаллами, оксидами. Вызывает электролитическую диссоциацию кислот, оснований и солей, гидролизует многие бинарные соединения и соли. Подвергается электролизу в присутствии сильных электролитов. Почти универсальный жидкий растворитель неорганических веществ.

Для химических целей природную воду очищают перегонкой (дистиллированная вода), для промышленных целей умягчают, устраняя «временную» и «постоянную» жесткость, или полностью обессоливают, пропуская через иониты в кислотной Н⁺-форме и щелочной ОН^- – форме (ионы солей осаждаются на ионитах, а ионы Н⁺ и ОН^- переходят в воду и взаимно нейтрализуются). Питьевую воду обеззараживают хлорированием (старый способ) или озонированием (современный, но дорогой способ; озон не только окисляет вредные примеси подобно хлору, но и увеличивает содержание растворенного кислорода).

Уравнения важнейших реакций:

Примеры гидролиза бинарных соединений:

6H₂O + Al₂S₃ = 2Al(ОН)₃? + 3H₂S?

2H₂O + SF₄ = SO₂? + 4HF? (40–60 °C)

6H₂O + Mg₃N₂ = 3Mg(OH)₂? + 2NH₃? (кипячение)

2H₂O + CaC₂ = Ca(OH)₂? + C₂H₂?

Вода – окислитель за счет H^I:

Электролиз воды:

Электропроводность чистой (дистиллированной) воды весьма мала, поэтому электролиз проводят в присутствии сильных электролитов.

а) в нейтральном растворе (электролит Na₂SO₄)

катод 2H₂O + 2е^- = H₂? + 2OH

анод 2Н₂O – 4е^- = O₂? + 4H⁺

раствор ОН^- + Н⁺ = Н₂O

б) в кислом растворе (электролит H₂SO₄)

катод 2Н⁺ + 2е^- = Н₂?

анод 2Н₂O – 4е^- = O₂? + 4Н⁺

в) в щелочном растворе (электролит NaOH)

катод 2Н₂O + 2е^- = Н₂? + 2OН^-

анод 4OН^- – 4е^- = O₂? + 2Н₂O

Один из методов обнаружения воды основан на переходе во влажной атмосфере белого сульфата меди(II) CuSO₄ в голубой медный купорос CuSO₄ 5Н₂O.

Известна изотопная разновидность воды — тяжелая вода D₂O (²Н₂O); в природных водах массовое отношение D₂O: Н₂O = 1: 6000.

Плотность, температуры плавления и кипения тяжелой воды выше, чем у обыкновенной. Растворимость большинства веществ в тяжелой воде значительно меньше, чем в обычной воде. Она ядовита, так как замедляет биологические процессы в живых организмах. Тяжелая вода накапливается в остатке электролита при многоразовом электролизе воды. Используется как теплоноситель и замедлитель нейтронов в ядерных реакторах.

Гидрид кальция СаН₂. Бинарное соединение. Белый, имеет ионное строение Са²⁺(Н^-)₂. При плавлении разлагается. Чувствителен к кислороду воздуха. Сильный восстановитель, реагирует с водой, кислотами. Применяется как твердый источник водорода (1 кг СаН₂ дает 1000 л Н₂), осушитель газов и жидкостей, аналитический реагент для количественного определения воды в кристаллогидратах.

Уравнения важнейших реакций:

СаН₂ = Н₂ + Са (особо чистый) (выше 1000 °C)

СаН₂ + 2Н₂O = Са(ОН)₂ + 2Н₂?

СаН₂ + 2НCl (разб.) = СаCl₂ + 2Н₂?

СаН₂ + O₂ = Н₂O + СаО (особо чистый) (300–400 °C)

ЗСаН₂ + N₂ = ЗН₂ + Ca₃N₂ (выше 1000 °C)

ЗСаН₂ + 2КClO₃ = 2КCl + ЗСаО + ЗН₂O (450–550 °C)

СаН₂ + H₂S = CaS + 2Н₂ (500–600 °C)

Получение: обработка нагретого кальция водородом.

7.2. Галогены

7.2.1. Хлор. Хлороводород

Хлор – элемент 3-го периода и VII А-группы Периодической системы, порядковый номер 17. Электронная формула атома [₁₀Ne]3s²3p⁵, характерные степени окисления 0, -I, +I, +V и +VII. Наиболее устойчиво состояние Cl^-I. Шкала степеней окисления хлора:

Хлор обладает высокой электроотрицательностью (2,83), проявляет неметаллические свойства. Входит в состав многих веществ – оксидов, кислот, солей, бинарных соединений.

В природе – двенадцатый по химической распространенности элемент (пятый среди неметаллов). Встречается только в химически связанном виде. Третий по содержанию элемент в природных водах (после О и H), особенно много хлора в морской воде (до 2 % по массе). Жизненно важный элемент для всех организмов.

Хлор Cl₂. Простое вещество. Желто-зеленый газ с резким удушливым запахом. Молекула Cl₂ неполярна, содержит ?-связь CI–Cl. Термически устойчив, негорюч на воздухе; смесь с водородом взрывается на свету (водород сгорает в хлоре):

Хорошо растворим в воде, подвергается в ней дисмутации на 50 % и полностью – в щелочном растворе:

Раствор хлора в воде называют хлорной водой, на свету кислота НClO разлагается на НCl и атомарный кислород О⁰, поэтому «хлорную воду» надо хранить в темной склянке. Наличием в «хлорной воде» кислоты НСlO и образованием атомарного кислорода объясняются ее сильные окислительные свойства: например, во влажном хлоре обесцвечиваются многие красители.

Хлор очень сильный окислитель по отношению к металлам и неметаллам:

Реакции с соединениями других галогенов:

а) Cl₂ + 2KBr_(p) = 2КCl + Br₂? (кипячение)

б) Cl₂ (нед.) + 2KI_(p) = 2КCl + I₂?

3Cl₂ (изб.) + ЗН₂O + KI = 6НCl + КIO₃ (80 °C)

Качественная реакция – взаимодействие недостатка Cl₂ с KI (см. выше) и обнаружение иода по синему окрашиванию после добавления раствора крахмала.

Получение хлора в промышленности:

и в лаборатории:

4НCl (конц.) + MnO₂ = Cl₂? + MnCl₂ + 2Н₂O

(аналогично с участием других окислителей; подробнее см. реакции для НCl и NaCl).

Хлор относится к продуктам основного химического производства, используется для получения брома и иода, хлоридов и кислородсодержащих производных, для отбеливания бумаги, как дезинфицирующее средство для питьевой воды. Ядовит.

Хлороводород НCl. Бескислородная кислота. Бесцветный газ с резким запахом, тяжелее воздуха. Молекула содержит ковалентную ?-связь Н – Cl. Термически устойчив. Очень хорошо растворим в воде; разбавленные растворы называются хлороводородной кислотой, а дымящий концентрированный раствор (35–38 %) – соляной кислотой (название дано еще алхимиками). Сильная кислота в растворе, нейтрализуется щелочами и гидратом аммиака. Сильный восстановитель в концентрированном растворе (за счет Cl^-I), слабый окислитель в разбавленном растворе (за счет Н^I). Составная часть «царской водки».

Качественная реакция на ион Cl^- – образование белых осадков AgCl и Hg₂Cl₂, которые не переводятся в раствор действием разбавленной азотной кислоты.

Хлороводород служит сырьем в производстве хлоридов, хлорорганических продуктов, используется (в виде раствора) при травлении металлов, разложении минералов и руд.

Уравнения важнейших реакций:

НCl (разб.) + NaOH (разб.) = NaCl + Н₂O

HCl (разб.) + NH₃ H₂O = NH₄Cl + Н₂O

4HCl (конц., гор.) + МО₂ = МCl₂ + Cl₂? + 2H₂O (М = Mn, Pb)

16HCl (конц., гор.) + 2КMnO_4(т) = 2MnCl₂ + 5Cl₂? + 8H₂O + 2КCl

14HCl (конц.) + К₂Cr₂O_7(т) = 2CrCl₃ + ЗCl₂? + 7H₂O + 2КCl

6HCl (конц.) + КClO_3(т) = КCl + ЗCl₂? + 3H₂O (50–80 °C)

4HCl (конц.) + Са(ClO)_2(т) = СаCl₂ + 2Cl₂| + 2Н₂O

2HCl (разб.) + М = МCl₂ + H₂? (М = Fe, Zn)

2HCl (разб.) + МСO₃ = МCl₂ + СO₂? + H₂O (М = Са, Ва)

HCl (разб.) + AgNO₃ = HNO₃ + AgCl?

Получение НCl в промышленности – сжигание Н₂ в Cl₂ (см.), в лаборатории – вытеснение из хлоридов серной кислотой:

NaCl_(т) + H₂SO₄ (конц.) = NaHSO₄ + НCl? (50 °C)

2NaCl_(т) + H₂SO₄ (конц.) = Na₂SO₄ + 2НCl? (120 °C)

7.2.2. Хлориды

Хлорид натрия NaCl. Бескислородная соль. Бытовое название поваренная соль. Белый, слабогигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно растворим в воде, растворимость мало зависит от температуры, раствор имеет характерный соленый вкус. Гидролизу не подвергается. Слабый восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена. Подвергается электролизу в расплаве и растворе.

Применяется для получения водорода, натрия и хлора, соды, едкого натра и хлороводорода, как компонент охлаждающих смесей, пищевой продукт и консервирующее средство.

В природе – основная часть залежей каменной соли, или галита, и сильвинита (вместе с КCl), рапы соляных озер, минеральных примесей морской воды (содержание NaCl = 2,7 %). В промышленности получают выпариванием природных рассолов.

Уравнения важнейших реакций:

2NaCl_(т) + 2H₂SO₄ (конц.) + MnO_2(т) = Cl₂? + MnSO₄ + 2Н₂O + Na₂SO₄ (100 °C)

10NaCl_(т) + 8H₂SO₄ (конц.) + 2КMnO_4(т) = 5Cl₂? + 2MnSO₄ + 8Н₂O + 5Na₂SO₄ + K₂SO₄ (100 °C)

6NaCl_(т) + 7H₂SO₄ (конц.) + К₂Cr₂O_7(т) = ЗCl₂ + Cr₂(SO₄)₃ + 7Н₂O + 3Na₂SO₄ + K₂SO₄ (100 °C)

2NaCl_(т) + 4H₂SO₄ (конц.) + РЬO_2(т) = Cl₂? + Pb(HSO₄)₂ + 2Н₂O + 2NaHSO₄ (50 °C)

NaCl (разб.) + AgNO₃ = NaNO₃ + AgCl?

Хлорид калия KCl. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Умеренно растворим в воде, раствор имеет горький вкус, гидролиза нет. Вступает в реакции ионного обмена. Применяется как калийное удобрение, для получения К, КОН и Cl₂. В природе основная составная часть (наравне с NaCl) залежей сильвинита.

Уравнения важнейших реакций одинаковы с таковыми для NaCl.

Хлорид кальция СаCl₂. Бескислородная соль. Белый, плавится без разложения. Расплывается на воздухе за счет энергичного поглощения влаги. Образует кристаллогидрат СаCl₂ 6Н₂O с температурой обезвоживания 260 °C. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Вступает в реакции ионного обмена. Применяется для осушения газов и жидкостей, приготовления охлаждающих смесей. Компонент природных вод, составная часть их «постоянной» жесткости.

Уравнения важнейших реакций:

СаCl_2(т) + 2H₂SO₄ (конц.) = Ca(HSO₄)₂ + 2НCl? (50 °C)

СаCl_2(т) + H₂SO₄ (конц.) = CaSO₄? + 2НCl? (100 °C)

СаCl₂ + 2NaOH (конц.) = Ca(OH)₂? + 2NaCl?

ЗСаCl₂ + 2Na₃PO₄ = Са₃(РO₄)₂? + 6NaCl

СаCl₂ + К₂СO₃ = СаСO₃? + 2КCl

СаCl₂ + 2NaF = CaF₂? + 2NaCl

Получение:

СаСO₃ + 2HCl = СаCl₂ + СO₃? + Н₂O

Хлорид алюминия AlCl₃. Бескислородная соль. Белый, легкоплавкий, сильнолетучий. В паре состоит из ковалентных мономеров AlCl₃ (треугольное строение, sр²-гибридизация, преобладают при 440–800 °C) и димеров Al₂Cl₆ (точнее, Cl₂AlCl₂AlCl₂, строение – два тетраэдра с общим ребром, sр³-гибридизация, преобладают при 183–440 °C). Гигроскопичен, на воздухе «дымит». Образует кристаллогидрат, разлагающийся при нагревании. Хорошо растворим в воде (с сильным экзо-эффектом), полностью диссоциирует на ионы, создает в растворе сильнокислотную среду вследствие гидролиза. Реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Восстанавливается при электролизе расплава. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион Al³⁺ – образование осадка AlРO₄, который переводится в раствор концентрированной серной кислотой.

Применяется как сырье в производстве алюминия, катализатор в органическом синтезе и при крекинге нефти, переносчик хлора в органических реакциях. Уравнения важнейших реакций:

Получение AlCl₃ в промышленности – хлорирование каолина, глинозёма или боксита в присутствии кокса:

Al₂O₃ + ЗС (кокс) + ЗCl₂ = 2AlCl₃ + ЗСО (900 °C)

Хлорид железа(Н) FeCl₂. Бескислородная соль. Белый (гидрат голубовато-зеленый), гигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. При сильном нагревании летуч в потоке HCl. Связи Fe – Cl преимущественно ковалентные, пар состоит из мономеров FeCl₂ (линейное строение, sp-гибридизация) и димеров Fe₂Cl₄. Чувствителен к кислороду воздуха (темнеет). Хорошо растворим в воде (с сильным экзо-эффектом), полностью диссоциирует на ионы, слабо гидролизуется по катиону. При кипячении раствора разлагается. Реагирует с кислотами, щелочами, гидратом аммиака. Типичный восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена и комплексообразования.

Применяется для синтеза FeCl₃ и Fe₂O₃, как катализатор в органическом синтезе, компонент лекарственных средств против анемии.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: взаимодействие Fe с соляной кислотой:

Fe + 2НCl = FeCl₂ + Н₂?

(в промышленности используют хлороводород и ведут процесс при 500 °C).

Хлорид железа(III) FeCl₃. Бескислородная соль. Черно-коричневый (темно-красный в проходящем свете, зеленый в отраженном), гидрат темно-желтый. При плавлении переходит в красную жидкость. Весьма летуч, при сильном нагревании разлагается. Связи Fe – Cl преимущественно ковалентные. Пар состоит из мономеров FeCl₃ (треугольное строение, sр²-гибридизация, преобладают выше 750 °C) и димеров Fe₂Cl₆ (точнее, Cl₂FeCl₂FeCl₂, строение – два тетраэдра с общим ребром, sр³-гибридизация, преобладают при 316–750 °C). Кристаллогидрат FeCl₃ 6Н₂O имеет строение [Fe(H₂O)₄Cl₂]Cl • 2Н₂O. Хорошо растворим в воде, раствор окрашен в желтый цвет; сильно гидролизован по катиону. Разлагается в горячей воде, реагирует со щелочами. Слабый окислитель и восстановитель.

Применяется как хлорагент, катализатор в органическом синтезе, протрава при крашении тканей, коагулянт при очистке питьевой воды, травитель медных пластин в гальванопластике, компонент кровоостанавливающих препаратов.

Уравнения важнейших реакций:

Хлорид аммония NH₄Cl. Бескислородная соль, техническое название нашатырь. Белый, летучий, термически неустойчивый. Хорошо растворим в воде (с заметным эндо-эффектом, Q = -16 кДж), гидролизуется по катиону. Разлагается щелочами при кипячении раствора, переводит в раствор магний и гидроксид магния. Вступает в реакцию конмутации с нитратами.

Качественная реакция на ион NH₄⁺ – выделение NH₃ при кипячении со щелочами или при нагревании с гашёной известью.

Применяется в неорганическом синтезе, в частности для создания слабокислотной среды, как компонент азотных удобрений, сухих гальванических элементов, при пайке медных и лужении стальных изделий.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: взаимодействие NH₃ с HCl в газовой фазе или NH₃ Н₂O с HCl в растворе.

7.2.3. Гипохлориты. Хлораты

Гипохлорит кальция Са(СlO)₂. Соль хлорноватистой кислоты HClO. Белый, при нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в холодной воде (образуется бесцветный раствор), гидролизуется по аниону. Реакционноспособный, полностью разлагается горячей водой, кислотами. Сильный окислитель. При стоянии раствор поглощает углекислый газ из воздуха. Является активной составной частью хлорной (белильной) извести – смеси неопределенного состава с СаCl₂ и Са(ОН)₂. Уравнения важнейших реакций:

Са(ClO)₂ = СаCl₂ + O₂ (180 °C)

Са(ClO)_2(т) + 4НCl (конц.) = СаCl₂ + 2Cl₂? + 2Н₂O (80 °C)

Са(ClO)₂ + Н₂O + СO₂ = СаСO₃? + 2НClO (на холоду)

Са(ClO)₂ + 2Н₂O₂ (разб.) = СаCl₂ + 2Н₂O + 2O₂?

Получение:

2Са(ОН)₂ (суспензия) + 2Cl_2(г) = Са(ClO)₂ + СаCl₂ + 2Н₂O

Хлорат калия КСlO₃. Соль хлорноватой кислоты НСlO₃, наиболее известная соль кислородсодержащих кислот хлора. Техническое название — бертоллетова соль (по имени ее первооткрывателя К.-Л. Бертолле, 1786). Белый, плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворим в воде (образуется бесцветный раствор), гидролиза нет. Разлагается концентрированными кислотами. Сильный окислитель при сплавлении.

Применяется как компонент взрывчатых и пиротехнических смесей, головок спичек, в лаборатории – твердый источник кислорода.

Уравнения важнейших реакций:

4КClO₃ = ЗКClO₄ + КCl (400 °C)

2КClO₃ = 2КCl + 3O₂ (150–300 °C, кат. MnO₂)

КClO_3(т) + 6НCl (конц.) = КCl + ЗCl₂| + ЗН₂O (50–80 °C)

ЗКClO_3(т) + 2H₂SO₄ (конц., гор.) = 2ClO₂| + КClO₄ + Н₂O + 2KHSO₄

(диоксид хлора на свету взрывается: 2ClO_2(г) = Cl₂ + 2O₂)

2КClO₃ + Е₂(изб.) = 2КЕO₃ + Cl₂? (в разб. HNO₃, Е = Br, I)

Получение КClO₃ в промышленности – электролиз горячего раствора КCl (продукт КClO₃ выделяется на аноде):

7.2.4. Бромиды. Иодиды

Бромид калия КBr. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный, плавится без разложения. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Восстановитель (более слабый, чем KI).

Качественная реакция на ион Br – вытеснение брома из раствора КBr хлором и экстракция брома в органический растворитель, например СCl₄ (в результате водный слой обесцвечивается, органический слой окрашивается в бурый цвет).

Применяется как компонент травителей при гравировке по металлам, составная часть фотоэмульсий, лекарственное средство.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

K₂CO₃ + 2HBr = 2KBr + CO₂? + H₂O

Иодид калия KI. Бескислородная соль. Белый, негигроскопичный. При хранении на свету желтеет. Хорошо растворим в воде, гидролиза нет. Типичный восстановитель. Водный раствор KI хорошо растворяет I₂ за счет комплексообразования.

Качественная реакция на ион I – вытеснение иода из раствора KI недостатком хлора и экстракция иода в органический растворитель, например СCl₄ (в результате водный слой обесцвечивается, органический слой окрашивается в фиолетовый цвет).

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

K₂CO₃ + 2HI = 2KI + СO₂? + Н₂O

7.3. Халькогены

7.3.1. Кислород

Кислород – элемент 2-го периода и VIA-группы Периодической системы, порядковый номер 8, относится к халькогенам (но чаще рассматривается отдельно). Электронная формула атома [₂He]2s²2p⁴, характерные степени окисления чаще 0 и – II, реже – I и +II, состояние О^II считается устойчивым.

Шкала степеней окисления кислорода:

Кислород обладает высокой электроотрицательностью (3,50, второй элемент после фтора), проявляет типичные неметаллические свойства. Образует соединения со всеми элементами, кроме Не, Ne и Ar, входит в состав многочисленных оксидов, гидроксидов, солей кислородсодержащих кислот.

Природный кислород содержит изотоп ¹⁶O с примесью изотопов ¹⁷O и ¹⁸O. В химии большинство соединений природного кислорода рассматривается как изотопно-чистые соединения кислорода-16.

Кислород – самый распространенный элемент в земной коре (55 %) и природных водах, встречается в свободном и связанном виде. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Кислород O₂. Простое вещество. Состоит из неполярных молекул О₂ (дикислород) с ??-связью O=O, устойчивая аллотропная форма существования элемента в свободном виде. Бесцветный газ, в жидком состоянии – светло-голубой, в твердом – синий.

Составная часть воздуха: 20,94 % по объему, 23,13 % по массе. Из жидкого воздуха кислород выкипает после азота N₂. Малорастворим в воде (31 мл/1 л Н₂O при 20 °C), но несколько лучше, чем N₂. При комнатной температуре обладает малой химической активностью из-за прочности двойной связи в молекулах.

Кислород поддерживает горение многих веществ. Сильный окислитель при высоких температурах, реагирует с большинством металлов и неметаллов:

Кислород вызывает ржавление (медленное окисление) железа, уравнения реакций см. в 11.3. Особенно активен атомарный кислород О⁰ (активность выше, чем у озона O₃), обычно получаемый непосредственно в зоне реакции при термическом разложении многих веществ.

Простейшая качественная реакция – яркое загорание тлеющей древесной лучинки в атмосфере кислорода.

Получение кислорода:

а) в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха, электролиз воды (уравнения реакций см. в разд. 12);

б) в лаборатории – нагревание легко разлагающихся кислородсодержащих веществ:

2HgO = 2Hg + O₂ (450–500 °C)

2КMnO₄ = К₂MnO₄ + MnO₂ + O₂ (200–240 °C)

2Na₂O₂ = 2Na₂O + O₂ (400–675 °C, вакуум)

2КClO₃ = 2КCl + 3O₂ (150–300 °C, кат. MnO₂)

2KNO₃ = 2KNO₂ + O₂ (400–520 °C)

Кислород является важнейшим продуктом основного химического производства. Применяется как реагент в химической технологии (обжиг сульфидных руд, синтез оксидов), металлургии (производство чугуна и стали) и газификации природного угля, при сварке и резке металлов; жидкий кислород – окислитель топлива в ракетной технике.

Убыль кислорода в атмосфере в результате процессов горения, гниения и дыхания возмещается растениями при фотосинтезе. При вдыхании человеком и животными воздуха в легкие кислород связывается с гемоглобином крови и переносится в клетки, где органические вещества (в первую очередь глюкоза) с его помощью окисляются и обеспечивают жизненную энергию организмов.

Озон O₃. Простое вещество (трикислород), неустойчивая аллотропная форма существования элемента. Светло-синий газ с характерным («озоновым») запахом, тяжелее воздуха. Молекула имеет строение незавершенного треугольника [: O(O)₂] (sр²-гибридизация, валентный угол 117°), содержит ковалентные ??-связи O=O. Разлагается под действием ультрафиолетового излучения, катализаторов и оксидов азота (разрушение озонового слоя атмосферы Земли). Устойчив в смеси с O₂ (озонированный кислород). Малорастворим в воде (285 мл/1 л Н₂O), но значительно лучше, чем O₂. Сильный окислитель (более сильный, чем O₂, но более слабый, чем атомарный кислород O⁰). Окисляет при комнатной температуре многие металлы и неметаллы до высоких степеней окисления. С надпероксидами щелочных металлов (К, Rb, Cs) образует оранжево-красные озониды. Не реагирует с Au, Cu, Ni, Pt, Sn. Генерируется из кислорода O₂ в специальном приборе — озонаторе.

Качественная реакция – выделение иода из раствора KI при комнатной температуре (O₂ в реакцию не вступает). Уравнения важнейших реакций:

Получение: под действием электрического разряда в озонаторе:

Применяется для дезинфекции питьевой воды, при отбеливании тканей и минеральных масел, как реагент в

неорганическом и органическом синтезе. В атмосфере Земли озоновый слой (на высоте =25 км) защищает живой мир от воздействия космического ультрафиолетового излучения.

Атомарный кислород О⁰. Третья аллотропная форма кислорода. Более сильный окислитель по сравнению с O₂ и O₃. Образуется при распаде молекул O₂ и O₃ под действием ультрафиолетового излучения. Возникает при термическом разложении кислородсодержащих веществ (см. выше, получение O₂); при отсутствии восстановителей тут же переходит снова в O₂ и O₃, в присутствии восстановителей окисляет их:

KNO₃ = KNO₂ + O⁰

О⁰ + С (графит) = СO₂

Поэтому вещества, легко отщепляющие кислород при нагревании, проявляют сильные окислительные свойства.

Пероксид водорода Н₂O₂. Бинарное соединение. Молекула Н₂O₂ неплоская, имеет строение с ?-связью О – О на ребре и связями Н – О на плоскостях двугранного угла. Степень окисления кислорода равна – I. Группа – О – О– называется пероксогруппой.

Бесцветная жидкость, вязкая, тяжелее воды, чувствительна к свету и примесям (стабилизатор Н₃РO₄). Разлагается со взрывом при слабом нагревании, на катализаторе – при комнатной температуре. Неограниченно смешивается с водой. Разбавленными щелочами нейтрализуется не полностью. Сильный окислитель, слабый восстановитель.

Пероксид водорода применяется как отбеливатель текстиля, бумаги, кож, жиров и минеральных масел, окислитель ракетного топлива, реагент в органическом синтезе, при осветлении картин старых мастеров (потемневший красочный слой из-за перехода белил – гидроксокарбонатов свинца – в черный PbS осветляют переводом в белый PbSO₄). В промышленности обычно используют взрывобезопасный 30 %-ный раствор Н₂O₂ (пергидроль), в медицине – 3 %-ный раствор.

Уравнения важнейших реакций:

2Н₂O₂ = 2Н₂O + O₂ (выше 150 °C или на кат. MnO₂)

Н₂O₂ (разб.) + NaOH (разб.) = NaHO₂ + Н₂O

Н₂O₂ (конц.) + 2NaOH_(т) = Na₂O₂? + 2H₂O (0 °C)

Н₂O₂ (3 %) + 2H⁺ + 2I^- = I₂? + 2Н₂O

5Н₂O₂ (30 %) + I_2(т) = 2НIO₃ + 4Н₂O

Н₂O₂ (10 %) + SO₃^2- = SO₃^2- + H₂O

4Н₂O₂ (30 %) + PbS (черн.) = 4H₂O + PbSO₄ (бел.)?

3H₂O₂ + 2[Cr(OH)₆]^3- = 2CrO₄^2- + 8H₂O + 2OH^-

2Н₂O₂ (конц.) + Са(ClO)₂ = СаCl₂ + 2Н₂O + 2O₂?

5H₂O₂ + 6H⁺ + 2MnO₄^- = 2Mn²⁺ + 5O₂? + 8Н₂O

Получение: в лаборатории вначале синтезируют пероксид бария ВаO₂:

2ВаО + O₂ (изб.) = 2ВаO₂ (до 500 °C),

а затем его обрабатывают серной кислотой:

ВаO₂ + H₂SO₄ = BaSO₄? + Н₂O₂ (на холоду)

В промышленности (старый метод) – электролиз водного раствора H₂SO₄ или (NH₄)₂SO₄ в специальных условиях; при этом кислота или соль не расходуются, а протекает электролиз воды с образованием на аноде Н₂O₂:

Современный промышленный способ (8O% мирового производства) – окисление сложного органического соединения 2-этилантрагидрохинон кислородом воздуха на холоду.

7.3.2. Сера. Сероводород. Сульфиды

Сера – элемент 3-го периода и VIA-группы Периодической системы, порядковый номер 16, относится к халькогенам. Электронная формула атома [₁₀Ne]3s²3p⁴, характерные степени окисления 0, -II, +IV и +VI, состояние S^VI считается устойчивым.

Шкала степеней окисления серы:

Электроотрицательность серы равна 2,60, для нее характерны неметаллические свойства. В водородных и кислородных соединениях находится в составе различных анионов, образует кислородсодержащие кислоты и их соли, бинарные соединения.

В природе – пятнадцатый по химической распространенности элемент (седьмой среди неметаллов). Встречается в свободном (самородном) и связанном виде. Жизненно важный элемент для высших организмов.

Сера S. Простое вещество. Желтая кристаллическая (?-ромбическая и ?-моноклинная,  при 95,5 °C) или аморфная (пластическая). В узлах кристаллической решетки находятся молекулы S₈ (неплоские циклы типа «корона»), аморфная сера состоит из цепей S_n. Низкоплавкое вещество, вязкость жидкости проходит через максимум при 200 °C (разрыв молекул S₈, переплетение цепей S_n). В паре – молекулы S₈, S₆, S₄, S₂. При 1500 °C появляется одноатомная сера (в химических уравнениях для простоты любая сера изображается как S).

Сера не растворяется в воде и при обычных условиях не реагирует с ней, хорошо растворима в сероуглероде CS₂.

Сера, особенно порошкообразная, обладает высокой активностью при нагревании. Реагирует как окислитель с металлами и неметаллами:

а как восстановитель – с фтором, кислородом и кислотами (при кипячении):

Сера подвергается дисмутации в растворах щелочей:

3S⁰ + 6КОН (конц.) = 2K₂S^-II + K₂S^IVO₃ + 3H₂O

При высокой температуре (400 °C) сера вытесняет иод из иодоводорода:

S + 2НI_(г) = I₂ + H₂S,

но в растворе реакция идет в обратную сторону:

I₂ + H₂S_(p) = 2 HI + S?

Получение: в промышленности выплавляется из природных залежей самородной серы (с помощью водяного пара), выделяется при десульфурации продуктов газификации угля.

Сера применяется для синтеза сероуглерода, серной кислоты, сернистых (кубовых) красителей, при вулканизации каучука, как средство защиты растений от мучнистой росы, для лечения кожных заболеваний.

Сероводород H₂S. Бескислородная кислота. Бесцветный газ с удушающим запахом, тяжелее воздуха. Молекула имеет строение дважды незавершенного тетраэдра [::S(H)₂]

(sp³-гибридизация, валетный угол Н – S—Н далек от тетраэдрического). Неустойчив при нагревании выше 400 °C. Малорастворим в воде (2,6 л/1 л Н₂O при 20 °C), насыщенный раствор децимолярный (0,1М, «сероводородная вода»). Очень слабая кислота в растворе, практически не диссоциирует по второй стадии до ионов S^2- (максимальная концентрация S^2- равна 1 10^-13 моль/л). При стоянии на воздухе раствор мутнеет (ингибитор – сахароза). Нейтрализуется щелочами, не полностью – гидратом аммиака. Сильный восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена. Сульфидирующий агент, осаждает из раствора разноокрашенные сульфиды с очень малой растворимостью.

Качественные реакции – осаждение сульфидов, а также неполное сгорание H₂S с образованием желтого налета серы на внесенном в пламя холодном предмете (фарфоровый шпатель). Побочный продукт очистки нефти, природного и коксового газа.

Применяется в производстве серы, неорганических и органических серосодержащих соединений как аналитический реагент. Чрезвычайно ядовит. Уравнения важнейших реакций:

Получение: в промышленности – прямым синтезом:

Н₂ + S = H₂S (150–200 °C)

или при нагревании серы с парафином;

в лаборатории – вытеснением из сульфидов сильными кислотами

FeS + 2НCl (конц.) = FeCl₂ + H₂S?

или полным гидролизом бинарных соединений:

Al₂S₃ + 6Н₂O = 2Al(ОН)₃? + 3H₂S?

Сульфид натрия Na₂S. Бескислородная соль. Белый, очень гигроскопичный. Плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону, создает в растворе сильнощелочную среду. При стоянии на воздухе раствор мутнеет (коллоидная сера) и желтеет (окраска полисульфида). Типичный восстановитель. Присоединяет серу. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественные реакции на ион S^2- – осаждение разноокрашенных сульфидов металлов, из которых MnS, FeS, ZnS разлагаются в НCl (разб.).

Применяется в производстве сернистых красителей и целлюлозы, для удаления волосяного покрова шкур при дублении кож, как реагент в аналитической химии.

Уравнения важнейших реакций:

Na₂S + 2НCl (разб.) = 2NaCl + H₂S?

Na₂S + 3H₂SO₄ (конц.) = SO₂? + S? + 2H₂O + 2NaHSO₄ (до 50 °C)

Na₂S + 4HNO₃ (конц.) = 2NO? + S? + 2H₂O + 2NaNO₃ (60 °C)

Na₂S + H₂S (насыщ.) = 2NaHS

Na₂S_(т) + 2O₂ = Na₂SO₄ (выше 400 °C)

Na₂S + 4H₂O₂ (конц.) = Na₂SO₄ + 4H₂O

S^2- + M²⁺ = MnS (телесн.)?; FeS (черн.)?; ZnS (бел.)?

S^2- + 2Ag⁺ = Ag₂S (черн.)?

S^2- + M²⁺ = СdS (желт.)?; PbS, CuS, HgS (черные)?

3S^2- + 2Bi³⁺ = Bi₂S₃ (кор. – черн.)?

3S^2- + 6H₂O + 2M³⁺ = 3H₂S? + 2M(OH)₃? (M = Al, Cr)

Получение в промышленности – прокаливание минерала мирабилит Na₂SO₄ 10Н₂O в присутствии восстановителей:

Na₂SO₄ + 4Н₂ = Na₂S + 4Н₂O (500 °C, кат. Fe₂O₃)

Na₂SO₄ + 4С (кокс) = Na₂S + 4СО (800—1000 °C)

Na₂SO₄ + 4СО = Na₂S + 4СO₂ (600–700 °C)

Сульфид алюминия Al₂S₃. Бескислородная соль. Белый, связь Al – S преимущественно ковалентная. Плавится без разложения под избыточным давлением N₂, легко возгоняется. Окисляется на воздухе при прокаливании. Полностью гидролизуется водой, не осаждается из раствора. Разлагается сильными кислотами. Применяется как твердый источник чистого сероводорода. Уравнения важнейших реакций:

Al₂S₃ + 6Н₂O = 2Al(ОН)₃? + 3H₂S? (чистый)

Al₂S₃ + 6НCl (разб.) = 2AlCl₃ + 3H₂S?

Al₂S₃ + 24HNO₃ (конц.) = Al₂(SO₄)₃ + 24NO₂? + 12H₂O (100 °C)

2Al₂S₃ + 9O₂ (воздух) = 2Al₂O₃ + 6SO₂ (700–800 °C)

Получение: взаимодействие алюминия с расплавленной серой в отсутствие кислорода и влаги:

2Al + 3S = AL₂S₃ (150–200 °C)

Сульфид железа (II) FeS. Бескислородная соль. Черно-серый с зеленым оттенком, тугоплавкий, разлагается при нагревании в вакууме. Во влажном состоянии чувствителен к кислороду воздуха. Нерастворим в воде. Не выпадает в осадок при насыщении растворов солей железа(II) сероводородом. Разлагается кислотами. Применяется как сырье в производстве чугуна, твердый источник сероводорода.

Соединение железа(III) состава Fe₂S₃ не известно (не получено).

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

Fe + S = FeS (600 °C)

Fe₂O₃ + H₂ + 2H₂S = 9FeS + 3H₂O (700-1000 °C)

FeCl₂ + 2NH₄HS (изб.) = FeS ? + 2NH₄Cl + H₂S?

Дисульфид железа FeS₂. Бинарное соединение. Имеет ионное строение Fe²⁺ (—S – S—)^2-. Темно-желтый, термически устойчивый, при прокаливании разлагается. Нерастворим в воде, не реагирует с разбавленными кислотами, щелочами. Разлагается кислотами-окислителями, подвергается обжигу на воздухе. Применяется как сырье в производстве чугуна, серы и серной кислоты, катализатор в органическом синтезе. В природе – рудные минералы пирит и марказит.

Уравнения важнейших реакций:

FeS₂ = FeS + S (выше 1170 °C, вакуум)

2FeS₂ + 14H₂SO₄ (конц., гор.) = Fe₂(SO₄)₃ + 15SO₂? + 14Н₂O

FeS₂ + 18HNO₃ (конц.) = Fe(NO₃)₃ + 2H₂SO₄ + 15NO₂? + 7H₂O

4FeS₂ + 11O₂ (воздух) = 8SO₂ + 2Fe₂O₃ (800 °C, обжиг)

Гидросульфид аммония NH₄HS. Бескислородная кислая соль. Белый, плавится под избыточным давлением. Весьма летучий, термически неустойчивый. На воздухе окисляется. Хорошо растворим в воде, гидролизуется по катиону и аниону (преобладает), создает щелочную среду. Раствор желтеет на воздухе. Разлагается кислотами, в насыщенном растворе присоединяет серу. Щелочами не нейтрализуется, средняя соль (NH₄)₂S не существует в растворе (условия получения средней соли см. в рубрике «H₂S»). Применяется в качестве компонента фотопроявителей, как аналитический реагент (осадитель сульфидов).

Уравнения важнейших реакций:

NH₄HS = NH₃ + H₂S (выше 20 °C)

NH₄HS + НCl (разб.) = NH₄Cl + H₂S?

NH₄HS + 3HNO₃ (конц.) = S? + 2NO₂? + NH₄NO₃ + 2H₂O

2NH₄HS (насыщ. H₂S) + 2CuSO₄ = (NH₄)₂SO₄ + H₂SO₄ + 2CuS?

Получение: насыщение концентрированного раствора NH₃ сероводородом:

NH₃ Н₂O (конц.) + H₂S_(г) = NH₄HS + Н₂O

В аналитической химии раствор, содержащий равные количества NH₄HS и NH₃ Н₂O, условно считают раствором (NH₄)₂S и используют формулу средней соли в записи уравнений реакций, хотя сульфид аммония полностью гидролизуется в воде до NH₄HS и NH₃ • Н₂O.

7.3.3. Диоксид серы. Сульфиты

Диоксид серы SO₂. Кислотный оксид. Бесцветный газ с резким запахом. Молекула имеет строение незавершенного треугольника [: S(O)₂] (sр²-гибридизация), содержит ?,?-связи S=O. Легко сжижается, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде (~40 л/1 л Н₂O при 20 °C). Образует полигидрат, обладающий свойствами слабой кислоты, продукты диссоциации – ионы HSO₃^- и SO₃^2-. Ион HSO₃^- имеет две таутомерные формы – симметричную (некислотную) со строением тетраэдра [S(H)(O)₃] (sр³-гибридизация), которая преобладает в смеси, и несимметричную (кислотную) со строением незавершенного тетраэдра [: S(O)₂(OH)] (sр³-гибридизация). Ион SO₃^2- также тетраэдрический [: S(O)₃].

Реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Типичный восстановитель, слабый окислитель.

Качественная реакция – обесцвечивание желто-коричневой «йодной воды». Промежуточный продукт в производстве сульфитов и серной кислоты.

Применяется для отбеливания шерсти, шелка и соломы, консервирования и хранения фруктов, как дезинфицирующее средство, антиоксидант, хладагент. Ядовит.

Соединение состава H₂SO₃ (сернистая кислота) не известно (не существует).

Уравнения важнейших реакций:

Растворение в воде и кислотные свойства:

Получение: в промышленности – сжигание серы в воздухе, обогащенном кислородом, и, в меньшей степени, обжиг сульфидных руд (SO₂ – попутный газ при обжиге пирита):

S + O₂ = SO₂ (280–360 °C)

4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂ (800 °C, обжиг)

в лаборатории – вытеснение серной кислотой из сульфитов:

BaSO_3(т) + H₂SO₄ (конц.) = BaSO₄? + SO₂? + Н₂O

Сульфит натрия Na₂SO₃. Оксосоль. Белый. При нагревании на воздухе разлагается без плавления, плавится под избыточным давлением аргона. Во влажном состоянии и в растворе чувствителен к кислороду воздуха. Хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону. Разлагается кислотами. Типичный восстановитель.

Качественная реакция на ион SO₃^2- – образование белого осадка сульфита бария, который переводится в раствор сильными кислотами (НCl, HNO₃).

Применяется как реактив в аналитической химии, компонент фотографических растворов, нейтрализатор хлора при отбеливании тканей.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

Na₂CO₃ (конц.) + SO₂ = Na₂SO₃ + CO₂?

7.3.4. Серная кислота. Сульфаты

Серная кислота H₂SO₄. Оксокислота. Бесцветная жидкость, очень вязкая (маслообразная), весьма гигроскопичная. Молекула имеет искаженно-тетраэдрическое строение [S(O)₂(OH)₂] (sр³-гибридизация), содержит ковалентные ?-связи S – ОН и ??-связи S=O. Ион SO₄^2- имеет правильно-тетраэдрическое строение [S(O)₄]. Обладает широким температурным интервалом жидкого состояния (~300 градусов). При нагревании выше 296 °C частично разлагается. Перегоняется в виде азеотропной смеси с водой (массовая доля кислоты 98,3 %, температура кипения 296–340 °C), при более сильном нагревании разлагается полностью. Неограниченно смешивается с водой (с сильным экзо-эффектом). Сильная кислота в растворе, нейтрализуется щелочами и гидратом аммиака. Переводит металлы в сульфаты (при избытке концентрированной кислоты в обычных условиях образуются растворимые гидросульфаты), но металлы Be, Bi, Со, Fe, Mg и Nb пассивируются в концентрированной кислоте и не реагируют с ней. Реагирует с основными оксидами и гидроксидами, разлагает соли слабых кислот. Слабый окислитель в разбавленном растворе (за счет Н^I), сильный – в концентрированном растворе (за счет S^VI). Хорошо растворяет SO₃ и реагирует с ним (образуется тяжелая маслообразная жидкость — олеум, содержит H₂S₂O₇).

Качественная реакция на ион SO₄^2- – осаждение белого сульфата бария BaSO₄ (осадок не переводится в раствор соляной и азотной кислотами, в отличие от белого осадка BaSO₃).

Применяется в производстве сульфатов и других соединений серы, минеральных удобрений, взрывчатых веществ, красителей и лекарственных препаратов, в органическом синтезе, для «вскрытия» (первого этапа переработки) промышленно важных руд и минералов, при очистке нефтепродуктов, электролизе воды, как электролит свинцовых аккумуляторов. Ядовита, вызывает ожоги кожи. Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности:

а) синтез SO₂ из серы, сульфидных руд, сероводорода и сульфатных руд:

S + O₂ (воздух) = SO₂ (280–360 °C)

4FeS₂ + 11O₂ (воздух) = 8SO₂ + 2Fe₂O₃ (800 °C, обжиг)

2H₂S + 3O₂ (изб.) = 2SO₂ + 2Н₂O (250–300 °C)

CaSO₄ + С (кокс) = СаО + SO₂ + СО (1300–1500 °C)

б) конверсия SO₂ в SO₃ в контактном аппарате:

в) синтез концентрированной и безводной серной кислоты:

Н₂O (разб. H₂SO₄) + SO₃ = H₂SO₄ (конц., безводн.)

(поглощение SO₃ чистой водой с получением H₂SO₄ не проводится из-за сильного разогревания смеси и обратного разложения H₂SO₄, см. выше);

г) синтез олеума – смеси безводной H₂SO₄, дисерной кислоты H₂S₂O₇ и избыточного SO₃. Растворенный SO₃ гарантирует безводность олеума (при попадании воды тут же образуется H₂SO₄), что позволяет безопасно перевозить его в стальных цистернах.

Сульфат натрия Na₂SO₄. Оксосоль. Белый, гигроскопичный. Плавится и кипит без разложения. Образует кристаллогидрат (минерал мирабилит), легко теряющий воду; техническое название глауберова соль. Хорошо растворим в воде, не гидролизуется. Реагирует с H₂SO₄ (конц.), SO₃. Восстанавливается водородом, коксом при нагревании. Вступает в реакции ионного обмена.

Применяется в производстве стекла, целлюлозы и минеральных красок, как лекарственное средство. Содержится в рапе соляных озер, в частности в заливе Кара-Богаз-Гол Каспийского моря.

Уравнения важнейших реакций:

Гидросульфат калия KHSO₄. Кислая оксосоль. Белый, гигроскопичный, но кристаллогидратов не образует. При нагревании плавится и разлагается. Хорошо растворим в воде, в растворе анион подвергается диссоциации, среда раствора сильнокислотная. Нейтрализуется щелочами.

Применяется как компонент флюсов в металлургии, составная часть минеральных удобрений.

Уравнения важнейших реакций:

2KHSO₄ = K₂SO₄ + H₂SO₄ (до 240 °C)

2KHSO₄ = K₂S₂O₇ + Н₂O (320–340 °C)

KHSO₄ (разб.) + КОН (конц.) = K₂SO₄ + Н₂O KHSO₄ + КCl = K₂SO₄ + НCl (450–700 °C)

6KHSO₄ + М₂O₃ = 2KM(SO₄)₂ + 2K₂SO₄ + 3H₂O (350–500 °C, M = Al, Cr)

Получение: обработка сульфата калия концентрированной (более чем 6O%-ной) серной кислотой на холоду:

K₂SO₄ + H₂SO₄ (конц.) = 2KHSO₄

Сульфат кальция CaSO₄. Оксосоль. Белый, весьма гигроскопичный, тугоплавкий, при прокаливании разлагается. Природный CaSO₄ встречается в виде очень распространенного минерала гипс CaSO₄ 2Н₂O. При 130 °C гипс теряет часть воды и переходит в жжёный (штукатурный) гипс 2CaSO₄ • Н₂O (техническое название алебастр). Полностью обезвоженный (200 °C) гипс отвечает минералу ангидрит CaSO₄. Малорастворим в воде (0,206 г/100 г Н₂O при 20 °C), растворимость уменьшается при нагревании. Реагирует с H₂SO₄ (конц.). Восстанавливается коксом при сплавлении. Определяет большую часть «постоянной» жесткости пресной воды (подробнее см. 9.2).

Уравнения важнейших реакций: 100–128 °C

Применяется как сырье в производстве SO₂, H₂SO₄ и (NH₄)₂SO₄, как флюс в металлургии, наполнитель бумаги. Приготовленный из жженого гипса вяжущий строительный раствор «схватывается» быстрее, чем смесь на основе Са(ОН)₂. Затвердевание обеспечивается связыванием воды, образованием гипса в виде каменной массы. Используется жженый гипс для изготовления гипсовых слепков, архитектурно-декоративных форм и изделий, перегородочных плит и панелей, каменных полов.

Сульфат алюминия-калия KAl(SO₄)₂. Двойная оксосоль. Белый, гигроскопичный. При сильном нагревании разлагается. Образует кристаллогидрат — алюжокалиевые квасцы. Умеренно растворим в воде, гидролизуется по катиону алюминия. Реагирует со щелочами, гидратом аммиака.

Применяется как протрава при крашении тканей, дубитель кож, коагулянт при очистке пресной воды, компонент составов для проклеивания бумаги, наружное кровоостанавливающее средство в медицине и косметологии. Образуется при совместной кристаллизации сульфатов алюминия и калия.

Уравнения важнейших реакций:

Сульфат хрома(III) – калия KCr(SO₄)₂. Двойная оксосоль. Красный (гидрат темно-фиолетовый, техническое название хрожокалиевые квасцы). При нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в воде (серо-синяя окраска раствора отвечает аквакомплексу [Cr(Н₂O)₆]³⁺), гидролизуется по катиону хрома(III). Реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Слабый окислитель и восстановитель. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественные реакции на ион Cr³⁺ – восстановление до Cr²⁺ или окисление до желтого CrO₄^2-.

Применяется как дубитель кож, протрава при крашении тканей, реактив в фотографии. Образуется при совместной кристаллизации сульфатов хрома(III) и калия. Уравнения важнейших реакций:

Сульфат марганца (II) MnSO₄. Оксосоль. Белый, при прокаливании плавится и разлагается. Кристаллогидрат MnSO₄ 5Н₂O – красно-розовый, техническое название марганцевый купорос. Хорошо растворим в воде, светло-розовая (почти бесцветная) окраска раствора отвечает аквакомплексу [Mn(Н₂O)₆]²⁺; гидролизуется по катиону. Реагирует со щелочами, гидратом аммиака. Слабый восстановитель, реагирует с типичными (сильными) окислителями.

Качественные реакции на ион Mn²⁺ – конмутация с ионом MnO₄ и исчезновение фиолетовой окраски последнего, окисление Mn²⁺ до MnO₄ и появление фиолетовой окраски.

Применяется для получения Mn, MnO₂ и других соединений марганца, как микроудобрение и аналитический реагент.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

2MnO₂ + 2H₂SO₄ (конц.) = 2MnSO₄ + O₂? + 2H₂O (100 °C)

Сульфат железа (II) FeSO₄. Оксосоль. Белый (гидрат светло-зеленый, техническое название железный купорос), гигроскопичный. Разлагается при нагревании. Хорошо растворим в воде, в малой степени гидролизуется по катиону. Быстро окисляется в растворе кислородом воздуха (раствор желтеет и мутнеет). Реагирует с кислотами-окислителями, щелочами, гидратом аммиака. Типичный восстановитель.

Применяется как компонент минеральных красок, электролитов в гальванотехнике, консервант древесины, фунгицид, лекарственное средство против анемии. В лаборатории чаще берется в виде двойной соли Fe(NH₄)₂(SO₄)₂ 6Н₂O (соль Мора), более устойчивой к действию воздуха.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

Fe + H₂SO₄ (разб.) = FeSO₄ + H₂?

FeCO₃ + H₂SO₄ (разб.) = FeSO₄ + CO₂? + H₂O

7.4. Неметаллы VA-группы

7.4.1. Азот. Аммиак

Азот – элемент 2-го периода и VA-группы Периодической системы, порядковый номер 7. Электронная формула атома [₂He]2s²2p³, характерные степени окисления 0, -III, +III и +V, реже +II, +IV и др.; состояние N^v считается относительно устойчивым.

Шкала степеней окисления азота:

Азот обладает высокой электроотрицательностью (3,07), третий после F и О. Проявляет типичные неметаллические (кислотные) свойства. Образует различные кислородсодержащие кислоты, соли и бинарные соединения, а также катион аммония NH₄⁺ и его соли.

В природе – семнадцатый по химической распространенности элемент (девятый среди неметаллов). Жизненно важный элемент для всех организмов.

Азот N₂. Простое вещество. Состоит из неполярных молекул с очень устойчивой ???-связью N ? N, этим объясняется химическая инертность азота при обычных условиях. Бесцветный газ без вкуса и запаха, конденсируется в бесцветную жидкость (в отличие от O₂).

Главная составная часть воздуха: 78,09 % по объему, 75,52 % по массе. Из жидкого воздуха азот выкипает раньше кислорода O₂. Малорастворим в воде (15,4 мл/1 л Н₂O при 20 °C), растворимость азота меньше, чем у кислорода.

При комнатной температуре N₂ реагирует только с литием (во влажной атмосфере), образуя нитрид лития Li₃N, нитриды других элементов синтезируют при сильном нагревании:

N₂ + 3Mg = Mg₃N₂ (800 °C)

В электрическом разряде N₂ реагирует с фтором и в очень малой степени – с кислородом:

Обратимая реакция получения аммиака протекает при 500 °C, под давлением до 350 атм и обязательно в присутствии катализатора (Fe/F₂O₃/FeO, в лаборатории Pt):

В соответствии с принципом Ле-Шателье увеличение выхода аммиака должно происходить при повышении давления и понижении температуры. Однако скорость реакции при низких температурах очень мала, поэтому процесс ведут при 450–500 °C, достигая 15 %-ного выхода аммиака. Непрореагировавшие N₂ и Н₂ возвращают в реактор и тем самым увеличивают степень протекания реакции.

Азот химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам, не поддерживает горения.

Получение в промышленности – фракционная дистилляция жидкого воздуха или удаление из воздуха кислорода химическим путем, например по реакции 2С (кокс) + O₂ = 2СО при нагревании. В этих случаях получают азот, содержащий также примеси благородных газов (главным образом аргон).

В лаборатории небольшие количества химически чистого азота можно получить по реакции конмутации при умеренном нагревании:

N^-IIIH₄N^IIIO_2(т) = N₂⁰ + 2H₂O (60–70 °C)

NH₄Cl_(p) + KNO_2(p) = N₂⁰? + KCl + 2H₂O (100 °C)

Применяется для синтеза аммиака, азотной кислоты и других азотсодержащих продуктов, как инертная среда проведения химических и металлургических процессов и хранения огнеопасных веществ.

Аммиак NH₃. Бинарное соединение, степень окисления азота равна – III. Бесцветный газ с резким характерным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: N(H)₃)] (sр³-гибридизация). Наличие у азота в молекуле NH₃ донорной пары электронов на sр³-гибридной орбитали обусловливает характерную реакцию присоединения катиона водорода, при этом образуется катион аммония NH₄⁺. Сжижается под избыточным давлением при комнатной температуре. В жидком состоянии ассоциирован за счет водородных связей. Термически неустойчив. Хорошо растворим в воде (более 700 л/1 л Н₂O при 20 °C); доля в насыщенном растворе равна = 34 % по массе и = 99 % по объему, рН = 11,8.

Весьма реакционноспособный, склонен к реакциям присоединения. Crорает в кислороде, реагирует с кислотами. Проявляет восстановительные (за счет N^-III) и окислительные (за счет Н^I) свойства. Осушается только оксидом кальция.

Качественные реакции – образование белого «дыма» при контакте с газообразным НCl, почернение бумажки, смоченной раствором Hg₂(NO₃)₂.

Промежуточный продукт при синтезе HNO₃ и солей аммония. Применяется в производстве соды, азотных удобрений, красителей, взрывчатых веществ; жидкий аммиак – хладагент. Ядовит.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: в лаборатории – вытеснение аммиака из солей аммония при нагревании с натронной известью (NaOH + СаО):

или кипячение водного раствора аммиака с последующим осушением газа.

В промышленности аммиак синтезируют из азота (см.) с водородом. Выпускается промышленностью либо в сжиженном виде, либо в виде концентрированного водного раствора под техническим названием аммиачная вода.

Гидрат аммиака NH₃ Н₂O. Межмолекулярное соединение. Белый, в кристаллической решетке – молекулы NH₃ и Н₂O, связанные слабой водородной связью H₃N… НОН. Присутствует в водном растворе аммиака, слабое основание (продукты диссоциации – катион NH₄^- и анион ОН^-). Катион аммония имеет правильно-тетраэдрическое строение (sp³-гибридизация). Термически неустойчив, полностью разлагается при кипячении раствора. Нейтрализуется сильными кислотами. Проявляет восстановительные свойства (за счет N^III) в концентрированном растворе. Вступает в реакции ионного обмена и комплексообразования.

Качественная реакция – образование белого «дыма» при контакте с газообразным НCl.

Применяется для создания слабощелочной среды в растворе, при осаждении амфотерных гидроксидов.

В 1М растворе аммиака содержится в основном гидрат NH₃ Н₂O и лишь 0,4 % ионов NH₄⁺ и ОН^- (за счет диссоциации гидрата); таким образом, ионный «гидроксид аммония NH₄OH» практически не содержится в растворе, нет такого соединения и в твердом гидрате. Уравнения важнейших реакций:

NH₃ Н₂O (конц.) = NH₃? + Н₂O (кипячение с NaOH)

NH₃ Н₂O + НCl (разб.) = NH₄Cl + Н₂O

3(NH₃ Н₂O) (конц.) + CrCl₃ = Cr(OH)₃? + 3NH₄Cl

8(NH₃ Н₂O) (конц.) + ЗBr_2(р) = N₂? + 6NH₄Br + 8Н₂O (40–50 °C)

2(NH₃ Н₂O) (конц.) + 2КMnO₄ = N₂? + 2MnO₂? + 4Н₂O + 2КОН

4(NH₃ Н₂O) (конц.) + Ag₂O = 2[Ag(NH₃)₂]OH + 3H₂O

4(NH₃ Н₂O) (конц.) + Cu(OH)₂ + [Cu(NH₃)₄](OH)₂ + 4Н₂O

6(NH₃ Н₂O) (конц.) + NiCl₂ = [Ni(NH₃)₆]Cl₂ + 6Н₂O

Разбавленный раствор аммиака (3—10 %-ный) часто называют нашатырным спиртом (название придумано алхимиками), а концентрированный раствор (18,5—25 %-ный) – аммиачной водой (выпускается промышленностью).

7.4.2. Оксиды азота. Азотная кислота

Монооксид азота NO. Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ. Радикал, содержит ковалентную ??-связь ( N=O), в твердом состоянии димер N₂O₂ со связью N – N. Чрезвычайно термически устойчив. Чувствителен к кислороду воздуха (буреет). Мало растворим в воде и не реагирует с ней. Химически пассивен по отношению к кислотам и щелочам. При нагревании реагирует с металлами и неметаллами. Весьма реакционноспособна смесь NO и NO₂ («нитрозные газы»). Промежуточный продукт в синтезе азотной кислоты.

Уравнения важнейших реакций:

2NO + O₂ (изб.) = 2NO₂ (20 °C)

2NO + С (графит) = N₂ + СO₂ (400–500 °C)

lONO + 4Р (красн.) = 5N₂ + 2Р₂O₅ (150–200 °C)

2NO + 4Cu = N₂ + 2Cu₂O (500–600 °C)

Реакции смеси NO и NO₂:

NO + NO₂ + Н₂O = 2HNO_2(p)

NO + NO₂ + 2KOH (разб.) = 2KNO₂ + H₂O

NO + NO₂ + Na₂CO₃ = 2NaNO₂ + CO₂ (450–500 °C)

Получение: в промышленности – окисление аммиака (см.) кислородом на катализаторе, в лаборатории – взаимодействие разбавленной азотной кислоты с восстановителями:

8HNO₃ (хол.) + 6Hg = 3Hg₂(NO₃)₂ + 2NO? + 4Н₂O

или восстановление нитритов:

2NaNO₂ + 2H₂SO₄ (разб.) + 2NaI = 2NO? + I₂? + 2H₂O + 2Na₂SO₄

Диоксид азота NO₂. Кислотный оксид, условно отвечает двум кислотам – HNO₂ и HNO₃ (кислота для N^IV не существует). Бурый газ, при комнатной температуре мономер NO₂, на холоду жидкий бесцветный димер N₂O₄ (тетраоксид диазота). Молекула NO₂ – радикал со строением незавершенного треугольника [-N(O)₂] (sр²-гибридизация) с ковалентными ?, ?-связями N=O. Молекула N₂O₄ содержит очень длинную связь N – N (175 пм), которая легко разрывается при температуре выше комнатной (в интервале 20,7—135,0 °C). Полностью реагирует с водой, щелочами. Очень сильный окислитель, вызывает коррозию металлов. Усиливает химическую активность NO (см.). Применяется для синтеза азотной кислоты и безводных нитратов, как окислитель ракетного топлива, очиститель нефти от серы и катализатор окисления органических соединений. Ядовит. Уравнения важнейших реакций:

Получение: в промышленности – окисление NO (см.) кислородом воздуха, в лаборатории – взаимодействие концентрированной азотной кислоты с восстановителями:

6HNO₃ (конц., гор.) + S = H₂SO₄ + 6NO₂? + 2Н₂O

5HNO₃ (конц., гор.) + Р (красн.) = Н₃РO₄ + 5NO₂? + Н₂O

2HNO₃ (конц., гор.) + SO₂ = H₂SO₄ + 2NO₂?

Оксид диазота N₂O. Бесцветный газ с приятным запахом («веселящий газ»), N=N=O, формальная степень окисления азота +I, плохо растворим в воде. Поддерживает горение графита и магния:

2N₂O + С = СO₂ + 2N₂ (450 °C)

N₂O + Mg = N₂ + MgO (500 °C)

Получают термическим разложением нитрата аммония:

NH₄NO₃ = N₂O + 2Н₂O (195–245 °C)

Применяется в медицине как анестезирующее средство.

Триоксид диазота N₂O₃. При низких температурах – синяя жидкость, ON=NO₂, формальная степень окисления азота +III. При 20 °C на 90 % разлагается на смесь бесцветного NO и бурого NO₂ («нитрозные газы», промышленный дым – «лисий хвост»). N₂O₃ – кислотный оксид, на холоду с водой образует HNO₂, при нагревании реагирует иначе:

3N₂O₃ + Н₂O = 2HNO₃ + 4NO?

Со щелочами дает соли HNO₂, например NaNO₂.

Получают взаимодействием NO с O₂ (4NO + 3O₂ = 2N₂O₃) или с NO₂ (NO + NO₂ = N₂O₃) при сильном охлаждении. «Нитрозные газы» ядовиты и экологически опасны, действуют как катализаторы разрушения озонового слоя атмосферы.

Пентаоксид диазота N₂O₅. Бесцветное твердое вещество, O₂N – О—NO₂, степень окисления азота +V. При комнатной температуре за 10 ч разлагается на NO₂ и O₂. Реагирует с водой и щелочами как кислотный оксид:

N₂O₅ + Н₂O = 2HNO₃

N₂O₅ + 2NaOH = 2NaNO₃ + H₂O

Получают дегидратацией дымящей азотной кислоты:

2HNO₃ + Р₂O₅ = N₂O₅ + 2НРO₃

или окислением NO₂ озоном при -78 °C:

2NO₂ + O₃ = N₂O₅ + O₂

Азотная кислота HNO₃. Оксокислота. Бесцветная жидкость. Молекула имеет искаженно-треугольное строение [N(O)₂(OH)] (sp²– гибридизация), содержит ковалентные ??-связи N=O и о-связь N – ОН. Разлагается при стоянии на свету (желтеет). Хорошо растворяет оксиды азота (красно-бурая «дымящая» кислота, плотность 1,56 г/мл). Неограниченно смешивается с водой, перегоняется при обычных условиях в виде азеотропной смеси (массовая доля кислоты 68,4 %, плотность 1,41 г/мл, температура кипения 120,7 °C), образует гидрат HNO₃ Н₂O (точнее, H₃NO₄ – ортоазотная кислота).

Сильная кислота в растворе, ион NO₃^- имеет строение правильного треугольника (sр²-гибридизация). Нейтрализуется щелочами и гидратом аммиака. Реагирует с основными и амфотерными оксидами и гидроксидами, вытесняет слабые кислоты из их солей. Сильный окислитель в концентрированном растворе (за счет N^v). Образует смесь продуктов восстановления азота – от N^IVO₂ до N^-IIIН₄⁺, в зависимости от концентрации кислоты и силы восстановителя в этой смеси преобладают разные продукты (условно для концентрированной кислоты указывают NO₂, для разбавленной – NO, для очень разбавленной – NH₄⁺).

Концентрированная кислота пассивирует Al, Be, Bi, Со, Cr, Fe, Ni и Pb, не реагирует с Au и Pt. Смесь HNO₃ (конц.) и НCl (конц.) – «царская водка» – обладает еще более сильным окислительным действием: переводит в раствор золото и платину. Нитрующим началом HNO₃ в ее реакциях с органическими веществами является ион NO₂⁺ (нитроил).

В отличие от самой кислоты HNO₃ ее соли — нитраты проявляют сильные окислительные свойства только при сплавлении за счет выделяющегося кислорода. При нагревании нитраты разлагаются по-разному, в зависимости от положения металла в ряду напряжений:

Применяется азотная кислота для производства минеральных удобрений, взрывчатых веществ, нитратов металлов, органических нитропроизводных, искусственных волокон и пластмасс, красителей, лекарственных препаратов.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: промышленный синтез состоит из следующих этапов:

N₂ + Н₂ -> NH₃ -> NO -> NO₂ -> HNO₃ -> HNO₃,

а именно: производство аммиака (см.), каталитическое окисление аммиака (см.) до NO, перевод NO (см.) в NO₂, поглощение смеси NO₂ и O₂ водой (см.).

7.4.3. Нитриты. Нитраты

Нитрит калия KNO₂. Оксосоль. Белый, гигроскопичный. Плавится без разложения. Устойчив в сухом воздухе. Очень хорошо растворим в воде (образуется бесцветный раствор), гидролизуется по аниону. Типичный окислитель и восстановитель в кислотной среде, очень медленно реагирует в щелочной среде. Вступает в реакции ионного обмена. Качественные реакции на ион NO₂^- – обесцвечивание фиолетового раствора MnO₄ и появление черного осадка при добавлении ионов I^-. Применяется в производстве красителей, как аналитический реагент на аминокислоты и иодиды, компонент фотографических реактивов.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности – восстановлением калийной селитры в процессах:

KNO₃ + Pb = KNO₂ + PbO (350–400 °C)

KNO₃ (конц.) + Pb (губка) + Н₂O = KNO₂ + Pb(OH)₂?

2KNO₃ + СаО + SO₂ = 2KNO₂ + CaSO₄ (300 °C)

Нитрат калия KNO₃. Оксосоль. Техническое название калийная, или индийская, селитра. Белый, плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Устойчив на воздухе. Хорошо растворим в воде (с высоким эндо-эффектом, Q = -36 кДж), гидролиза нет. Сильный окислитель при сплавлении (за счет выделения атомарного кислорода). В растворе восстанавливается только атомарным водородом (в кислотной среде до KNO₂, в щелочной среде до NH₃).

Применяется в производстве стекла, как консервант пищевых продуктов, компонент пиротехнических смесей и минеральных удобрений.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: в промышленности

4KOH (гор.) + 4NO₂ + O₂ = 4KNO₃ + 2Н₂O

и в лаборатории:

КCl + AgNO₃ = KNO₃ + AgCl?

7.4.4. Фосфор

Фосфор – элемент 3-го периода и VA-группы Периодической системы, порядковый номер 15. Электронная формула атома [₁₀Ne]3s²3p³, устойчивая степень окисления в соединениях +V.

Шкала степеней окисления фосфора:

Электроотрицательность фосфора (2,32) значительно ниже, чем у типичных неметаллов, и немного выше, чем у водорода. Образует различные кислородсодержащие кислоты, соли и бинарные соединения, проявляет неметаллические (кислотные) свойства. Большинство фосфатов нерастворимы в воде.

В природе – тринадцатый по химической распространенности элемент (шестой среди неметаллов), встречается только в химически связанном виде. Жизненно важный элемент.

Недостаток фосфора в почве восполняется введением фосфорных удобрений – главным образом суперфосфатов.

Красный и белый фосфор Р. Известно несколько аллотропных форм фосфора в свободном виде, главные – это белый фосфор Р₄ и красный фосфор Р_n. В уравнениях реакций аллотропные формы представляют как Р (красн.) и Р (бел.).

Красный фосфор состоит из полимерных молекул Р_n разной длины. Аморфный, при комнатной температуре медленно переходит в белый фосфор. При нагревании до 416 °C возгоняется (при охлаждении пара конденсируется белый фосфор). Нерастворим в органических растворителях. Химическая активность ниже, чем у белого фосфора. На воздухе загорается только при нагревании.

Применяется как реагент (более безопасный, чем белый фосфор) в неорганическом синтезе, наполнитель ламп накаливания, компонент намазки коробка при изготовлении спичек. Не ядовит.

Белый фосфор состоит из молекул Р₄. Мягкий как воск (режется ножом). Плавится и кипит без разложения (t_пл 44,14 °C, t_кип 287,3 °C, ? 1,82 г/см³). Окисляется на воздухе (зеленое свечение в темноте), при большой массе возможно самовоспламенение. В особых условиях переводится в красный фосфор. Хорошо растворим в бензоле, эфирах, сероуглероде. Не реагирует с водой, хранится под слоем воды. Чрезвычайно химически активен. Проявляет окислительно-восстановительные свойства. Восстанавливает благородные металлы из растворов их солей.

Применяется в производстве Н₃РO₄ и красного фосфора, как реагент в органических синтезах, раскислитель сплавов, зажигательное средство. Горящий фосфор следует гасить песком (но не водой!). Чрезвычайно ядовит.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности – восстановление фосфорита раскаленным коксом (песок добавляют для связывания кальция):

Са₃(РO₄)₂ + 5С + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + 2Р + 5СО (1000 °C)

Пар фосфора охлаждают и получают твердый белый фосфор.

Красный фосфор готовят из белого фосфора (см. выше), в зависимости от условий степень полимеризации n (Р_n) может быть различной.

Фосфин РН₃. Бинарное соединение, степень окисления фосфора равна – III. Бесцветный газ с неприятным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: Р(Н)₃] (sр³-гибридизация). Мало растворим в воде, не реагирует с ней (в отличие от NH₃). Сильный восстановитель, сгорает на воздухе, окисляется в HNO₃ (конц.). Присоединяет HI. Применяется для синтеза фосфорорганических соединений. Сильно ядовит.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в лаборатории:

Са₃Р₂ + 6НCl (разб.) = ЗСаCl₂ + 2РН₃?

Оксид фосфора (V) Р₂O₅. Кислотный оксид. Белый, термически устойчивый. В твердом и газообразном состояниях димер Р₄О₁₀ со строением из четырех тетраэдров [O=Р(O)₃], связанных по трем вершинам (Р – О—Р). При очень высоких температурах мономеризуется до Р₂O₅. Существует также стеклообразный полимер (Р₂O₅)_n. Чрезвычайно гигроскопичен, энергично реагирует с водой, щелочами. Восстанавливается белым фосфором. Отнимает воду у кислородсодержащих кислот.

Применяется как весьма эффективный дегидратирующий агент для осушения твердых веществ, жидкостей и газовых смесей, реагент в производстве фосфатных стекол, катализатор полимеризации алкенов. Ядовит.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: сжигание фосфора (см.) в избытке сухого воздуха.

Ортофосфорная кислота Н₃РO₄. Оксокислота. Белое вещество, гигроскопичное, конечный продукт взаимодействия Р₂O₅ с водой. Молекула имеет строение искаженного тетраэдра [Р(O)(OН)₃] (sр³-гибридизация), содержит ковалентные ?-связи Р – ОН и ?, ?-связь Р=O. Плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворяется в воде (548 г/100 г Н₂O). Слабая кислота в растворе, нейтрализуется щелочами, не полностью – гидратом аммиака. Реагирует с типичными металлами. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция – выпадение желтого осадка ортофосфата серебра (I). Применяется в производстве минеральных удобрений, для осветления сахарозы, как катализатор в органическом синтезе, компонент антикоррозионных покрытий на чугуне и стали.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности: кипячение фосфоритной руды в серной кислоте:

Са₃(РO₄)₂ + 3H₂SO₄ (конц.) = 2Н₃РO₄ + 3CaSO₄?

Ортофосфат натрия Na₃PO₄. Оксосоль. Белый, гигроскопичный. Плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону, создает в растворе сильнощелочную среду. Реагируется в растворе с цинком и алюминием. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион РO₄^3- – образование желтого осадка ортофосфата серебра (I).

Применяется для устранения «постоянной» жесткости пресной воды, как компонент моющих средств и фотопроявителей, реагент в синтезе каучука. Уравнения важнейших реакций:

Na₃PO₄ 12Н₂O = Na₃PO₄ + 12Н₂O (200 °C, вакуум)

2РО₄^3- (конц.) + 8Н₂O + 2Al = 2[Al(ОН)₄]^- + 2НРО₄^2- + ЗН₂?

2РО₄^3- (конц.) + 4Н₂O + Zn = [Zn(OH)₄]^2- + 2HPO₄^2- + Н₂?

2РО₄^3- (разб.) + ЗСа²⁺ = Са₃(РO₄)₂?

РО₄^3- (разб.) + 3Ag⁺ = Ag₃PO₄? (желт.)?

Получение: полная нейтрализация Н₃РO₄ (см.) гидроксидом натрия или по реакции:

2Н₃РO₄ + 3Na₂CO₃ = 2Na₃PO₄ + 3CO₂? + 3H₂O

Гидроортофосфат натрия Na₂HPO₄. Кислая оксосоль. Белый, при умеренном нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону. Реагирует с Н₃РO₄ (конц.), нейтрализуется щелочами. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион НРО₄^2- – образование желтого осадка ортофосфата серебра (I).

Применяется как эмульгатор при сгущении коровьего молока, компонент пищевых пастеризаторов и фотоотбеливателей.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: неполная нейтрализация Н₃РO₄ гидроксидом натрия в разбавленном растворе:

2NaOH + Н₃РO₄ = Na₂HPO₄ + 2Н₂O

Дигидроортофосфат натрия NaH₂PO₄. Кислая оксосоль. Белый, гигроскопичный. При умеренном нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в воде, анион Н₂РO₄ подвергается обратимой диссоциации. Нейтрализуется щелочами. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион Н₂РO₄ – образование желтого осадка ортофосфата серебра(I).

Применяется в производстве стекла, для защиты стали и чугуна от коррозии, как умягчитель воды.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: неполная нейтрализация Н₃РO₄ едким натром:

Н₃РO₄ (конц.) + NaOH (разб.) = NaH₂PO₄ + Н₂O

Ортофосфат кальция Са₃(РO₄)₂. Оксосоль. Белый, тугоплавкий, термически устойчивый. Нерастворим в воде. Разлагается концентрированными кислотами. Восстанавливается коксом при сплавлении. Основной компонент фосфоритных руд (апатиты и др.).

Применяется для получения фосфора, в производстве фосфорных удобрений (суперфосфаты), керамики и стекла, осажденный порошок – как компонент зубных паст и стабилизатор полимеров.

Уравнения важнейших реакций:

Са₃(РO₄)₂ + 2H₂SO₄ (60 %) = Са(Н₂РO₄)₂? + 2CaSO₄? (до 50 °C)

Са₃(РO₄)₂ + 4Н₃РO₄ (40 %) = ЗСа(Н₂РO₄)₂? (примесь СаНРO₄)

Са₃(РO₄)₂ + 5С + 3SiO₂ = 3CaSiO₃ + 2Р + 5СО (1000 °C)

Смесь Са(Н₂РO₄)₂ и CaSO₄ называется простым суперфосфатом, Са(Н₂РO₄)₂ с примесью СаНРO₄ — двойным суперфосфатом, они легко усваиваются растениями при подкормке.

Наиболее ценные удобрения — аммофосы (содержат азот и фосфор), представляют собой смесь аммонийных кислых солей NH₄H₂PO₄ и (NH₄)₂HPO₄.

Хлорид фосфора (V) РCl₅. Бинарное соединение. Белый, летучий, термически неустойчивый. Молекула имеет строение тригональной бипирамиды (sр³d-гибридизация). В твердом состоянии димер Р₂Cl₁₀ с ионным строением РCl₄⁺[РCl₆]^-. «Дымит» во влажном воздухе. Весьма реакционноспособный, полностью гидролизуется водой, реагирует со щелочами. Восстанавливается белым фосфором. Применяется как хлорагент в органическом синтезе. Ядовит.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: хлорирование фосфора.

7.5. Неметаллы IVA-группы

7.5.1. Углерод в свободном виде

Углерод – элемент 2-го периода и IVA-группы Периодической системы, порядковый номер 6. Химия углерода – это в основном химия органических соединений; неорганических производных углерода не так много. Электронная формула атома [₃He]2s²2p², характерные степени окисления 0, -IV, +II и +IV, состояние C^IV считается устойчивым.

Шкала степеней окисления углерода:

Углерод имеет среднюю для неметаллов электроотрицательность (2,50), проявляет неметаллические (кислотные) свойства. Неорганические углеродсодержащие вещества – оксиды, угольная кислота и ее соли, бинарные соединения; органические вещества – практически неограниченное число соединений с водородом (углеводороды) и их производных, содержащих различные по длине цепи и циклы атомов углерода.

В природе – одиннадцатый по химической распространенности элемент (четвертый среди неметаллов). Встречается в самородном состоянии (алмаз, графит) и в виде соединений. Жизненно важный элемент для всех организмов.

Аллотропные формы углерода С. В свободном виде углерод существует в виде четырех аллотропных модификаций: графит, алмаз, карбин и фуллерен.

Г р а ф и т – устойчивая аллотропная форма существования элемента. Серо-черный, с металлическим блеском, жирный на ощупь, мягкий, обладает электропроводимостью. Кристаллическая решетка состоит из слоев правильных шестиугольных колец, конденсированных по всем сторонам за счет оя-связей (вр²-гибридизация). Реагирует с водяным паром, кислотами-окислителями. Типичный восстановитель при сплавлении, реагирует с кислородом, оксидами металлов и солями. Восстанавливается водородом и металлами.

Для графита характерно образование множества карбидов – солеобразных (СаС₂, Al₄С₃), ковалентных (карборунд SiC), металлоподобных (имеющих нестехиометрический состав, например цементит Fe₃C). Солеобразные карбиды полностью гидролизуются в воде.

Применяется как конструкционный материал, основа угольных электродов, замедлитель нейтронов в ядерных реакторах, кокс – восстановитель в металлургии и химической технологии, сажа – наполнитель резины.

Алмаз содержит в узлах кристаллической решетки атомы С с тетраэдрическим окружением (sр³-гибридизация, р 3,52 г/см³). Благородный камень, имеет наибольшую твердость среди природных веществ. Химическая активность ниже, чем у графита. Выше 1200 °C переходит в графит. В чистом состоянии алмазы – прозрачные бесцветные кристаллы с сильным преломляющим эффектом. После обработки природных алмазов (огранка, шлифовка) получают ювелирные драгоценные камни — бриллианты. Менее чистые алмазы обычно окрашенные и мутные, например серо-голубой и черный (карбонадо).

В промышленности из графита при 2000 °C под очень высоким давлением получают мелкие кристаллы искусственных алмазов. Применяются они для изготовления режущих инструментов и точных измерительных приборов.

Карбин состоит из линейных макромолекул (С₂)_n со строением —C?C– или =C=C= (sр-гибридизация, ? 3,27 г/см³). Химически менее активен, чем графит. При 2300 °C переходит в графит. Прозрачен и бесцветен, полупроводник. Широкого применения не имеет, очень редко встречается в природе.

Фуллерен состоит из молекул C₆₀ или C₇₀ (полые сферы; sр²-гибридизация, ? 1,7 г/см³, температура плавления 500–600 °C для С₆₀), термически устойчив до 900– 1000 °C.

Темноокрашенный порошок, растворим в гексане (темно-красный раствор для С₆₀ темно-оранжевый для С₇₀), полупроводник. Химические свойства изучены мало. Получают фуллерен, испаряя графит в атмосфере гелия при пониженном давлении. Обнаружен в природе. Возможное использование в будущем – основа сверхпроводящих материалов.

Ниже рассматриваются свойства графита как самой распространенной и химически активной формы углерода.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: искусственные формы графита — кокс и сажа образуются при пиролизе каменного угля и углеводородов.

7.5.2. Оксиды углерода

Монооксид углерода СО. Несолеобразующий оксид. Бесцветный газ, без запаха, легче воздуха. Молекула слабополярна, содержит ковалентную тройную ???-связь [:C?O;], изоэлектронна молекуле N₂. Термически устойчив. Малорастворим в воде и не реагирует с ней. Химически пассивен в обычных условиях, не реагирует с кислотами и щелочами. Сильный восстановитель при высокой температуре и при наличии катализаторов. Вступает в реакции присоединения с кислородом и пероксидом натрия. С переходными металлами образует комплексные соединения без внешней сферы (карбонилы). Количественно реагирует с I₂O₅.

Качественная реакция – помутнение раствора хлорида палладия(II).

Применяется как реагент в органическом синтезе, промышленно важный восстановитель металлов из их руд.

Чрезвычайно ядовит, загрязняет атмосферу городов (продукт неполного сгорания моторного топлива). По тому же механизму, что и кислород, СО присоединяется к атому железа в гемоглобине крови, причем связывается более прочно и тем самым блокирует перенос кислорода в организме, вызывая сильное отравление и остановку дыхания; отсюда тривиальное название СО — угарный газ.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности: сжигание кокса (см.) при недостатке кислорода, восстановление раскаленным коксом углекислого газа и водяного пара:

Диоксид углерода СO₂. Кислотный оксид. Техническое название — углекислый газ. Бесцветный газ, без запаха, в 1,5 раза тяжелее воздуха (можно «переливать» из сосуда в сосуд). Молекула неполярна, имеет линейное строение [С(O)₂] (sр-гибридизация), содержит ковалентные ??-связи С=O. Термически устойчив до температуры красного каления. При сжатии (давление = 50 атм) и охлаждении легко переходит в жидкое и твердое («сухой лед») состояния.

Твердый СO₂ возгоняется уже при низких температурах. Мало растворим в воде (O,88 л/1 л Н₂O при 20 °C); образует моногидрат, который медленно изомеризуется (на 0,4 %) в угольную кислоту. Реагирует со щелочами. Восстанавливается магнием и кальцием. Из воздуха удаляется при контакте с пероксидом натрия (одновременно регенерируется кислород).

Простейшая качественная реакция – угасание горящей древесной лучинки в атмосфере СO₂.

Применяется в многотоннажных производствах соды, сахара и карбамида, в пищевой промышленности для газирования безалкогольных напитков и как хладагент.

Содержится в воздухе (0,03 % по объему), воде минеральных источников. Не поддерживает горение и дыхание. Ассимилируется зелеными растениями при фотосинтезе (с помощью хлорофилла и под воздействием солнечных лучей). Ядовит при содержании в воздухе свыше 15 % по объему.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности – при полном сгорании кокса (см.) или при обжиге известняка:

СаСO₃ = СаО + СO₂ (900—1200 °C)

в лаборатории – при обработке карбонатов (например, кусочков мрамора СаСO₃) сильными кислотами:

СаСO_3(т) + H₂SO₄ = CaSO₄? + Н₂O + CO₂?

7.5.3. Карбонаты

Карбонат натрия Na₂CO₃. Оксосоль. Техническое название кальцинированная сода. Белый, при нагревании плавится и разлагается. Чувствителен к влаге и углекислому газу в воздухе. Образует декагидрат (кристаллическая сода). Хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону, создает в растворе сильнощелочную среду. Разлагается сильными кислотами. Восстанавливается коксом. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион СО₃^2- – образование белого осадка карбоната бария, разлагаемого сильными кислотами (НCl, HNO₃) с выделением углекислого газа.

Применяется для синтеза соединений натрия, устранения «постоянной» жесткости пресной воды, в производстве стекла, мыла и других моющих средств, целлюлозы, минеральных красок, эмалей. В природе содержится в грунтовых рассолах, рапе соляных озер.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности (способ Сольве, 1861–1863):

а) через насыщенный раствор NaCl пропускают смесь NH₃ и СO₂:

NaCl + NH₃ + Н₂O + СO₂ = NH₄Cl + NaHCO₃?

(в этих условиях питьевая сода малорастворима);

б) осадок NaHCO₃ подвергают обезвоживанию (кальцинированию):

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + Н₂O + СO₂

Карбонат калия К₂СO₃. Оксосоль. Техническое название поташ. Белый, гигроскопичный. Плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Чувствителен к влаге и углекислому газу в воздухе. Очень хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону, создает в растворе сильнощелочную среду. Разлагается сильными кислотами. Вступает в реакции ионного обмена.

Применяется в производстве оптического стекла, жидкого мыла, минеральных красок, многих соединений калия, как дегидратирующий агент.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности:

а) нагревание сульфата калия [природное сырье – минералы каинит KMg(SO₄)Cl ЗН₂O и шёнит K₂Mg(SO₄)₂ • 6Н₂O] с гашёной известью Са(ОН)₂ в атмосфере СО (давление = 15 атм):

K₂SO₄ + Са(ОН)₂ + 2СО = 2K(HCOO) + CaSO₄

б) прокаливание формиата калия К(НСОО) на воздухе:

2K(HCOO) + O₂ = К₂СO₃ + Н₂O + СO₂

Гидрокарбонат натрия NaHCO₃. Кислая оксосоль. Техническое название питьевая сода. Белый рыхлый порошок. При слабом нагревании разлагается без плавления, во влажном состоянии начинает разлагаться при комнатной температуре. Умеренно растворим в воде, гидролизуется по аниону в небольшой степени. Разлагается кислотами, нейтрализуется щелочами. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион НСОд – образование белого осадка карбоната бария при действии баритовой воды и разложение осадка сильными кислотами (НCl, HNO₃) с выделением углекислого газа. Применяется в пищевой промышленности, как лекарственное средство.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: насыщение раствора Na₂CO₃ (см.) углекислым газом.

Карбонат кальция СаСO₃. Оксосоль. Распространенное природное вещество, главная составная часть осадочной горной породы – известняка (его разновидности – мел, мрамор, известковый туф, мергель), чистый СаСO₃ в природе – это минерал кальцит. Белый, при прокаливании разлагается, плавится под избыточным давлением СO₂. Нерастворим в воде (= 0,0007 г/100 г Н₂O).

Реагирует с кислотами, солями аммония в горячем растворе, коксом. Переводится в раствор действием избытка углекислого газа с образованием гидрокарбоната Са(НСO₃)₂ (существует только в растворе), который определяет «временную» жесткость пресной воды (вместе с солями магния и железа). Устранение жесткости (умягчение воды) проводится кипячением или нейтрализацией гашёной известью.

Применяется для производства СаО, СO₂, цемента, стекла и минеральных удобрений [в том числе известковой селитры Ca(NO₃)₂ 4Н₂O], как наполнитель бумаги и резины, строительный камень (щебень) и компонент бетона и шифера, в виде осажденного порошка – для изготовления школьных мелков, зубных порошков и паст, смесей для побелки помещений.

Уравнения важнейших реакций:

7.5.4. Кремний

Кремний – элемент 3-го периода и IVA-группы Периодической системы, порядковый номер 14. Электронная формула атома [₁₀Ne]3s²3p². Характерная степень окисления в соединениях +IV.

Шкала степеней окисления кремния:

Электроотрицательность кремния невысока для неметаллов (2,25). Проявляет неметаллические (кислотные) свойства; образует оксиды, кремниевые кислоты, очень большое число солей – силикатов в виде цепей, лент и трехмерных сеток тетраэдров [SiO₄], бинарные соединения. В настоящее время широко развивается химия органических соединений кремния со связями Si – С и кремнийорганических полимеров – силиконов и силиконовых каучуков со связями Si – Si, Si – О и Si – С.

Важнейший элемент неживой природы, второй по химической распространенности. Встречается только в связанном виде. Жизненно важный элемент для многих организмов.

Кремний Si. Простое вещество. Крупнокристаллический – темно-серый, с металлическим блеском, весьма твердый, очень хрупкий, непрозрачный, тугоплавкий, распространенный полупроводник. Кристаллическая решетка – атомная, связи Si – Si очень прочные. Аморфный – белый или желто-коричневый (с примесями, в основном Fe), химически более активен. Устойчив на воздухе (покрыт прочной оксидной пленкой), не реагирует с водой. Реагирует с HF (конц.), щелочами. Окисляется кислородом, хлором. Восстанавливается магнием. Спекается с графитом. Промышленно важным является сплав с железом – ферросилиций (12–90 % Si). Применяется как легирующая добавка в стали и сплавы цветных металлов, компонент полупроводниковых материалов для микроэлектроники, основа силиконов.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности: восстановление SiCl₄ или SiO₂ при прокаливании:

SiCl₄ + 2Zn = Si + 2ZnCl₂

SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO

(последняя реакция может быть осуществлена и в лаборатории, после обработки соляной кислотой остается аморфный кремний).

Диоксид кремния SiO₂. Кислотный оксид. Белый порошок (кварцевый песок) и прозрачные кристаллы, природный продукт окрашен примесями (кремнезём) – в виде обычного песка и камня (кремень). Кристаллическая решетка атомная, каждый атом кремния окружен четырьмя атомами кислорода [Si(O)₄], а каждый атом кислорода – двумя атомами кремния [O(Si)₂]. Имеет несколько кристаллических модификаций (все минералы), важнейшие — кварц, тридимит и кристобалит, редко встречающиеся и искусственно полученные — китит, коэсит, стишовит, меланофлогит, волокнистый кремнезём. Тугоплавкий, при медленном охлаждении расплава образуется аморфная форма – кварцевое стекло (в природе минерал лешательеит). Наиболее химически активна аморфная форма.

Практически не реагирует с водой (из раствора осаждается гидрат SiO₂ nН₂O), распространенными кислотами. Кварцевое стекло разъедается в HF (конц.). Реагирует со щелочами в растворе (образует ортосиликаты) и при сплавлении (продукты — метасиликаты). Легко хлорируется в присутствии кокса. Восстанавливается коксом, магнием, железом (в доменном процессе).

Применяется как промышленное сырье в производстве кремния, обычного, термо– и химически стойкого стекла,

фарфора, керамики, абразивов и адсорбентов, наполнитель резины, смазок, клеев и красок, компонент строительных связующих растворов, в виде монокристаллов кварца – основа генераторов ультразвука и точного хода кварцевых часов. Разновидности кварца (горный хрусталь, розовый кварц, аметист, дымчатый кварц, халцедон, оникс и др.) – драгоценные, полудрагоценные или поделочные камни.

Уравнения важнейших реакций:

Полигидрат диоксида кремния SiO₂ nH₂O. Кремниевые кислоты с переменным содержанием SiO₂ и Н₂O. Белый, аморфный (стекловидный) полимер с цепочечным, ленточным, листовым, сетчатым и каркасным строением. При нагревании постепенно разлагается. Очень мало растворим в воде. Над осадком в растворе существует мономерная слабая ортокремниевая кислота H₄SiO₄ (тетраэдрическое строение, sр³-гибридизация), растворимость 0,00673 г/100 г Н₂O при 20 °C. При стоянии раствора идет поликонденсация и медленно образуются вначале кремниевые кислоты H₆Si₂O₇, H₂Si₂O₅, H₁₀Si₂O₉, затем гидрозоль [H₂SiO₃]_n (золь метакремниевой кислоты) и, наконец, гидрогель SiO₂ • nН₂O (n < 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO₂ • nН₂O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Переводится в раствор действием концентрированных щелочей. По остальным химическим свойствам подобен SiO₂. В природе – минералы опал и халцедон (агат, яшма). Мономерная метакремниевая кислота H₂SiO₃ не получена.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: вытеснение сильной кислотой из раствора силиката, например:

K₂SiO₃ + 2НCl + (n – 1) Н₂O = 2КCl + SiO₂ nН₂O?

Метасиликат натрия Na₂SiO₃. Оксосоль. Белый, при нагревании плавится без разложения. Растворяется в холодной воде (сильный гидролиз по аниону). Концентрированный раствор – коллоидный («жидкое стекло», содержит гидрозоль SiO₂ nН₂O). Разлагается в горячей воде, реагирует с кислотами, щелочами, углекислым газом.

Применяется как компонент шихты в производстве стекла, специальных цементов и бетонов, входит в состав силикатных красок и клея, холодных глазурей, алюмосиликатных катализаторов, при изготовлении бумаги и картона, силикагеля, синтетических цеолитов. Уравнения важнейших реакций:

Получение: сплавление соды с песком

Na₂SiO₃ + SiO₂ = СO₂ + Na₂SiO₃ (1150 °C)

Силикаты. Кремний в степени окисления +IV находится, помимо SiO₂, в весьма многочисленных и часто очень сложных по составу и строению силикат-ионах (так, кроме жетасиликат-иона SiO₃^2- и ортосиликат-иона SiO₄^4- известны ионы Si₂O₇^6-, Si₃O₉^6-, Si₂O₁₀^4- и др.). Для простоты записи все силикаты изображают как содержащие ион SiO₃^2-.

Насыщенный раствор силикатов натрия и калия (вязкое «жидкое стекло») используется как силикатный клей.

Силикаты натрия и кальция входят в состав стекла; его получают сплавлением кварца SiO₂, известняка СаСO₃ и соды Na₂CO₃:

Часто состав стекла выражают через оксиды, например, обычное стекло Na₂O СаО • 6SiO₂.

Среди силикатных минералов отметим глины (алюмосиликаты), очень чистая глина — каолин Al₂O₃ 2SiO₂ • 2Н₂O используется для изготовления фарфора.

Силикаты и алюмосиликаты применяют в промышленности при производстве керамики, цемента, бетона и других строительных материалов.

Тетрахлорид кремния SiCl₄. Бинарное соединение. Бесцветная жидкость, обладает широким интервалом жидкого состояния. Молекула имеет тетраэдрическое строение (sр³-гибридизация). Термически устойчив. «Дымит» во влажном воздухе. Полностью гидролизуется водой. Разлагается щелочами. Восстанавливается водородом, натрием, цинком. Хлорирует оксид алюминия.

Применяется в производстве особо чистого кремния для полупроводниковой техники.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в промышленности – хлорирование кремния или кварцевого песка SiO₂.

Примеры заданий части А

1. Хлор можно собрать

1) в пробирку отверстием вниз

2) в пробирку отверстием вверх

3) над раствором хлорида кальция

4) над водой

2. Пропускают хлор через горячий раствор едкого кали и получают набор продуктов

1) КCl, O₂

2) КCl, КClO

3) КCl, Н₂

4) КClO₃, КCl

3. Возможно протекание реакции в растворе между веществами

1) КBr + I₂ ->…

2) КBr + Cl₂ ->…

3) КCl + I₂ ->…

4) КCl + Br₂ ->…

4. Окислительная способность в ряду O₂ – O₃ – О⁰

1) возрастает

2) убывает

3) не изменяется

4) не знаю

5. При действии концентрированным раствором щелочи на серу образуется набор солей

1) сульфат, сульфид

2) сульфат, сульфит

3) сероводород, серная кислота

4) сульфит, сульфид

6. Концентрированная серная кислота реагирует (по отдельности) с веществами набора

1) KHSO₄, K₂SO₄

2) Fe, Cu(NO₃)₂

3) Ag, SO₂

4) КНСO₃, С (графит)

7. Азот образуется при прокаливании солей

1) NH₄NO₂

2) NH₄HCO₃

3) NH₄NO₃

4) (NH₄)₂Cr₂O₇

8. В уравнении реакции NH₃ + O₂ -> NO +… коэффициент у формулы окислителя равен

1) 6

2) 5

3) 4

4) 3

9. Нельзя проводить осушку газа NH₃ с помощью

1) СаО (тв.)

2) NaOH (тв.)

3) H₂SO₄ (конц.)

4) Р₂O₅ (тв.)

10. Две соли разных кислот образуются при взаимодействии между щелочью и

1) диоксидом углерода

2) триоксидом серы

3) оксидом хлора (VII)

4) оксидом азота (IV)

11. Один газ образуется при прокаливании

1) Cu(NO₃)₂

2) Pb(NO₃)₂

3) AgNO₃

4) KNO₃

12. Ортофосфорную кислоту в промышленности получают по реакции

1) Са₃(РO₄)₂ + H₂SO₄ (конц.) ->…

2) К₃РO₄ + H₂SO₄ (разб.) ->…

3) Р₂O₅ + Н₂O ->…

4) Na₃PO₄ + СаCl₂ ->…

13. Углекислый газ, растворенный в воде, реагирует (по отдельности) с веществами набора

1) К₂СO₃, К₃РO₄

2) KNO₂, NH₄Cl

3) K₂SiO₃, К₂СO₃

4) K₂SO₄, КОН

14. Реагенты для получения чистого гидрокарбоната калия – это набор

1) KNO₃, Н₂O, СO₂

2) K₂SO₄, Ва(НСO₃)₂

3) К₂СO₃, Н₂O

4) КОН, СаСO₃

15. Цинк из концентрированного раствора карбоната калия вытесняет

1) водород

2) угарный газ

3) метан

4) углекислый газ

16. Влажную смесь газов SO₂ + O₂ + NH₃ + С₂Н₂ пропустили через склянку с H₂SO₄ (конц.), затем – через склянку с гранулами NaOH. При этом на выходе собрали набор газов

1) NH₃, С₂Н₂

2) SO₂, O₂

3) SO₂, NH₃

4) O₂, С₂Н₂

17. Для обнаружения хлорид-иона подходит реактив

1) раствор крахмала

2) раствора нитрата серебра(I)

3) разбавленная серная кислота

4) концентрированный раствор щелочи

18. Для распознавания Na₂CO₃ и Na₂SiO₃ можно использовать раствор

1) азотной кислоты

2) индикатора

3) хлорида бария

4) гидроксида натрия

19—22. Бесцветный раствор соли

19. иодид алюминия

20. гидросульфат калия

21. хлорид бария

22. фторид натрия окрасится метилоранжем в цвет

1) оранжевый

2) желтый

3) синий

4) розовый

8. Теория строения, многообразие, классификация и номенклатура органических соединений. Типы химических реакций

Многообразие органических соединений, их свойств и превращений объясняет теория химического строения (А. М. Бутлеров, 1861–1864).

Химическое строение – это определенная последовательность расположения атомов в молекуле. Строение молекулы органического соединения изображается структурной формулой (развернутой или сокращенной), в которой символы связанных атомов соединяются валентной чертой, например, для этанола С₂Н₅ОН:

развернутая структурная формула

сокращенная структурная формула

СН₃—СН₂—ОН

Часто одинарные связи вообще не указывают: СН₃СН₂ОН

По строению различают ациклические и циклические органические соединения.

Ациклические соединения характеризуются открытой цепью атомов углерода:

а) насыщенные соединения (с одинарными связями С – С)

б) ненасыщенные соединения (с кратными связями C=C и C?C)

Ациклические соединения могут содержать как прямую цепь атомов углерода, так и разветвленную. Различают атомы углерода:

первичный, соединен с одним другим атомом углерода;

вторичный, соединен с двумя атомами углерода;

третичный, соединен с тремя атомами углерода;

четвертичный, соединен с четырьмя атомами углерода.

Прямая углеродная цепь состоит только из первичных и вторичных атомов углерода, разветвленная цепь содержит также третичные и четвертичные атомы.

Пример:

1, 2', 4', 4", 6 – первичные атомы

2 – третичный атом

3, 5 – вторичные атомы

4 – четвертичный атом

Циклические соединения имеют замкнутую в цикл цепь атомов углерода:

а) алициклические соединения (циклические соединения неароматического характера)

б) ароматические соединения (производные бензола)

Химические свойства органических соединений зависят не только от состава вещества (числа атомов элементов), но и от его химического строения. Один и тот же состав может соответствовать нескольким органическим соединениям с разным строением и, соответственно, разными свойствами; это явление называется изомерией:

Такие вещества называют структурными изомерами или изомерами строения.

Органические соединения образованы главным образом ковалентными связями. Если ковалентная связь полярна, электронная плотность оказывается смещенной в сторону более электроотрицательного атома. Вследствие этого на атомах появляются частичные заряды – положительный (?+) и отрицательный (-?):

Химические реакции, типичные для органических соединений, можно классифицировать по различным признакам:

1) по типу химического превращения:

– реакции замещения, сопровождающиеся образованием новых ковалентных связей при замещении одного атома (или группы атомов) на другие атомы или группы атомов:

– реакции присоединения (синтез), сопровождающиеся образованием новых о-связей за счет разрыва ?-связи:

– реакции разложения, сопровождающиеся образованием новых, более простых по составу молекул:

2) по способу разрыва связи:

– реакции с образованием радикалов, сопровождающиеся симметричным разрывом связи между атомами элементов с одинаковой электроотрицательностью (гемолитический разрыв):

– реакции с образованием ионов, сопровождающиеся несимметричным разрывом связи (гетеролитический разрыв):

Все органические соединения делятся на классы. Принадлежность соединения к тому или иному классу определяется наличием в его составе функциональных групп – групп атомов, обусловливающих характерные химические свойства данного класса соединений. К функциональным группам принадлежат:

Углеводороды не имеют функциональных групп.

Группа атомов органического соединения, которая во многих реакциях может переходить в молекулу продукта не изменяясь, называется радикалом и обозначается R, например метильный радикал – СН₃.

Углеводороды (состоят только из атомов С и Н) и их производные образуют гомологические ряды, члены которых имеют сходные строение и свойства; они отличаются друг от друга на одну или несколько групп СН₂ (гомологическая разность).

Классификация органических соединений представлена в табл. 8.

Подробные сведения о номенклатуре органических соединений см. в разд. 9—11.

Примеры заданий частей А, В

1. В углеводороде со структурной формулой

1) число первичных атомов С меньше числа вторичных

2) число вторичных атомов С больше числа третичных

3) число первичных атомов С равно числу третичных

4) число вторичных атомов С равно числу третичных

2. Правильная структурная формула углеводорода – это

1)

2)

3)

4)

3. Название углеводорода с цепью атомов углерода – это

1) 2,3,5-триметилгексан

2) 2,3,4-триметилгексан

3) 2,5-диметилгептан

4) 3,4-диметилпептан

4—7. Класс органических соединений с названием

4. спирты

5. фенолы

6. альдегиды

7. карбоновые кислоты отвечает функциональной группе

1) – С(О)—

2) – СООН

3) – С(Н)O

4) – ОН

8—10. Молекулы класса соединений с названием

8. простые эфиры

9. сложные эфиры

10. белки

содержат функциональную группу

1) С – О—С

2) С – С(О) – О – С

3) C – OH

4) С(О) – N(H) – С

11. Функциональные группы углеводов – в наборах

1) СООН, ОН

2) ОН, СО

3) С(Н)O, OH

4) СО, С(Н)O

12—15. Органическое соединение с формулой

12. C₂H₅NH₂

13. c₂h₅no₂

14. NH₂CH₂C00H

15. (C₂H₅)₃N относится к классу

1) аминокислот

2) аминов

3) нитросоединений

4) белков

16—19. Органическое соединение с формулой

16. СН₃—О – С₂Н₅

17. С₂Н₅—С(Н)O

18. СН₃—С(О) – О – С₂Н₅

19. С₆Н₅—СН₂ОН относится к классу

1) сложных эфиров

2) простых эфиров

3) альдегидов

4) спиртов

20. Этан вступает в реакции

1) изомеризации

2) замещения

3) присоединения

4) дегидрирования

21. Для олефинов характерны реакции

1) замещения

2) полимеризации

3) присоединения

4) разложения

22. Бензол склонен вступать в реакции

1) нейтрализации

2) присоединения

3) полимеризации

4) изомеризации

23—25. Взаимодействие между реагентами

23. С₆Н₆, HNO₃

24. C₂H₄, НCl

25. C₂H₂, КMnO₄

по отношению к углеводороду называется

1) окислением

2) присоединением

3) восстановлением

4) замещением

26. Установите соответствие между формулой функциональной группы и классом органических соединений, который она определяет.

27. Установите соответствие между названием соединения и классом, к которому оно относится

9. Углеводороды. Гомология и изомерия. Химические свойства и способы получения

9.1. Алканы. Циклоалканы

Алканы (парафины) – это соединения углерода с водородом, в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарной связью (предельные углеводороды). Общая формула гомологического ряда алканов С_nН_2n+2. Радикал, получающийся при отрыве одного атома водорода от молекулы предельного углеводорода, называется алкилож, общая формула алкилов С_nН_2n+1.

Формулы и названия первых шести алканов (С₁—С₆) и отвечающих им радикалов:

Для радикала С₅Н₁₁ использование названия амил не рекомендуется. Для составления названий алканов с разветвленной цепью, например

выбирают самую длинную углеродную цепь (в примере – 5 атомов) и получают основу названия (5 – пентан). Нумеруют цепь (от 1 до 5) так, чтобы заместители (—СН₃) получили наименьшие номера (2 и 3). В названии арабскими цифрами указывают положение заместителей, а приставками ди – 2, три – 3, тетра – 4 и т. д. – число одинаковых заместителей. Таким образом, в нашем примере алкан должен быть назван 2,3-диметилпентан.

При наличии разных заместителей их названия расставляют по алфавиту, т. е., например, сначала метил, а затем этил.

Для некоторых разветвленных предельных углеводородов используются, наравне с систематическими, традиционные названия, например, для алканов состава С₄Н₁₀ и С₅Н₁₂ с формулами:

Такие же названия используются для разветвленных радикалов:

При обычных условиях первые алканы – метан, этан, пропан и бутан (С₁—С₄) – представляют собой газы без цвета и запаха, малорастворимые в воде. Последующие гомологи (С₅—C₁₅) – жидкости (при 20 °C), высшие гомологи (C₁₆ и выше) – твердые вещества.

В алканах атомные орбитали углерода имеют sр³-гибридизацию; четыре электронных облака атома углерода направлены в вершины тетраэдра под углами 109,5°. Ковалентные связи, образуемые каждым атомом углерода, в алканах малополярны.

Поэтому алканы – сравнительно инертные вещества, вступают только в реакции замещения, протекающие с симметричным (радикальным) разрывом связей С – Н. Эти реакции обычно идут в жестких условиях (высокая температура, освещение). В результате становится возможным замещение водорода на галоген (CI, Br) и нитрогруппу (NO₂), например, при обработке метана хлором:

Вторая и последующие стадии реакции протекают легче, чем первая, из-за смещения электронной плотности к атому хлора:

и увеличения подвижности остающихся атомов водорода. Названия продуктов: СН₃Cl – хлорметан, СН₂Cl₂ – дихлорметан, СНCl₃ – трихлорметан (хлороформ), СCl₄ – тетрахлорметан (тетрахлорид углерода).

В тех алканах, где кроме первичных есть также вторичные и третичные атомы углерода, замещение обычно протекает с образованием смеси однозамещенных продуктов (т. е. в каждой молекуле замещается один атом водорода), например:

Циклоалканы – предельные углеводороды циклического строения, общая формула гомологического ряда С_nH_2n (п  3), формула совпадает с таковой для алкенов. Важнейшие циклоалканы:

При комнатной температуре С₅Н₁₀ и С₆Н₁₂ – бесцветные жидкости, малорастворимые в воде. Химические свойства циклоалканов подобны свойствам алканов, например:

Получение: источниками алканов и циклоалканов в промышленности служат нефть, природный газ, каменный уголь. В лаборатории применяют такие способы синтеза алканов:

1) реакция Вюрца – действие натрия на галогенпроизводные углеводородов:

2) каталитическое гидрирование этиленовых углеводородов (катализаторы Pt, Pd, Ni):

3) сплавление солей карбоновых кислот с гидроксидом натрия:

Циклоалканы синтезируют из дигалогенпроизводных алканов:

Алканы широко используются как исходное сырье в химической промышленности, моторное топливо (бензин, керосин и др.); циклоалканы применяются в органическом синтезе.

При горении метана выделяется много теплоты:

Поэтому его (в виде природного газа) применяют в качестве топлива в быту и в промышленности.

9.2. Алкены. Алкадиены

Алкены (олефины) – это углеводороды, в молекулах которых содержатся атомы углерода, соединенные между собой двойной связью (непредельные углеводороды ряда этилена). Простейший представитель — этилен С₂Н₄, общая формула гомологического ряда этиленовых углеводородов С_nН_2n (при п >= 2).

Систематические названия олефинов производятся от корней названий алканов с заменой суффикса – ан -> – ен:

Сохраняются также традиционные названия с заменой суффикса – ан на – илен: С₂Н₄ – этилен, С₃Н₆ – пропилен, С₄Н₈ – бутилен; использование названия амилен для алкена С₅Н₁₀ не рекомендуется.

Положение двойной связи С=С в изомерах строения (начиная с алкена С₄) указывается цифрой после названия:

Радикал этилена – этенил СН₂=СН – обычно называют винил, пропена – пропенил СН₂=СН – СН₂ – именуют аллил.

Другой вид изомерии в непредельных углеводородах, помимо структурной изомерии, осуществляется потому, что атомы углерода, образующие двойную связь, находятся в sр²-гибридном состоянии; ?-составляющая двойной связи С=С и ?-связи С – Н лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу, а ?-составляющая двойной связи С=С представляет собой электронное облако, вытянутое в направлении, перпендикулярном плоскости о-связей. Следствием такого строения алкенов является возможность геометрической изомерии (или цис-транс-изомерии) в зависимости от положения заместителей (атомов или радикалов):

(цис – от лат. «рядом, по одну сторону», транс – от лат. «напротив, по разные стороны»).

Алкены С₂—С₄ при комнатной температуре – бесцветные газы со слабым запахом нефти, малорастворимые в воде; алкены С₅—C₁₈ – жидкости, алкены C₁₉ и выше – твердые вещества.

Важнейшие химические свойства алкенов определяются тем, что в силу меньшей прочности ?-связи (по сравнению с ?-связью) она легко разрывается, в результате чего протекают реакции присоединения и образуются насыщенные органические соединения. Как правило, такие реакции идут в мягких условиях, часто на холоду и в растворителях, например воде, тетрахлорметане СCl₄ и др.:

Аналогично протекает взаимодействие алкенов с бромоводородом:

Присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам теоретически может привести к двум продуктам:

Согласно правилу Марковникова, присоединение галогеноводородов к несимметричным алкенам протекает так, что водород направляется к атому углерода, который уже содержит большее число атомов водорода. В приведенной выше реакции продуктом будет 2-иодпропан СН₃СН(I)СН₃.

По правилу Марковникова протекает и реакция гидратации, т. е. реакция присоединения воды в присутствии серной кислоты. Она происходит в две стадии:

а) вначале образуется алкилсерная кислота, т. е. H₂SO₄ присоединяется к алкену:

б) затем происходит ее необратимый гидролиз:

Алкены обесцвечивают раствор перманганата калия на холоду в нейтральной среде, при этом образуются гликоли (двухатомные спирты):

Алкены способны вступать в реакции полимеризации:

Качественные реакции на алкены – обесцвечивание бромной воды и раствора КMnO₄ (уравнения реакций см. выше).

Алкадиены – непредельные углеводороды, в молекулах которых содержатся две связи С=С. Общая формула алкадиенов С_nН_2n-2 (n >= 3), формула совпадает с таковой для алкинов.

Примеры:

Большое практическое значение имеют сопряженные диены, в молекулах которых связи С=С разделены одинарной связью С – С:

Дивинил и изопрен – традиционные названия.

Дивинил – бесцветный, легко сжижающийся (при -4,5 °C) газ, изопрен – низкокипящая (34,1 °C) жидкость.

Алкадиены вступают в те же реакции присоединения, что и алкены. Сопряженные диены имеют особые свойства, в частности, в реакциях присоединения; они образуют продукты 1,4-присоединения с одной двойной связью посредине:

(далее возможно образование 1, 2, 3, 4-тетрабромбутана).

Алкадиены способны полимеризоваться с образованием каучуков:

Полиметилбутадиеновый каучук – это полимер, существующий в природе (натуральный каучук), а полибутадиеновый каучук получен искусственно (С. В. Лебедев, 1932 г.) и называется синтетическим каучуком.

Получение: для алкенов в промышленности используют метод каталитического дегидрирования алканов:

В лаборатории алкены получают:

1) дегидратацией спиртов (отщепление воды от спиртов):

2) дегидрогалогенированиеж – отщеплением галогеноводорода от моногалогенопроизводного под действием спиртового раствора щелочи:

3) дегалогенированиеж – отщеплением галогенов от дигалогенопроизводных, в которых атомы галогена находятся у соседних атомов углерода:

Промышленное получение дивинила:

1) дегидрирование бутана:

2) способ Лебедева – одновременное отщепление воды и водорода от этанола на катализаторе (ZnO/Al₂O₃):

Алкены используются для органического синтеза, производства пластмасс, искусственного моторного топлива, диеновые углеводороды – исходное сырье в промышленном синтезе каучуков.

9.3. Алкины

Алкины – углеводороды с тройной связью C?C в молекулах (непредельные углеводороды ряда ацетилена). Простейший представитель этого ряда – ацетилен С₂Н₂, общая формула алкинов C_nH_2n-2 (при n >= 2).

Названия простейших алкинов:

С₂Н₂ – этин (традиционно: ацетилен)

С₃Н₄ – пропин (метилацетилен)

С₄Н₆ – бутин

Изомеры бутина:

Ацетилен, пропин и бутин-1 – бесцветные газы при комнатной температуре, бутин-2 – легкокипящая жидкость, обладает легким «эфирным» запахом.

В алкинах атомные орбитали углерода у тройной связи имеют sp-гибридизацию (линейное строение). Наличие двух ?-связей обусловливает их химические свойства, в частности высокую способность к реакциям ступенчатого присоединения водорода, хлора, брома, галогеноводородов, воды:

а)

б)

в)

(присоединение НCl к хлорэтену происходит по правилу Марковникова; хлорэтен традиционно называют хлорвинилом или винилхлоридом);

г) реакция Кучерова (гидратация на катализаторе)

При циклизации ацетилена образуется бензол:

Упомянутый выше хлорвинил способен полимеризоваться:

Поливинилхлорид (ПВХ) – полимер, основа пластмассы, волокон и пленок, применяется в производстве труб, искусственной кожи, электроизоляции, пеноматериалов.

Качественные реакции:

1) на алкины любого строения – обесцвечивание раствора КMnO₄, чаще всего происходит разрыв углеродной цепи по месту тройной связи (ср. с алкенами);

2) на алкины с концевой тройной связью – замещение концевого атома водорода на медь (I) с образованием ярко-красного осадка:

Получение: в промышленности ацетилен ранее получали гидролизом дикарбида (ацетиленида) кальция:

(неприятный «карбидный» запах газа обусловлен примесями, главным образом фосфином РН₃).

Современный способ — пиролиз (термическое разложение) метана:

В лаборатории для получения ацетилена и его гомологов используют взаимодействие дигалогенопроизводных алканов со щелочами в спиртовом растворе при нагревании:

(обязательное условие – атомы галогенов должны находиться при соседних атомах углерода). Эта реакция может проходить в одну стадию (как показано выше), но чаще – в две стадии:

а)

б)

Алкины, особенно ацетилен, используются как исходное сырье в химической промышленности для многих органических синтезов. Кроме того, ацетилен благодаря высокой теплотворной способности сгорания:

применяется для автогенной сварки и резки металлов.

9.4. Арены

Арены – это непредельные углеводороды, которые можно рассматривать как производные простейшего из них — бензола С₆Н₆. Общая формула углеводородов гомологического ряда бензола С_nН_2n-6 (при n >= 6).

В молекуле бензола все атомы углерода находятся в sр²-гибридизации, каждый атом углерода соединен в одной плоскости ?-связями с двумя другими атомами углерода и одним атомом водорода. У атома углерода остается еще облако четвертого валентного электрона, расположенное перпендикулярно плоскости. Эти облака участвуют в образовании ?-связи, причем в молекуле образуются не три отдельные ?-связи (как думали раньше, см. формулу Кекуле, 1865 г.), а единая шестицентровая (С₆) ?-связь (все атомы равноценны):

Формула Кекуле часто применяется в тех случаях, когда необходимо более наглядно представить протекание реакции с участием бензольного кольца С₆; его изображение:

В обеих формулах атомы С кольца и не участвующие в реакции атомы Н опускаются (для краткости). Некоторые простейшие гомологи бензола:

Радикал бензола С₆Н₅ называется фенил, радикал толуола С₆Н₅СН₂ — бензил.

Бензол и его ближайшие гомологи – жидкости без цвета, но с характерным запахом, имеют широкий интервал жидкого состояния. Практически не растворяются в воде, но хорошо смешиваются между собой и с другими органическими растворителями. Пар бензола сильно ядовит.

Несмотря на формальную непредельность, бензол отличается высокой устойчивостью к нагреванию и окислению (в гомологах бензола окисляется только боковая цепь). Характерными для бензола являются реакции замещения:

а) нитрование в присутствии концентрированной серной кислоты на холоду:

б) галогенирование в присутствии галогенидов железа (III):

в) алкилирование в присутствии хлорида алюминия:

Особый характер ненасыщенности бензола и его гомологов иллюстрируется этими химическими свойствами и называется «ароматическим» характером.

В производных бензола атом или группа, заместившие водород кольца, и само бензольное кольцо влияют друг на друга. По характеру влияния различают:

1) заместители I рода – CI, Br, I, СН₃, С_nН_2n+1, ОН и NH₂. Они облегчают реакции дальнейшего замещения и направляют второй заместитель по отношению к себе в орто- (о-, или 2-) положение и в пара- (п-, или 4-) положение [для запоминания: орто – около, пара – против], например:

2) заместители II рода – NO₂, С(Н)O, СООН и CN. Они затрудняют реакции дальнейшего замещения и направляют второй заместитель в мета- (м-, или 3-) положение, например:

Очевидно, что существуют два орто-положения рядом с первым заместителем X, два мета-положения, отделенные от первого заместителя одним углеродом кольца, и лишь одно пара-положение через два атома углерода бензольного кольца:

Ранее уже отмечалось, что бензол стоек к окислению даже при действии сильных окислителей. Гомологи бензола с одним боковым радикалом вступают в реакции окисления только за счет радикала; при этом, какова бы ни была его длина, отщепляется вся цепь, кроме ближайшего к кольцу атома углерода (он создает карбоксильную группу):

В жестких условиях бензол вступает в реакции присоединения:

Стирол C₆H₅—CH=CH₂, как этилен, легко полимеризуется:

Полистирол – термопластичная пластмасса (термопласт), прозрачный материал, размягчающийся при температуре выше 80 °C. Используется для изготовления изоляции электропроводов, посуды разового употребления, упаковочной массы (пенопласт).

Получение аренов – ароматизация алифатических и алициклических углеводородов, содержащихся в нефтяных или буроугольных бензиновых фракциях:

1) дегидрирование:

2) дегидроциклизация:

3) тримеризация ацетилена (устаревший способ):

Бензол и его гомологи используются в качестве малополярных растворителей (для каучука, лаковых смол, полимеров), сырье в органическом синтезе.

Примеры заданий частей А, В

1—6. Углеводороды с групповым названием

1. алканы

2. алкадиены

3. циклоалканы

4. алкины

5. алкены

6. арены

имеют общую формулу

1) С_nН_2n-6

2) С_nН_2n-6

3) С_nН_2n+2

4) С_nН_2n-2

7. Длина связи углерод – углерод наибольшая в молекуле

1) С₂Н₂

2) С₂Н₄

3) С₆Н₆

4) С₂Н₆

8. При гидрировании ацетилена могут образовываться

1) пропилен

2) этилен

3) бензол

4) этан

9. При взаимодействии 2-бромпропана с натрием образуется

1) 2,2-диметилбутан

2) изобутан

3) гексан

4) 2-метилпентан

10. В реакции З-метилпентана-1 с хлороводородом получают

1) З-метил-З-хлорпентан

2) 3-метил-1,2-дихлорпентан

3) З-метил-2-хлорпентан

4) З-метил-1-хлорпентан

11. При действии спиртовым раствором щелочи на 2-хлорпропан образуется

1) бутан

2) пропан

3) бутен

4) пропен

12. Соединение 1,2-дихлорпропан – это продукт хлорирования

1) пропана

2) пропена

3) пропина

4) пропадиена

13. При полимеризации ароматического углеводорода стирол образуется продукт с формулой

1) [ – С₆Н₄—СН(СН₃) – ]_n

2) [ – CH₂—С₆Н₃(СН₃) – ]_n

3) [ – CH₂—СН(С₆Н₅) – ]_n

4) [ – СН₂—С₆Н₄—СН₂—]_n

14. При нитрировании пропилбензола проходит замещение атомов H в положениях

1) 2,3 радикала фенил

2) 2,4,6 радикала фенил

3) 2,3 радикала пропил

4) 1,2,3 радикала пропил

15. Способы получения бензола – это

1) дегидрирование циклогексана

2) дегидрирование и циклизация гексана

3) тримеризация ацетилена

4) действие Na на 1,6-цикло-С₆Н₁₀Cl₂

16—19. Указанные органические соединения – это

16. цис- и транс-1,2-дихлорэтен

17. пентен-2 и циклопентан

18. 1,2-диметилэтен и бутен-3

19. 1,2-дибромпропан и 2,3-дибромбутан

1) гомологи

2) структурные изомеры

3) пространственные изомеры

4) одно и то же вещество

20. В ряду превращений

продукты А, Б, В – это соответственно

1) толуол

2) хлорбензол

3) ацетилен

4) метан

21. Углеводород, который обесцвечивает бромную воду, легко полимеризуется, присоединяет водород и при взаимодействии с бромоводородом образует бромэтан, – это

1) этилен

2) ацетилен

3) этан

4) пропилен

22. С помощью бромной воды можно различить

1) пропан и этан

2) пропин и этин

3) ацетилен и дивинил

4) пропин и пропан

23. Бензол и стирол можно распознать

1) раствором NaOH

2) нитрующей смесью

3) раствором AgNO₃

4) раствором КMnO₄

24. Установите соответствие между формулой углеводорода и его названием.

25. Процесс, не относящийся к переработке нефти, – это

1) перегонка

2) крекинг

3) риформинг

4) коксование

26. При крекинге нефти из октана образуются

1) бутан

2) этан

3) этилен

4) бутилен

27. Продукт полимеризации этилена (полиэтилен) отвечает формуле

1) (СН₂)_n(—СН=СН—)_n

3) (—СН₂—СН₂—)_n

4) (СН₂=СН₂)_n

28. Для промышленного синтеза бутадиенового каучука используют мономер

1) CH₂=CHCH=CH₂

2) CH_2⁼CH—C?CH

3) CH₃CH=C=CH₂

4) CH₂=C(CH₃)C?CH

29. Мономер пластмассы тефлон (политетрафторэтилен) синтезируют по реакции

1) замещения СCl₂ + F₂ ->…

2) пиролиза CHClF₂

3) окисления CCl₂F₂

4) фторирования С₂Н₆

10. Кислородсодержащие органические соединения

10.1. Спирты. Простые эфиры. Фенолы

Спирты – производные углеводородов, содержащие функциональную группу ОН (гидроксил). Спирты, в которых имеется одна группа ОН, называются одноатомными, а спирты с несколькими группами ОН — многоатомными.

Названия некоторых распространенных спиртов приведены в табл. 9.

По строению различают спирты первичные, вторичные и третичные, в зависимости от того, при каком атоме углерода (первичном, вторичном или третичном) находится группа ОН:

Одноатомные спирты – бесцветные жидкости (до Cl₂Н₂₅ОН), растворимые в воде. Простейший спирт — метанол СН₃ОН чрезвычайно ядовит. С увеличением молярной массы температура кипения спиртов повышается.

Молекулы жидких одноатомных спиртов ROH ассоциированы за счет водородных связей:

(эти связи аналогичны водородным связям в чистой воде).

При растворении в воде молекулы ROH образуют водородные связи с молекулами воды:

Водные растворы спиртов ROH имеют нейтральную среду; другими словами, спирты практически не диссоциируют в водном растворе ни по кислотному, ни по основному типу.

Химические свойства одноатомных спиртов обусловлены присутствием в них функциональной группы ОН.

Водород группы ОН в спиртах может замещаться на металл:

Этанолаты и производные других спиртов (алкоголяты) легко гидролизуются:

Группу ОН в спиртах можно заместить на Cl или Br:

При действии на спирты водоотнимающих средств, например концентрированной H₂SO₄, происходит межмолекулярная дегидратация:

Продукт реакции — диэтиловый эфир (С₂Н₅)₂O – относится к классу простых эфиров.

В более жестких условиях дегидратация становится внутримолекулярной и образуется соответствующий алкен:

Многоатомные спирты рассмотрим на примере простейших представителей двух– и трехатомных спиртов:

При комнатной температуре они – бесцветные вязкие жидкости с температурами кипения 198 и 290 °C соответственно, неограниченно смешиваются с водой. Этиленгликоль ядовит.

Химические свойства многоатомных спиртов подобны свойствам спиртов ROH. Так, в этиленгликоле одну или две группы ОН можно заместить на галоген:

Кислотные свойства многоатомных спиртов проявляются в том, что (в отличие от одноатомных спиртов) водород группы ОН замещается на металл под действием не только металлов, но и гидроксидов металлов:

а)

б)

(стрелками в формуле гликолята меди показано образование ковалентных связей медь – кислород по донорно-акцепторному механизму).

Аналогично реагирует с гидроксидом меди (II) глицерин:

Гликолят и глицерат меди (II), имеющие ярко-синюю окраску, позволяют качественно обнаруживать многоатомные спирты.

Получение одноатомных спиртов в промышленности – гидратация алкенов в присутствии катализаторов (H₂SO₄, Al₂O₃), причем присоединение воды к несимметричным алкенам происходит по правилу Марковникова:

(способ получения вторичного спирта), или присоединение к алкенам СО и Н₂ в присутствии кобальтового катализатора (процесс называется гидрофоржилирование):

(способ получения первичного спирта).

В лаборатории (а иногда и в промышленности) спирты получают взаимодействием галогенпроизводных углеводородов с водой или водным раствором щелочи при нагревании:

Этанол С₂Н₅ОН образуется также при спиртовом брожении сахаристых веществ, например глюкозы:

Этиленгликоль получают в двухстадийном процессе:

а) окисление этилена:

б) гидратация этиленоксида:

Глицерин ранее получали омылением жиров (см. 20.3), современный трехстадийный способ – постепенное окисление пропена (приведена только схема процесса):

Спирты используют как сырье в органическом синтезе, в качестве растворителей (для лаков, красок и т. п.), а также в бумажной, полиграфической, парфюмерной, фармакологической и пищевой промышленности.

Простые эфиры – класс органических соединений, содержащих мостиковый атом кислорода – О– между двумя углеводородными радикалами: R – О—R'. Самый известный и широко применяемый простой эфир – диэтиловый эфир С₂Н₅—О – С₂Н₅. Бесцветная, легкоподвижная жидкость с характерным («эфирным») запахом, в лабораторной практике его называют просто эфиром. Почти не смешивается с водой, t_кип = 34,51 °C. Пар эфира воспламеняется на воздухе. Получают диэтиловый эфир при межмолекулярной дегидратации этанола (см. выше), основное применение – растворитель.

Фенолы – это спирты, в которых группа ОН непосредственно связана с бензольным кольцом. Простейший представитель — фенол С₆Н₅—ОН. Белые (розовеющие на свету) кристаллы с сильным запахом, t_пл = 41 °C. Вызывает ожоги кожи, ядовит.

Для фенола характерна значительно большая кислотность, чем для ациклических спиртов. Вследствие этого фенол в водном растворе легко реагирует с гидроксидом натрия:

Отсюда тривиальное название фенола — карболовая кислота.

Отметим, что группа ОН в феноле никогда не замещается ни на какие другие группы или атомы, но делает более подвижными атомы водорода бензольного кольца. Так, фенол легко реагирует с бромом в воде и азотной кислотой, образуя соответственно 2,4,6-трибромфенол (I) и 2,4,6-тринитрофенол (II, традиционное название — пикриновая кислота):

Фенол в промышленности получают нагреванием хлорбензола с раствором гидроксида натрия под давлением при 250 °C:

Фенол применяют в качестве сырья для производства пластмасс и смол, полупродуктов для лакокрасочной и фармацевтической промышленности, как дезинфицирующее средство.

10.2. Альдегиды и кетоны

Альдегиды и кетоны – это производные углеводородов, содержащие функциональную карбонильную группу СО. В альдегидах карбонильная группа связана с атомом водорода и одним радикалом, а в кетонах с двумя радикалами.

Общие формулы:

Названия распространенных веществ этих классов приведены в табл. 10.

Метаналь – бесцветный газ с резким удушающим запахом, хорошо растворим в воде (традиционное название 40 %-ного раствора— формалин), ядовит. Последующие члены гомологического ряда альдегидов – жидкости и твердые вещества.

Простейший кетон – пропанон-2, более известный под названием ацетон, при комнатной температуре – бесцветная жидкость с фруктовым запахом, t_кип = 56,24 °C. Хорошо смешивается с водой.

Химические свойства альдегидов и кетонов обусловлены присутствием в них карбонильной группы СО; они легко вступают в реакции присоединения, окисления и конденсации.

В результате присоединения водорода к альдегидам образуются первичные спирты:

При восстановлении водородом кетонов образуются вторичные спирты:

Реакция присоединения гидросульфита натрия используется для выделения и очистки альдегидов, так как продукт реакции малорастворим в воде:

(действием разбавленных кислот такие продукты превращаются в альдегиды).

Окисление альдегидов проходит легко под действием кислорода воздуха (продукты – соответствующие карбоновые кислоты). Кетоны сравнительно устойчивы к окислению.

Альдегиды способны участвовать в реакциях конденсации. Так, конденсация формальдегида с фенолом протекает в две стадии. Вначале образуется промежуточный продукт, являющийся фенолом и спиртом одновременно:

Затем промежуточный продукт реагирует с другой молекулой фенола, и в результате получается продукт поликонденсации — фенолформальдегидная смола:

Качественная реакция на альдегидную группу – реакция «серебряного зеркала», т. е. окисление группы С(Н)O с помощью оксида серебра (I) в присутствии гидрата аммиака:

Аналогично протекает реакция с Cu(ОН)₂, при нагревании появляется красный осадок оксида меди (I) Cu₂O.

Получение: общий способ для альдегидов и кетонов – дегидрирование (окисление) спиртов. При дегидрировании первичных спиртов получают альдегиды, а при дегидрировании вторичных спиртов – кетоны. Обычно дегидрирование протекает при нагревании (300 °C) над мелкораздробленной медью:

При окислении первичных спиртов сильными окислителями (перманганат калия, дихромат калия в кислотной среде) процесс трудно остановить на стадии получения альдегидов; альдегиды легко окисляются до соответствующих кислот:

Более подходящим окислителем является оксид меди (II):

Ацетальдегид в промышленности получают по реакции Кучерова (см. 19.3).

Наибольшее применение из альдегидов имеют метаналь и этаналь. Метаналь используют для производства пластмасс (фенопластов), взрывчатых веществ, лаков, красок, лекарств. Этаналь – важнейший полупродукт при синтезе уксусной кислоты и бутадиена (производство синтетического каучука). Простейший кетон – ацетон используют в качестве растворителя различных лаков, ацетатов целлюлозы, в производстве кинофотопленки и взрывчатых веществ.

10.3. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры

Карбоновые кислоты – это производные углеводородов, содержащие функциональную группу СООН (карбоксил).

Формулы и названия некоторых распространенных карбоновых кислот приведены в табл. 11.

Традиционные названия кислот НСООН (муравьиная), СН₃СООН (уксусная), С₆Н₅СООН (бензойная) и (СООН)₂ (щавелевая) рекомендуется использовать вместо их систематических названий.

Формулы и названия кислотных остатков приведены в табл. 12.

Для составления названий солей этих карбоновых кислот (а также их сложных эфиров, см. ниже) обычно используются традиционные названия, например:

Низшие карбоновые кислоты – бесцветные жидкости с резким запахом. При увеличении молярной массы температура кипения возрастает.

Карбоновые кислоты обнаружены в природе:

Простейшие карбоновые кислоты растворимы в воде, обратимо диссоциируют в водном растворе с образованием катионов водорода:

и проявляют общие свойства кислот:

Важное практическое значение имеет взаимодействие карбоновых кислот со спиртами (подробнее см. ниже):

Отметим, что кислота НСООН вступает в реакцию «серебряного зеркала» как альдегиды:

и разлагается под действием водоотнимающих реактивов:

Получение:

• окисление альдегидов:

• окисление углеводородов:

а)

б)

Кроме того, муравьиную кислоту получают по схеме:

а уксусную кислоту – по реакции:

Применяют муравьиную кислоту как протраву при крашении шерсти, консервант фруктовых соков, отбеливатель, дезинфекционный препарат. Уксусную кислоту используют как сырье в промышленном синтезе красителей, медикаментов, ацетатного волокна, негорючей кинопленки, органического стекла. Натриевые и калиевые соли высших карбоновых кислот – основные компоненты мыла.

Сложные эфиры – продукты обменного взаимодействия карбоновых кислот со спиртами. Это взаимодействие называется реакцией этерификации:

Механизм реакции этерификации был установлен при использовании спирта, меченного изотопом ¹⁸O; этот кислород после реакции оказался в составе эфира (а не воды):

Следовательно, в отличие от реакции нейтрализации неорганической кислоты щелочью (Н⁺ + ОН^- = Н₂O), в реакции этерификации карбоновая кислота всегда отдает группу ОН, спирт – атом Н (образуется вода). Реакция этерификации обратима; она лучше протекает в кислотной среде, обратная реакция (гидролиз, омыление) – в щелочной среде.

Формулы и названия распространенных сложных эфиров приведены в табл. 13.

Среди сложных эфиров есть бесцветные низкокипящие горючие жидкости с фруктовым запахом, например:

Используются сложные эфиры как растворители для лаков, красок и нитратов целлюлозы, носители фруктовых ароматов в пищевой промышленности.

Сложные эфиры трехатомного спирта – глицерина и высших карбоновых кислот (в общем виде RCOOH), например с формулами и названиями:

носят названия жиров. Примером жира будет смешанный сложный эфир глицерина и этих кислот:

Чем выше содержание остатков олеиновой кислоты (или других ненасыщенных кислот), тем ниже температура плавления жира. Жидкие при комнатной температуре жиры называются маслами. Путем гидрогенизации, т. е. присоединения водорода по двойной связи, масла превращают в твердые жиры (например, растительное масло – в маргарин). Реакция этерификации (образования жира) обратима:

Прямая реакция лучше идет в кислотной среде, обратная реакция – гидролиз, или омыление, жира – в щелочной среде; при пищеварении жир омыляется (расщепляется) с помощью ферментов.

10.4. Углеводы

Углеводы (сахара) – важнейшие природные соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Углеводы подразделяются на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Моносахариды не подвергаются гидролизу, а остальные углеводы при кипячении в присутствии кислот расщепляются до моносахаридов.

Моносахариды (и все другие углеводы) относятся к полифункциональным соединениям. В молекуле моносахарида имеются функциональные группы разных типов: группы ОН (спиртовая функция) и группы СО (альдегидная или кетонная функция). Поэтому различают альдозы (альдегидоспирты, спиртоальдегиды) и кетозы (кетоноспирты, спиртокетоны).

Важнейший представитель альдоз — глюкоза:

а представитель кетоз — фруктоза:

Глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар) являются структурными изомерами, их молекулярная формула С₆Н₁₂O₆.

Глюкозу можно отличить от фруктозы так же, как любой альдегид от кетона, – по реакции «серебряного зеркала» в аммиачном растворе Ag₂O:

Этерификация глюкозы и фруктозы (например, уксусной кислотой) приводит к образованию сложных эфиров по всем пяти группам ОН (заменяются на ОСОСН₃).

Однако не все реакции, характерные для альдегидов, протекают с глюкозой; например, не идет реакция присоединения с участием гидросульфита натрия. Причина в том, что молекула глюкозы может существовать в трех изомерных формах, из которых две формы (? и ?) – циклические. В растворе все три формы находятся в состоянии равновесия, причем открытая (альдегидная) форма, приведенная выше, содержится в наименьшем количестве:

Циклические формы глюкозы не содержат альдегидной группы. Они отличаются друг от друга только пространственным расположением атома Н и группы ОН у атома углерода C₁ (рядом с кислородом в цикле):

Дисахариды образуются из двух молекул моносахаридов путем межмолекулярной дегидратации. Так, сахароза (обычный сахар) C₁₂Н₂₂О₁₁ является продуктом соединения остатков глюкозы и фруктозы за счет отщепления воды:

При гидролизе в кислотной среде сахароза вновь переходит в моносахариды:

Получившаяся смесь — инвертный сахар – содержится в мёде. При 200 °C сахароза, теряя воду, превращается в бурую массу (карамель).

Полисахариды – крахмал и целлюлоза (клетчатка) – продукты поликонденсации (межмолекулярной дегидратации) соответственно ?– и ?-форм глюкозы, их общая формула (С₆Н₁₀О₅)_n. Степень полимеризации крахмала составляет 1000–6000, а целлюлозы 10 000—14 000. Целлюлоза – наиболее распространенное в природе органическое вещество (в древесине массовая доля целлюлозы доходит до 75 %). Крахмал (легче) и целлюлоза (труднее) подвергаются гидролизу (условия: H₂SO₄ или НCl, > 100 °C); конечный продукт – глюкоза.

Большое практическое значение имеют сложные эфиры целлюлозы с уксусной кислотой:

Их используют в производстве искусственного ацетатного волокна и кинофотопленок.

Примеры заданий частей А, В

1—2. Для соединения с формулой

1.

2.

правильное название – это

1) 2-метилпропанол-2

2) 2,2-диметилэтанол

3) пропилэтиловый эфир

4) этилпропиловый эфир

3—4. Для соединения с формулой

3.

4.

правильное название – это

1) 1,1-диметилпропановая кислота

2) 3-метилбутановая кислота

3) 2-метилпропаналь

4) диметилэтаналь

5. Правильное название вещества CH₃COOCH₂CH₃ – это

1) метилацетат

2) этилацетат

3) метилформиат

4) этилформиат

6. Водородные связи образуются между молекулами соединений

1) водаx

2) этанол

3) уксусная кислота

4) ацетальдегид

7. Для состава С₄Н₈O₂ названия структурных изомеров из класса сложных эфиров – это

1) пропилформиат

2) диэтиловый эфир

3) этилацетат

4) метилпропионат

8—11. Формула соединения с названием

8. сахароза

9. крахмал

10. фруктоза

11. клетчатка

отвечает составу

1) С₆Н₁₂O₆

2) (С₆Н₁₀О₅)_n

3) Cl₂Н₂₂О_n

4) (СН₂O)_n

12. Для предельных одноатомных спиртов характерные реакции – это

1) гидролиз

2) гидратация

3) этерификация

4) дегидратация

13. Молекула конечного продукта реакции между фенолом и бромом в воде содержит общее число атомов всех элементов, равное

1) 10

2) 11

3) 12

4) 13

14—17. В уравнении реакции

14. окисления этанола оксидом меди (II)

15. бромирования фенола

16. межмолекулярной дегидратации этанола

17. нитрования фенола

сумма коэффициентов равна

1) 4

2) 5

3) 7

4) 8

18. В реакции этерификации группа ОН отщепляется от молекулы

1) спирта

2) альдегида

3) кетона

4) кислоты

19. С помощью хлорофилла в зеленом растении образуются

1) кислород

2) вода

3) глюкоза

4) этанол

20—21. Химические свойства глюкозы, характерные для

20. спиртов

21. альдегидов

проявляются в реакции

1) спиртового брожения

2) «серебряного зеркала»

3) этерификации

4) нейтрализации

22—24. При нагревании с водой в присутствии H₂SO₄ углевода

22. крахмал

23. целлюлоза

24. сахароза

после окончания гидролиза получают

1) этанол

2) фруктозу

3) глюконовую кислоту

4) глюкозу

25. Способы получения этанола – это

1) гидратация этена

2) брожение глюкозы

3) восстановление этаналя

4) окисление этаналя

26. Способы получения этиленгликоля – это

1) окисление этена

2) гидратация этена

3) действие щелочи на 1,2-С₂Н₄Cl₂

4) гидратация этина

27. Способы получения муравьиной кислоты – это

1) окисление метана

2) окисление фенола

3) окисление метанола

4) реакция СН₃ОН с СО

28. Для синтеза уксусной кислоты используют соединения

1) С₂Н₅ОН

2) С₄Н₁₀

3) C₂H₅NO₂

4) СН₃ОН

29. Метанол применяется в производстве

1) пластмасс

2) каучуков

3) бензинов

4) жиров и масел

30. Для распознавания фенола (в смеси с бутанолом-1) используют

1) индикатор и раствор щелочи

2) бромную воду

3) гидроксид меди (II)

4) аммиачный раствор оксида серебра (I)

31. Для распознавания в своих растворах глицерина, уксусной кислоты, ацетальдегида и глюкозы подходит один и тот же реактив

1) NaOH

2) Cu(OH)₂

3) H₂SO₄ (конц.)

4) Ag₂O (в р-ре NH₃)

32. Органическое вещество – продукт гидратации ацетилена, которое вступает в реакцию «серебряного зеркала», а при восстановлении образует этанол, – это

1) ацетальдегид

2) уксусная кислота

3) пропан

4) ацетон

33. Продукты А, Б, и В в схеме реакций СO₂ + Н₂O -> фотосинтез А -> брожение – СO₂ Б -> HCOOH B

– это соответственно

1) этанол

2) глюкоза

3) пропановая кислота

4) этилформиат

34. Фенол будет участвовать в процессах:

1) дегидратации

2) бромирования

3) изомеризации

4) нейтрализации

5) нитрования

6) «серебряного зеркала»

35. Возможно протекание реакций:

1) твердый жир + водород ->…

2) муравьиная кислота + формальдегид ->…

3) метанол + оксид меди (II) ->…

4) сахароза + вода (в конц. H₂SO₄) ->…

5) метаналь + Ag₂O (в р-ре NH₃) ->…

6) этиленгликоль + NaOH (р-р) ->…

36. Для промышленного синтеза фенолформальдегидной смолы следует взять набор реагентов

1) С₆Н₆, НС(Н)O

2) С₆Н₆, СН₃С(Н)O

3) С₆Н₅ОН, НС(Н)O

4) С₆Н₅ОН, СН₃С(Н)O

11. Азотсодержащие органические соединения

11.1. Нитросоединения. Амины

Очень важны в народном хозяйстве азотсодержащие органические вещества. Азот может входить в органические соединения в виде нитрогруппы NO₂, аминогруппы NH₂ и амидогруппы (пептидной группы) – C(O)NH, причем всегда атом азота будет непосредственно связан с атомом углерода.

Нитросоединения получают при прямом нитровании предельных углеводородов азотной кислотой (давление, температура) или при нитровании ароматических углеводородов азотной кислотой в присутствии серной кислоты, например:

Низшие нитроалканы (бесцветные жидкости) используются как растворители пластмасс, целлюлозного волокна, многих лаков, низшие нитроарены (желтые жидкости) – как полупродукты для синтеза аминосоединений.

Амины (или аминосоединения) можно рассматривать как органические производные аммиака. Амины могут быть первичными R – NH₂, вторичными RR'NH и третичными RR'R" N, в зависимости от числа атомов водорода, которые замещены на радикалы R, R', R". Например, первичный амин — этиламин C₂H₅NH₂, вторичный амин — дижетиламин (CH₃)₂NH, третичный амин – триэтиламин (C₂H₅)₃N.

Амины, как и аммиак, проявляют основные свойства, они в водном растворе гидратируются и диссоциируют как слабые основания:

а с кислотами образуют соли:

Третичные амины присоединяют галогенпроизводные с образованием солей четырехзамещенного аммония:

Ароматические ажины (в которых аминогруппа связана непосредственно с бензольным кольцом) являются более слабыми основаниями, чем алкиламины, из-за взаимодействия неподеленной пары электронов атома азота с ?-электронами бензольного кольца. Аминогруппа облегчает замещение водорода в бензольном кольце, например на бром; из анилина образуется 2,4,6-триброманилин:

Получение: восстановление нитросоединений с помощью атомарного водорода (получают либо непосредственно в сосуде по реакции Fe + 2НCl = FeCl₂ + 2Н⁰, либо при пропускании водорода Н₂ над никелевым катализатором Н₂ = 2Н⁰) приводит к синтезу первичных аминов:

a)

б) реакция Зинина

Амины используются в производстве растворителей для полимеров, лекарственных препаратов, кормовых добавок, удобрений, красителей. Очень ядовиты, особенно анилин (желто-коричневая жидкость, всасывается в организм даже через кожу).

11.2. Аминокислоты. Белки

Аминокислоты – органические соединения, содержащие в своем составе две функциональные группы – кислотную СООН и аминную NH₂; являются основой белковых веществ.

Примеры:

Аминокислоты проявляют свойства и кислот, и аминов. Так, они образуют соли (за счет кислотных свойств карбоксильной группы):

и сложные эфиры (подобно другим органическим кислотам):

С более сильными (неорганическими) кислотами они проявляют свойства оснований и образуют соли за счет основных свойств аминогруппы:

Реакцию образования глицинатов и солей глициния можно объяснить следующим образом. В водном растворе аминокислоты существуют в трех формах (на примере глицина):

Поэтому глицин в реакции со щелочами переходит в глицинат-ион, а с кислотами – в катион глициния, равновесие смещается соответственно в сторону образования анионов или катионов.

Белки – органические природные соединения; представляют собой биополимеры, построенные из остатков аминокислот. В молекулах белков азот присутствует в виде амидогруппы – С(О) – NH– (так называемая пептидная связь С – N). Белки обязательно содержат С, Н, N, О, почти всегда S, часто Р и др.

При гидролизе белков получают смесь аминокислот, например:

По числу остатков аминокислот в молекуле белка различают дипептиды (приведенный выше глицилаланин), трипептиды и т. д. Природные белки (протеины) содержат от 100 до 1 10⁵ остатков аминокислот, что отвечает относительной молекулярной массе 1 • 10⁴ – 1 • 10⁷.

Образование макромолекул протеинов (биополимеров), т. е. связывание молекул аминокислот в длинные цепи, происходит при участии группы СООН одной молекулы и группы NH₂ другой молекулы:

Физиологическое значение белков трудно переоценить, не случайно их называют «носителями жизни». Белки – основной материал, из которого построен живой организм, т. е. протоплазма каждой живой клетки.

При биологическом синтезе белка в полипептидную цепь включаются остатки 20 аминокислот (в порядке, задаваемом генетическим кодом организма). Среди них есть и такие, которые не синтезируются вообще (или синтезируются в недостаточном количестве) самим организмом, они называются незаменимыми аминокислотами и вводятся в организм вместе с пищей. Пищевая ценность белков различна; животные белки, имеющие более высокое содержание незаменимых аминокислот, считаются для человека более важными, чем растительные белки.

Примеры заданий частей А, В, С

1—2. Класс органических веществ

1. нитросоединения

2. первичные амины

содержит функциональную группу

1) – О – NO₂

2) – NO₂

3) – NH₂

4) – NO₃-

3. Водородные связи образуются между молекулами

1) формальдегида

2) пропанола-1

3) циановодорода

4) этиламина

4. Число структурных изомеров из группы предельных аминов для состава C₃H₉N равно

1) 1

2) 2

3) 3

4) 4

5. В водном растворе аминокислоты CH₃CH(NH₂)COOH химическая среда будет

1) кислотной

2) нейтральной

3) щелочной

4) любой

6. Двойственную функцию в реакциях выполняют (по отдельности) все вещества набора

1) глюкоза, этановая кислота, этиленгликоль

2) фруктоза, глицерин, этанол

3) глицин, глюкоза, метановая кислота

4) этилен, пропановая кислота, аланин

7—10. Для реакции в растворе между глицином и

7. гидроксидом натрия

8. метанолом

9. хлороводородом

10. аминоуксусной кислотой продуктами будут

1) соль и вода

2) соль

3) дипептид и вода

4) сложный эфир и вода

11. Соединение, которое реагирует с хлороводородом, образуя соль, вступает в реакции замещения и получается восстановлением продукта нитрования бензола, – это

1) нитробензол

2) метиламин

3) анилин

4) фенол

12. При добавлении лакмуса к бесцветному водному раствору 2-аминопропановой кислоты раствор окрашивается в цвет:

1) красный

2) желтый

3) синий

4) фиолетовый

13. Для распознавания изомеров со строением СН₃—СН₂—СН₂—NO₂ и NH₂—СН(СН₃) – СООН следует использовать реактив

1) пероксид водорода

2) бромная вода

3) раствор NaHCO₃

4) раствор FeCl₃

14. При действии концентрированной азотной кислоты на белок появляется… окрашивание:

1) фиолетовое

2) голубое

3) желтое

4) красное

15. Установите соответствие между названием соединения и классом, к которому оно относится

16. Анилин действует в процессах:

1) нейтрализация муравьиной кислотой

2) вытеснение водорода натрием

3) получение фенола

4) замещение с хлорной водой

17. Глицин участвует в реакциях

1) окисления с оксидом меди (II)

2) синтеза дипептида с фенилаланином

3) этерификации бутанолом-1

4) присоединения метиламина

18—21. Составьте уравнения реакций по схеме

18.

19.

20.

21.

12. Химические реакции. Скорость, энергетика и обратимость

12.1. Скорость реакций

Количественной характеристикой быстроты течения химической реакции А + B -> D + E является ее скорость, т. е. скорость взаимодействия частиц реагентов А и В или скорость появления продуктов D и Е. Изучением скорости химических реакций занимается особый раздел химии — химическая кинетика.

В гомогенных (однородных) системах исследуется скорость реакции между реагентами, не имеющими границы раздела (газовые реакции, реакции в растворах). В гетерогенных системах изучается скорость реакции на поверхности раздела между реагирующими веществами (например, А – твердое вещество, В – газ или А – твердое вещество, В – вещество в растворе).

Для гомогенных систем скорость реакции – это изменение концентраций реагентов или продуктов в единицу времени:

где v – скорость реакции, моль/(л с);

?c_реаг = (с'_реаг – с"_реаг) - уменьшение концентрации реагентов, моль/л, за промежуток времени ?? = ?₂ – ?₁;

?c_прод = (с"_прод – с'_прод) – увеличение концентрации продуктов, моль/л, за тот же промежуток времени.

В начальный момент времени (? = 0) концентрация реагентов наибольшая, а концентрация продуктов равна нулю. В процессе реакции концентрация реагентов уменьшается, а концентрация продуктов растет.

К факторам, влияющим на скорость реакции, относятся природа реагентов, катализатор, температура, концентрация реагентов.

1. Природа реагентов. Здесь большую роль играет характер химических связей в соединениях, строение их молекул. Например, выделение водорода цинком из раствора хлороводорода происходит значительно быстрее, чем из раствора уксусной кислоты, так как полярность связи Н – Cl больше, чем связи О – Н в молекуле СН₃СООН; иначе говоря, из-за того, что НCl – сильный электролит, а СН₃СООН – слабый электролит в водном растворе.

Чем больше поверхность соприкосновения реагирующих веществ, тем быстрее протекает реакция. Поверхность твердого вещества может быть увеличена путем его измельчения или растворения (если вещество растворимо). Реакции в растворах протекают практически мгновенно.

2. Катализаторы. Большое влияние на скорость реакции оказывают катализаторы – вещества, увеличивающие скорость реакции (часто от нуля до очень больших значений), но не входящие в состав продуктов. Увеличение скорости реакции под влиянием катализаторов называется катализом. Во многих случаях катализаторы образуют с одним из реагирующих веществ промежуточное соединение, которое реагирует с другим исходным веществом, в результате получается продукт и высвобождается катализатор.

Иногда употребляют отрицательные катализаторы — ингибиторы, которые, наоборот, замедляют нежелательные химические реакции (например, коррозию металлов).

3. Температура. Для газовых реакций известно, что при повышении температуры на десять градусов (?Т = 10 К или ?t = 10 °C) скорость реакции возрастает в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Для скорости реакции ?₂ и ?₁ при значениях температуры t₂ и t₁ имеем:

?₂ = ?₁ ?^{0,1(t₂-t₁)},

где ? – температурный коэффициент скорости реакции, ? = 2–4.

Для реакций в растворах скорость также увеличивается с ростом температуры и часто в той же мере, как и для газовых реакций.

При повышении температуры возрастает число активных молекул, т. е. таких молекул, которые в момент столкновения обладают большей энергией и могут образовать продукты.

Как показывают исследования, активных молекул в реакционной среде при обычных условиях очень мало. Иначе все реакции между газами протекали бы мгновенно, и в воздухе не было бы, например, свободного кислорода, необходимого для дыхания. Реакции между газами при обычных условиях практически не идут (встречаются исключения, например, при 20 °C полностью протекает реакция 2NO + O₂ = 2NO₂).

4. Концентрация реагентов. Чтобы произошло взаимодействие, частицы реагирующих веществ в гомогенной среде должны столкнуться. Число столкновений пропорционально числу частиц реагирующих веществ в объеме реактора, т. е. молярным концентрациям этих веществ.

Чем большие количества веществ взяты для реакции в данном объеме системы, т. е. чем выше концентрация реагентов, тем больше число столкновений частиц и тем больше скорость реакции. Зависимость скорости реакции от концентрации реагентов распространяется на газовые смеси и растворы.

Установлено, что:

Скорость химической реакции прямо пропорциональна произведению молярных концентраций реагентов

если для реакции необходимо столкновение двух реагирующих молекул. Эта зависимость носит название кинетического закона действующих масс (К. Гулльберг, П. Воге, 1867)

Для гомогенной реакции А + В ->… этот закон изображается уравнением

? = kc_Ac_B,

где k – константа скорости реакции [л/(моль с)], зависящая от природы реагентов, присутствия катализатора и температуры, но не зависящая от концентрации реагентов и численно равная скорость реакции при условии с_Ас_в = 1.

Для гетерогенной реакции А + В_{(ж, т)} ->… взаимодействие происходит лишь на поверхности конденсированного (жидкого, твердого) вещества, поэтому концентрация такого вещества не входит в выражение закона действующих масс: ? = kc_A.

Для реакций, уравнения которых не отражают механизма протекания этих реакций, необходимо рассматривать каждую элементарную стадию отдельно. Тройные и более столкновения (А + В + В +… ->) маловероятны, поэтому такие реакции (например, N₂ + ЗН₂ = 2NH₃) протекают всегда в несколько элементарных стадий (А + В ->). Кинетический закон действующих масс применим только к каждой из этих стадий, но не к уравнению химической реакции в целом.

12.2. Энергетика реакций

Любая реакция сопровождается выделением или поглощением энергии в форме теплоты. В исходных веществах химические связи разрываются, и на это энергия затрачивается (т. е. она при этом поглощается системой), в продуктах же, наоборот, химические связи образуются, и при этом энергия выделяется. Разность между затраченной и выделившейся энергией называется тепловым эффектом химической реакции (обозначается Q). Если затрата энергии выше, чем ее выделение, то тепловой эффект будет отрицательным, или эндо-эффектом (-Q) в противном случае – положительным, или экзо-эффектом (+Q).

Тепловой эффект является внешним признаком реакций, в термохимических уравнениях он указывается после продуктов:

Такая запись означает, что при сгорании 4 моль железа в 3 моль кислорода с образованием 2 моль оксида железа (III) выделяется 1648 кДж теплоты, а при взаимодействии 1 моль углерода (в виде кокса) и 1 моль углекислого газа с получением 2 моль угарного газа поглощается извне 173 кДж теплоты.

Тепловые эффекты прямой и обратной реакций одинаковы по числу, но противоположны по знаку. Например, реакция

(обработка 1 моль оксида кальция водяным паром в количестве 1 моль с образованием 1 моль гидроксида кальция) сопровождается экзо-эффектом Q = +108 кДж, тогда как обратная реакция

(разложение 1 моль гидроксида кальция на 1 моль оксида кальция и 1 моль водяного пара) сопровождается эндо-эффектом Q = -108 кДж.

При протекании реакций (особенно с участием газов) могут существенно меняться объем и температура реакционной системы. Если тепловой эффект определяется при постоянном давлении (1 атм для каждого газа в системе, а при отсутствии газов общее давление 1 атм) и постоянной температуре (обычно 298 К, или 25 °C), то он отвечает стандартной энтальпии реакции, характеризующей в целом всю систему (функция системы). Энтальпия реакции обозначается ?Н°, знак ?Н° противоположен знаку Q:

Значение ?Н° записывается после уравнения и отделяется от него запятой:

Реакции, протекающие с высоким экзо-эффектом, часто требуют только начального нагревания (инициирования), а далее протекают самопроизвольно, например процесс алюминотермии:

Помимо энтальпии, химическая система характеризуется еще одной функцией – стандартной энтропией реакции ?S° (кДж/К), связанной с неупорядоченностью системы (степенью беспорядка). Чем больше частиц в системе и чем выше ее температура, тем больше степень беспорядка. В идеальном кристалле (при абсолютном нуле температуры) степень беспорядка нулевая (идеальный порядок), в реальных твердых телах существует всегда некоторая степень беспорядка, в жидкостях она уже выше, но наибольшая степень беспорядка в газах, где молекулы не зависят друг от друга и двигаются весьма хаотично. Например, для льда, жидкой воды и водяного пара значения ?S° равны соответственно 0,039, 0,07 и 0,189 кДж/К.

Всякая химическая реакция, таким образом, имеет две энергетические характеристики – энтальпию ?Н° и энтропию ?S°. Для самопроизвольных реакций характерно стремление к уменьшению энергии за счет теплопередачи в окружающую среду и одновременно к увеличению степени беспорядка. Эти факторы действуют в противоположных направлениях, поэтому результирующая величина будет равна их разности:

(здесь энтропия умножена на температуру для адекватности единиц, ?Н° и T?S° приведены в килоджоулях, так как К кДж/К = кДж).

Суммарная энергетическая функция системы называется стандартной энергией Гиббса реакции ?G°_T, индекс Т подчеркивает зависимость этой величины от температуры, что очевидно из уравнения (отметим еще, что ?Н° и ?S° мало зависят от температуры).

По значениям G°_T можно судить о возможности протекания реакций в направлении слева направо по химическому уравнению:

Например, синтез аммиака

при 25 °C возможен:

а при 350 °C невозможен:

Следовательно, при 25 °C имеется принципиальная возможность получения аммиака, а при сильном нагревании системы (реакция экзотермическая, ?Н° = -92 кДж) аммиак получить не удастся. Правда, при 25 °C реакция возможна только в принципе, так как она протекает очень медленно и с малым выходом. Ускорение реакций определяется факторами химической кинетики, а увеличение степени протекания – соответствующим смещением химического равновесия.

12.3. Обратимость реакций

Химическая реакция называется обратимой, если в данных условиях протекает не только прямая реакция (->), но также и обратная реакция т. е. из исходных веществ образуются продукты и одновременно из продуктов получаются реагенты:

Обратимые реакции не доходят до конца. Концентрации реагентов уменьшаются, что приводит к уменьшению скорости прямой реакции . Скорость же обратной реакции  постоянно возрастает, поскольку увеличиваются концентрации продуктов.

Когда скорости прямой и обратной реакций станут одинаковыми ( = ), наступит состояние химического равновесия, при котором не происходит дальнейшего изменения концентраций реагентов и продуктов.

В состоянии равновесия концентрации реагентов и продуктов постоянны, их называют равновесными концентрациями и обозначают [А], [В], [D] и [Е], в отличие от концентраций с_А, с_в, c_D и с_Е в любой другой момент времени. Установлено, что:

В состоянии равновесия произведение концентраций продуктов в степенях, равных стехиометрическим коэффициентам, деленное на такое же произведение концентраций реагентов, есть величина постоянная при T = const.

Такое соотношение обозначают К_с и называют константой равновесия данной реакции:

Это выражение носит название равновесный закон действующих масс (К. Гулльберг, П. Воге, 1867).

Значение К_с характеризует состояние равновесия в данной реакции и определяется соотношением концентраций, т. е. величина К_с не зависит от каждой в отдельности равновесной концентрации – [А], [В], [D] или [Е].

Химическое равновесие не означает, что наступило состояние покоя. Прямая и обратная реакции протекают и в состоянии равновесия, но с одинаковой скоростью. Поэтому оно называется подвижным (динамическим) равновесием.

Подвижное химическое равновесие можно нарушить, оказывая на систему внешнее воздействие и тем самым изменяя условия протекания реакции – температуру, давление, концентрацию. При любом нарушении (сдвиге) химического равновесия система перейдет (сместится) в другое состояние равновесия.

Влияние условий на смещение химического равновесия определяется принципом, который установлен французским ученым A.-Л. Ле-Шателье (1884).

Современная формулировка принципа смещения равновесия, называемого принципом Ле-Шателье:

При воздействии на равновесную систему химическое равновесие смещается в сторону, противодействующую этому воздействию.

Рассмотрим подробнее влияние таких факторов, как температура, давление, концентрация, на смещение равновесия.

1. Температура. Повышение температуры смещает равновесие обратимой реакции в сторону процесса, идущего с поглощением теплоты (эндотермическое направление), а понижение температуры – в сторону процесса, идущего с выделением теплоты (экзотермическое направление).

Для экзотермической реакции:

Для эндотермической реакции:

Значение К_с обязательно изменится при повышении и понижении температуры, так как значения констант скорости k прямой (->) и обратной (<-) реакций по-разному зависят от температуры, ведь это реакции между разными реагентами (соответственно А и В или D и Е). Следовательно, константа равновесия – функция температуры:

K_c = ?(t)

Примеры:

а) повышение температуры (нагревание):

б) понижение температуры (охлаждение):

2. Давление. Изменение давления оказывает влияние только на те системы, где хотя бы одно вещество находится в газообразном состоянии (твердые и жидкие вещества не учитываются, так как их собственный объем весьма мал по сравнению с объемом газов и паров).

Увеличение давления в обратимой реакции смещает равновесие с сторону процесса, идущего с уменьшением количества газообразных веществ, т. е. с уменьшением объема, а уменьшение давления – в сторону увеличения количества газообразных веществ, т. е. с увеличением объема:

а)

б)

При ?n_реаг = ?n_прод изменение не вызовет смещения равновесия.

Примеры гомогенных реакций:

а) увеличение давления (сжатие):

б) уменьшение давления (расширение):

Примеры гетерогенных реакций (коэффициенты перед формулами конденсированных веществ не учитываются):

а) увеличение давления (сжатие):

б) уменьшение давления (расширение):

В реакциях с равными количествами газообразных реагентов и продуктов (здесь 2 = 2 в обоих примерах):

сдвиг равновесия наблюдаться не будет.

3. Концентрация. При увеличении концентрации одного из газообразных веществ (реагента или продукта), находящегося в равновесной системе, равновесие смещается в сторону расхода данного вещества. При уменьшении концентрации этого вещества равновесие смещается в сторону образования данного вещества. Изменение содержания твердых и жидких веществ не влияет на состояние равновесия.

Для некоторой реакции:

Смещение равновесия вправо можно было вызвать добавлением избытка реагента А (вместо В), а смещение влево возможно только избытком продукта D (другой продукт – твердое вещество).

Этот вывод следует непосредственно из равновесного закона действующих масс:

При добавлении в систему газа D равновесие сместится влево т. е. при протекании обратной реакции так увеличится содержание газов А и В, что соотношение концентраций останется постоянным и равным К_с. Отметим еще раз, что добавление конденсированного вещества (здесь твердого Е) не повлияет на состояние равновесия (сдвиг равновесия добавлением Е невозможен).

Примеры:

а) при добавлении аммиака равновесие сместится вправо:

б) при добавлении водорода равновесие сместится влево:

Примеры заданий части А

1. Гетерогенные реакции – это

1) Н₂ + I₂(г) -> HI

2) Fe₂(SO₄)₃(т) -> Fe₂O₃(T) + SO₃

3) Zn + H₂SO₄ -> ZnSO₄ + H₂?

4) CO + H₂ -> CO + H₂O (nap)

2. При взаимодействии H₂ с Cl₂, Br₂ и I₂ в сосудах равного объема через 27 с образуется по 0,04 моль продуктов. Скорость реакции

1) выше для I₂

2) выше для Cl₂

3) одинакова

4) выше для Br₂

3. Для гомогенной реакции А + В ->… при одновременном увеличении молярной концентрации исходных веществ в 3 раза скорость реакции возрастет

1) в 2 раза

2) в 3 раза

3) в 6 раз

4) в 9 раз

4—6. Скорость реакции

4. 2CuО_(т) + СО ->…

5. 2FeO_(т) + С_(т) ->…

6. N₂ + 2С_(т) + Н₂ ->…

при V = const и увеличении количества веществ в 4 раза изменится так:

1) возрастет в 4 раза

2) возрастет в 8 раз

3) возрастет в 16 раз

4) не изменится

7—8. Равновесие смещается вправо (->) при

7. нагревании

8. охлаждении реакционных систем

1) 2СО + O₂  2СO₂ + Q

2) 2HI +  Н₂ + I₂ – Q

3) N₂ + O₂  2NO – Q

4) 2Н₂ + O₂  2Н₂O + Q

9. Равновесие реакции этерификации СН₃СООН + С₂Н₅ОН  СН₃СООС₂Н₅ + Н₂O + Q

можно сдвинуть вправо (->)

1) добавлением серной кислоты

2) добавлением едкого натра

3) нагреванием

4) добавлением воды

10. Равновесие в гетерогенной реакции СаО_(ст) + СО₂  СаСO_3(т) + Q сместится влево (<-) при

1) добавлении СаО

2) добавлении СаСO₃

3) сжатии

4) нагревании

11. Выход продукта в реакции CaS_(т) + 2O₂  CaSO_4(т) + Q

можно увеличить

1) добавлением CaS

2) нагреванием

3) введением катализатора

4) повышением давления

12. Доменный процесс Fe₂O₃ + ЗСО  2Fe + ЗСO₂ сопровождается экзо-эффектом, следовательно, при охлаждении выход продуктов

1) увеличивается

2) уменьшается

3) не изменяется

4) не знаю

13. Водные растворы. Растворимость и диссоциация веществ. Ионный обмен. Гидролиз солей

13.1. Растворимость веществ в воде

Раствор – это гомогенная система, состоящая из двух или более веществ, содержание которых можно изменять в определенных пределах без нарушения однородности.

Водные растворы состоят из воды (растворителя) и растворенного вещества. Состояние веществ в водном растворе при необходимости обозначается нижним индексом (р), например, KNO₃ в растворе – KNO_3(p).

Растворы, которые содержат малое количество растворенного вещества, часто называют разбавленными, а растворы с высоким содержанием растворенного вещества – концентрированными. Раствор, в котором возможно дальнейшее растворение вещества, называется ненасыщенным, а раствор, в котором вещество перестает растворяться при данных условиях, – насыщенным. Последний раствор всегда находится в контакте (в гетерогенном равновесии) с нерастворившимся веществом (один кристалл или более).

В особых условиях, например при осторожном (без перемешивания) охлаждении горячего ненасыщенного раствора твердого вещества, может образоваться пересыщенный раствор. При введении кристалла вещества такой раствор разделяется на насыщенный раствор и осадок вещества.

В соответствии с химической теорией растворов Д. И. Менделеева растворение вещества в воде сопровождается, во-первых, разрушением химических связей между молекулами (межмолекулярные связи в ковалентных веществах) или между ионами (в ионных веществах), и, таким образом, частицы вещества смешиваются с водой (в которой также разрушается часть водородных связей между молекулами). Разрыв химических связей совершается за счет тепловой энергии движения молекул воды, при этом происходит затрата энергии в форме теплоты.

Во-вторых, попав в воду, частицы (молекулы или ионы) вещества подвергаются гидратации. В результате образуются гидраты – соединения неопределенного состава между частицами вещества и молекулами воды (внутренний состав самих частиц вещества при растворении не изменяется). Такой процесс сопровождается выделением энергии в форме теплоты за счет образования новых химических связей в гидратах.

В целом раствор либо охлаждается (если затрата теплоты превосходит ее выделение), либо нагревается (в противном случае); иногда – при равенстве затраты теплоты и ее выделения – температура раствора остается неизменной.

Многие гидраты оказываются настолько устойчивыми, что не разрушаются и при полном выпаривании раствора. Так, известны твердые кристаллогидраты солей CuSO₄ 5Н₂O, Na₂CO₃ • 10Н₂O, KAl(SO₄)₂ • 12Н₂O и др.

Содержание вещества в насыщенном растворе при Т = const количественно характеризует растворимость этого вещества. Обычно растворимость выражается массой растворенного вещества, приходящейся на 100 г воды, например 65,2 г КBr/100 г Н₂O при 20 °C. Следовательно, если 70 г твердого бромида калия ввести в 100 г воды при 20 °C, то 65,2 г соли перейдет в раствор (который будет насыщенным), а 4,8 г твердого КBr (избыток) останется на дне стакана.

Следует запомнить, что содержание растворенного вещества в насыщенном растворе равно, в ненасыщенном растворе меньше и в пересыщенном растворе больше его растворимости при данной температуре. Так, раствор, приготовленный при 20 °C из 100 г воды и сульфата натрия Na₂SO₄ (растворимость 19,2 г/100 г Н₂O), при содержании

15,7 г соли – ненасыщенный;

19.2 г соли – насыщенный;

2O.3 г соли – пересыщенный.

Растворимость твердых веществ (табл. 14) обычно увеличивается с ростом температуры (КBr, NaCl), и лишь для некоторых веществ (CaSO₄, Li₂CO₃) наблюдается обратное.

Растворимость газов при повышении температуры падает, а при повышении давления растет; например, при давлении 1 атм растворимость аммиака составляет 52,6 (20 °C) и 15,4 г/100 г Н₂O (80 °C), а при 20 °C и 9 атм она равна 93,5 г/100 г Н₂O.

В соответствии со значениями растворимости различают вещества:

– хорошо растворимые, масса которых в насыщенном растворе соизмерима с массой воды (например, КBr – при 20 °C растворимость 65,2 г/100 г Н₂O; 4,6М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью более чем 0,1М;

– малорастворимые, масса которых в насыщенном растворе значительно меньше массы воды (например, CaSO₄ – при 20 °C растворимость 0,206 г/100 г Н₂O; 0,015М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью 0,1–0,001М;

– практически нерастворимые, масса которых в насыщенном растворе пренебрежимо мала по сравнению с массой растворителя (например, AgCl – при 20 °C растворимость 0,00019 г на 100 г Н₂O; 0,0000134М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью менее чем 0,001М.

По справочным данным составлена таблица растворимости распространенных кислот, оснований и солей (табл. 15), в которой указан тип растворимости, отмечены вещества, не известные науке (не полученные) или полностью разлагающиеся водой.

Условные обозначения, используемые в таблице:

«р» – хорошо растворимое вещество

«м» – малорастворимое вещество

«н» – практически нерастворимое вещество

«—» – вещество не получено (не существует)

«» – вещество смешивается с водой неограниченно

Примечание. Данная таблица отвечает приготовлению насыщенного раствора при комнатной температуре путем внесения вещества (в соответствующем агрегатном состоянии) в воду. Следует учесть, что получение осадков малорастворимых веществ с помощью реакций ионного обмена возможно не всегда (подробнее см. 13.4).

13.2. Электролитическая диссоциация

Растворение любого вещества в воде сопровождается образованием гидратов. Если при этом в растворе не происходит формульных изменений у частиц растворенного вещества, то такие вещества относят к неэлектролитам. Ими являются, например, газ азот N₂, жидкость хлороформ СНCl₃, твердое вещество сахароза C₁₂Н₂₂О₁₁, которые в водном растворе существуют в виде гидратов их молекул.

Известно много веществ (в общем виде МА), которые после растворения в воде и образования гидратов молекул MA nН₂O претерпевают существенные формульные изменения. В результате в растворе появляются гидратированные ионы – катионы М⁺ • nН₂O и анионы А • nН₂O:

Такие вещества относят к электролитам.

Процесс появления гидратированных ионов в водном растворе называется электролитической диссоциацией (С. Аррениус, 1887).

Электролитическая диссоциация ионных кристаллических веществ (М⁺)(А^-) в воде является необратимой реакцией:

Такие вещества относятся к сильным электролитам, ими являются многие основания и соли, например:

Электролитическая диссоциация веществ MA, состоящих из полярных ковалентных молекул, является обратимой реакцией:

Такие вещества относят к слабым электролитам, ими являются многие кислоты и некоторые основания, например:

а)

б)

в)

г)

В разбавленных водных растворах слабых электролитов мы всегда обнаружим как исходные молекулы, так и продукты их диссоциации – гидратированные ионы.

Количественная характеристика диссоциации электролитов называется степенью диссоциации и обозначается ?^[1], всегда ? > 0.

Для сильных электролитов ? = 1 по определению (диссоциация таких электролитов полная).

Для слабых электролитов степень диссоциации – отношение молярной концентрации продиссоциировавшего вещества (с_д) к общей концентрации вещества в растворе (с):

Степень диссоциации – это доля от единицы или от 100 %. Для слабых электролитов ? « С 1 (100 %).

Для слабых кислот Н_nА степень диссоциации по каждой следующей ступени резко уменьшается по сравнению с предыдущей:

Степень диссоциации зависит от природы и концентрации электролита, а также от температуры раствора; она растет при уменьшении концентрации вещества в растворе (т. е. при разбавлении раствора) и при нагревании.

В разбавленных растворах сильных кислот Н_nА их гидроанионы Н_n-1А не существуют, например:

B концентрированных растворах содержание гидроанионов (и даже исходных молекул) становится заметным:

(суммировать уравнения стадий обратимой диссоциации нельзя!). При нагревании значения ?₁ и ?₂ возрастают, что способствует протеканию реакций с участием концентрированных кислот.

Кислоты – это электролиты, которые при диссоциации поставляют в водный раствор катионы водорода и никаких других положительных ионов не образуют:

Распространенные сильные кислоты:

В разбавленном водном растворе (условно до 10 %-ного или 0,1-молярного) эти кислоты диссоциируют полностью. Для сильных кислот Н_nА в список вошли их гидроанионы (анионы кислых солей), также диссоциирующие полностью в этих условиях.

Распространенные слабые кислоты:

Основания – это электролиты, которые при диссоциации поставляют в водный раствор гидроксид-ионы и никаких других отрицательных ионов не образуют:

Диссоциация малорастворимых оснований Mg(OH)₂, Cu(OH)₂, Mn(OH)₂, Fe(OH)₂ и других практического значения не имеет.

К сильным основаниям (щелочам) относятся NaOH, КОН, Ва(ОН)₂ и некоторые другие. Самым известным слабым основанием является гидрат аммиака NH₃ Н₂O.

Средние соли – это электролиты, которые при диссоциации поставляют в водный раствор любые катионы, кроме Н⁺, и любые анионы, кроме ОН^-:

Речь идет только о хорошо растворимых солях. Диссоциация малорастворимых и практически нерастворимых солей значения не имеет.

Аналогично диссоциируют двойные соли:

Кислые соли (большинство из них растворимы в воде) диссоциируют полностью по типу средних солей:

Образующиеся гидроанионы подвергаются, в свою очередь, воздействию воды:

а) если гидроанион принадлежит сильной кислоте, то он сам диссоциирует также полностью:

и полное уравнение диссоциации запишется в виде:

(растворы таких солей обязательно будут кислыми, как и растворы соответствующих кислот);

б) если гидроанион принадлежит слабой кислоте, то его поведение в воде двойственно – либо неполная диссоциация по типу слабой кислоты:

либо взаимодействие с водой (называемое обратимым гидролизом):

При ?₁ > ?₂ преобладает диссоциация (и раствор соли будет кислым), а при ?₁ > ?₂ – гидролиз (и раствор соли будет щелочным). Так, кислыми будут растворы солей с анионами HSO₃^-, H₂PO₄^-, H₂AsO₄^- и HSeO₃^-, растворы солей с другими анионами (их большинство) будут щелочными. Другими словами, название «кислые» для солей с большинством гидроанионов не предполагает, что эти анионы будут вести себя в растворе как кислоты (гидролиз гидроанионов и расчет отношения между ?₁ и а₂ изучаются только в высшей школе).

Осн?вные соли MgCl(OH), Cu₂CO₃(OH)₂ и другие в своем большинстве практически нерастворимы в воде, и обсуждать их поведение в водном растворе невозможно.

13.3. Диссоциация воды. Среда растворов

Сама вода – это очень слабый электролит:

Концентрации катиона Н⁺ и аниона ОН^- в чистой воде весьма малы и составляют 1 10^-7 моль/л при 25 °C.

Катион водорода Н⁺ представляет собой простейшее ядро – протон р⁺ (электронная оболочка катиона Н⁺ – пустая, 1s⁰). У свободного протона велики подвижность и проникающая способность, в окружении полярных молекул Н₂O он не может оставаться свободным. Протон тут же присоединяется к молекуле воды:

В дальнейшем для простоты оставляется запись Н⁺ (но подразумевается Н₃O⁺).

В воде содержание ионов Н⁺ и ОН одинаково; в водных растворах кислот появляется избыток ионов Н⁺, в водных растворах щелочей – избыток ионов ОН (за счет диссоциации кислот и оснований).

Типы среды водных растворов:

Содержание Н⁺ и ОН^- в водных растворах обычно выражают через водородный показатель рН (читается пэ-аш) и аналогичный ему гидроксильный показатель рОН:

Для воды при комнатной температуре имеем:

следовательно, в чистой воде:

Это равенство справедливо и для водных растворов:

Практическая шкала рН отвечает интервалу 1—13 (разбавленные растворы кислот и оснований):

В практически нейтральной среде с рН = 6–7 и рН = 7–8 концентрация Н⁺ и ОН^- очень мала (1 10^-6 – 1 • 10^-7 моль/л) и почти равна концентрации этих ионов в чистой воде. Такие растворы кислот и оснований считаются предельно разбавленными (содержат очень мало вещества).

Для практического установления типа среды водных растворов служат индикаторы – вещества, которые окрашивают в характерный цвет нейтральные, кислые и/или щелочные растворы.

Распространенные в лаборатории индикаторы – это лакмус, метилоранж и фенолфталеин.

Метилоранж (индикатор на кислотную среду) становится розовым в сильнокислом растворе (табл. 16), фенолфталеин (индикатор на щелочную среду) – малиновым в сильнощелочном растворе, а лакмус используется во всех средах.

13.4. Реакции ионного обмена

В разбавленных растворах электролитов (кислот, оснований, солей) химические реакции протекают обычно при участии ионов. При этом все элементы реагентов могут сохранять свои степени окисления (обменные реакции) или изменять их (окислительно-восстановительные реакции). Примеры, приводимые далее, относятся к обменным реакциям (о протекании окислительно-восстановительных реакций см. разд. 14).

В соответствии с правилом Бертолле, ионные реакции протекают практически необратимо, если образуются твердые малорастворимые вещества (они выпадают в осадок), легколетучие вещества (они выделяются в виде газов) или растворимые вещества – слабые электролиты (в том числе и вода). Ионные реакции изображаются системой уравнений — молекулярным, полным и кратким ионным. Ниже полные ионные уравнения опущены (читателю предлагается составить их самому).

При написании уравнений ионных реакций надо обязательно руководствоваться таблицей растворимости (см. табл. 8).

Примеры реакций с выпадением осадков:

а)

б)

в)

г)

Внимание! Указанные в таблице растворимости (см. табл. 15) малорастворимые («м») и практически нерастворимые («н») соли выпадают в осадок именно в том виде, как они представлены в таблице (СаF₂?, PbI₂?, Ag₂SO₄?, AlPO₄? и т. д.).

В табл. 15 не указаны карбонаты – средние соли с анионом CO₃^2-. Следует иметь в виду, что:

1) К₂СO₃, (NH₄)₂CO₃ и Na₂CO₃ растворимы в воде;

2) Ag₂CO₃, ВаСO₃ и СаСO₃ практически нерастворимы в воде и выпадают в осадок как таковые, например:

3) соли остальных катионов, такие как MgCO₃, CuCO₃, FeCO₃, ZnCO₃ и другие, хотя и нерастворимы в воде, но не осаждаются из водного раствора при проведении ионных реакций (т. е. их нельзя получить этим способом).

Например, карбонат железа (II) FeCO₃, полученный «сухим путем» или взятый в виде минерала сидерит, при внесении в воду осаждается без видимого взаимодействия. Однако при попытке его получения по обменной реакции в растворе между FeSO₄ и К₂СO₃ выпадает осадок основной соли (приведен условный состав, на практике состав более сложный) и выделяется углекислый газ:

Аналогично FeCO₃, сульфид хрома (III) Cr₂S₃ (нерастворимый в воде) не осаждается из раствора:

В табл. 15 не указаны также соли, которые разлагаются водой — сульфид алюминия Al₂S₃ (а также BeS) и ацетат хрома (III) Cr(СН₃СОО)₃:

Следовательно, эти соли также нельзя получить по обменной реакции в растворе:

(в последней реакции состав осадка более сложный; подробнее такие реакции изучают в высшей школе).

Примеры реакций с выделением газов:

Примеры реакций с образованием слабых электролитов:

Если реагенты и продукты обменной реакции не являются сильными электролитами, ионный вид уравнения отсутствует, например:

13.5. Гидролиз солей

Гидролиз соли – это взаимодействие ее ионов с водой, приводящее к появлению кислотной или щелочной среды, но не сопровождающееся образованием осадка или газа (ниже речь идет о средних солях).

Процесс гидролиза протекает только с участием растворимых солей и состоит из двух этапов:

1) диссоциация соли в растворе – необратимая реакция (степень диссоциации ? = 1, или 100 %);

2) собственно гидролиз, т. е. взаимодействие ионов соли с водой, – обратимая реакция (степень гидролиза ? < 1, или 100 %).

Уравнения 1-го и 2-го этапов – первый из них необратим, второй обратим – складывать нельзя!

Отметим, что соли, образованные катионами щелочей и анионами сильных кислот, гидролизу не подвергаются, они лишь диссоциируют при растворении в воде. В растворах солей КCl, NaNO₃, Na₂SO₄ и BaI₂ среда нейтральная.

В случае взаимодействия аниона растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по аниону.

1)

2)

Диссоциация соли KNO₂ протекает полностью, гидролиз аниона NO₂ – в очень малой степени (для 0,1М раствора – на 0,0014 %), но этого оказывается достаточно, чтобы раствор стал щелочным (среди продуктов гидролиза присутствует ион ОН^-), в нем рН = 8,14.

Гидролизу подвергаются анионы только слабых кислот (в данном примере – нитрит-ион NO₂^-, отвечающий слабой азотистой кислоте HNO₂). Анион слабой кислоты притягивает к себе катион водорода, имеющийся в воде, и образует молекулу этой кислоты, а гидроксид-ион остается свободным:

Список гидролизующихся анионов:

Примеры:

а)

б)

в)

г)

д)

Обратите внимание, что в примерах (в – д) нельзя увеличивать число молекул воды и вместо гидроанионов (HCO₃^-, HPO₄^2-, HS^-) писать формулы соответствующих кислот (Н₂СO₃, Н₃РO₄, H₂S). Гидролиз – обратимая реакция, и протекать «до конца» (до образования кислоты Н_nА) он не может.

Если бы такая неустойчивая кислота, как Н₂СO₃, образовалась в растворе своей соли Na₂CO₃, то наблюдалось бы выделение из раствора газа СO₂ (Н₂СO₃ = СO₂? + Н₂O). Однако при растворении соды в воде образуется прозрачный раствор без газовыделения, что является свидетельством неполноты протекания гидролиза аниона СО| с появлением в растворе только гидроаниона угольной кислоты HCOg.

Степень гидролиза соли по аниону зависит от степени диссоциации продукта гидролиза – кислоты (HNO₂, НClO, HCN) или ее гидроаниона (HCO₃^-, HPO₄^2-, HS^-); чем слабее кислота, тем выше степень гидролиза. Например, ионы СО₃^2-, РО₄^3- и S^2- подвергаются гидролизу в большей степени (в 0,1 М растворах ~ 5 %, 37 % и 58 % соответственно), чем ион NO₂, так как диссоциация Н₂СO₃ и H₂S по 2-й ступени, а Н₃РO₄ по 3-й ступени (т. е. диссоциация ионов HCO₃^-, HS^- и HPO₄^2-) протекает значительно меньше, чем диссоциация кислоты HNO₂. Поэтому растворы, например, Na₂CO₃, К₃РO₄ и BaS будут сильнощелочными (в чем легко убедиться по мылкости раствора соды на ощупь). Избыток ионов ОН в растворе легко обнаружить индикатором или измерить специальными приборами (рН-метрами).

Если в концентрированный раствор сильно гидролизующейся по аниону соли, например Na₂CO₃, внести алюминий, то последний (вследствие амфотерности) прореагирует с ОН^-

и будет наблюдаться выделение водорода. Это – дополнительное доказательство протекания гидролиза иона СО₃^2- (ведь в раствор Na₂CO₃ мы не добавляли щелочь NaOH!).

В случае взаимодействия катиона растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по катиону:

Диссоциация соли Ni(NO₃)₂ протекает полностью, гидролиз катиона Ni²⁺ – в очень малой степени (для 0,1 М раствора – на 0,001 %), но этого оказывается достаточно, чтобы раствор стал кислым (среди продуктов гидролиза присутствует ион Н⁺), в нем рН = 5,96.

Гидролизу подвергаются катионы только малорастворимых основных и амфотерных гидроксидов и катион аммония NH₄⁺. Гидролизуемый катион притягивает к себе анион ОН^-, имеющийся в воде, и образует соответствующий гидроксокатион, а катион Н⁺ остается свободным:

Катион аммония в этом случае образует слабое основание – гидрат аммиака:

Список гидролизующихся катионов:

Примеры:

а)

б)

в)

г)

Обратите внимание, что в примерах (а – в) нельзя увеличивать число молекул воды и вместо гидроксокатионов FeOH²⁺, CrOH²⁺, ZnOH⁺ писать формулы гидроксидов FeO(OH), Cr(OH)₃, Zn(OH)₂. Если бы гидроксиды образовались, то из растворов солей FeCl₃, Cr₂(SO₄)₃ и ZnBr₂ выпали бы осадки, чего не наблюдается (эти соли образуют прозрачные растворы).

Избыток катионов Н⁺ легко обнаружить индикатором или измерить специальными приборами. Можно также

проделать такой опыт. В концентрированный раствор сильно гидролизующейся по катиону соли, например AlCl₃:

вносится магний или цинк. Последние прореагируют с Н⁺:

и будет наблюдаться выделение водорода. Этот опыт – дополнительное свидетельство протекания гидролиза катиона Al³⁺ (ведь в раствор AlCl₃ мы не добавляли кислоту!).

Примеры заданий частей А, В

1. Сильный электролит – это

1) С₆Н₅ОН

2) СН₃СООН

3) С₂Н₄(ОН)₂

4) К(НСОО)

2. Слабый электролит – это

1) иодоводород

2) фтороводород

3) сульфат аммония

4) гидроксид бария

3. В водном растворе их каждых 100 молекул образуется 100 катионов водорода для кислоты

1) угольной

2) азотистой

3) азотной

4) серной

4—7. В уравнении диссоциации слабой кислоты по всем возможным ступеням

4. Н₃РO₄

5. H₂SeO₃

6. H₄SiO₄

7. HF

сумма коэффициентов равна

1) 3

2) 6

3) 9

4) 12

8—11. Для уравнений диссоциации в растворе двух щелочей набора

8. NaOH, Ва(ОН)₂

9. Sr(OH)₂, Са(ОН)₂

10. КОН, LiOH

11. CsOH, Са(ОН)₂

общая сумма коэффициентов составляет

1) 5

2) 6

3) 7

4) 8

12. В известковой воде содержится набор частиц

1) СаОН+, Са²⁺, ОН^-

2) Са²⁺, ОН^-, Н₂O

3) Са²⁺, Н₂O, О^2-

4) СаОН⁺, О^2-, Н+

13—16. При диссоциации одной формульной единицы соли

13. NH₄NO₃

14. К₂Cr₂O₇

15. Al(NO₃)₃

16. Cr₂(SO₄)₃

число образующихся ионов равно

1) 2

2) 3

3) 4

4) 5

17. Наибольшее количество иона РО₄^-3 можно обнаружить в растворе, содержащем 0,1 моль

1) NaH₂PO₄

2) NaHPO₄

3) Н₃РO₄

4) Na₃PO₄

18. Реакция с выпадением осадка – это

1) MgSO₄ + H₂SO₄ ->…

2) AgF + HNO₃ ->…

3) Na₂HPO₄ + NaOH ->…

4) Na₂SiO₃ + HCl ->…

19. Реакция с выделением газа – это

1) NaOH + СН₃СООН ->…

2) FeSO₄ + КОН ->…

3) NaHCO₃ + HBr ->…

4) Pl(NO₃)₂ + Na₂S ->…

20. Краткое ионное уравнение ОН^- + Н⁺ = Н₂O отвечает взаимодействию

1) Fe(OH)₂ + НCl ->…

2) NaOH + HNO₂ ->…

3) NaOH + HNO₃ ->…

4) Ва(ОН)₂ + KHSO₄ ->…

21. В ионном уравнении реакции

SO₂ + 2OН = SO₃^2- + Н₂O

ион ОН^- может отвечать реагенту

1) Cu(ОН)₂

2) Н₂O

3) LiOH

4) С₆Н₅ОН

22—23. Ионное уравнение

22. ЗСа²⁺ + 2РO₄^3- = Са₃(РO₄)₂?

23. Са²⁺ + НРO₄^2- = СаНРO₄?

соответствует реакции между

1) Са(ОН)₂ и К₃РO₄

2) СаCl₂ и NaH₂PO₄

3) Са(ОН)₂ и Н₃РО₄

4) СаCl и К₂НРO₄

24—27. В молекулярном уравнении реакции

24. Na₃PO₄ + AgNO₃ ->…

25. Na₂S + Cu(NO₃)₂ ->…

26. Ca(HSO₃)₂ [p-p, t] ->…

27. K₂SO₃ + 2HBr ->… сумма коэффициентов равна

1) 4

2) 5

3) 7

4) 8

28—29. Для реакции полной нейтрализации

28. Fe(OH)₂ + HI ->…

29. Ва(ОН)₂ + H₂S ->…

сумма коэффициентов в полном ионном уравнении составляет

1) 6

2) 8

3) 10

4) 12

30—33. В кратком ионном уравнении реакции

30. NaF + AlCl₃ ->…

31. К₂СO₃ + Sr(NO₃)₂ ->…

32. Mgl₂ + К₃РO₄ ->…

33. Na₂S + H₂SO₄ ->…

сумма коэффициентов равна

1) 3

2) 4

3) 5

4) 6

34—36. В водном растворе соли

34. Са(ClO₄)₂

35. AgF

36. Fe₂(SO₄)₃

образуется среда

1) кислотная

2) нейтральная

3) щелочная

4) любая

37. Концентрация гидроксид-иона увеличивается после растворения в воде соли

1) CsNO₃

2) SrCl₂

3) NaCN

4) KHSO₄

38. Нейтральная среда будет в конечном растворе после смешивания растворов исходных солей в наборах

1) ВаCl₂, Fe(NO₃)₃

2) Na₂CO₃, SrS

3) BaS, ZnSO₄

4) MgCl₂, RbNO₃

39. Установите соответствие между солью и ее способностью к гидролизу.

40. Установите соответствие между солью и средой раствора.

41. Установите соответствие между солью и концентрацией катиона водорода после растворения соли в воде.

14. Окислительно-восстановительные реакции. Электролиз

14.1. Окислители и восстановители

Окислительно-восстановительные реакции протекают с одновременным повышением и понижением степеней окисления элементов и сопровождаются передачей электронов:

Повышение степени окисления элемента в ходе реакции, отвечающее потере электронов атомами этого элемента, называют окислением: S^-II – 6е^- = S^IV. В данном примере S^-II окисляется до S^IV.

Понижение степени окисления элемента в ходе реакции, отвечающее присоединению электронов атомами этого элемента, называется восстановлением: O⁰ + 2е^- = О^-II. В данном примере О⁰ восстанавливается до O^-II.

Вещество, частицы которого содержат окисляющиеся атомы, выполняет в реакции функцию восстановителя. В данном примере восстановитель – сероводород H₂S.

Вещество, частицы которого содержат восстанавливающиеся атомы, выполняет в реакции функцию окислителя. В данном примере окислитель – молекулярный кислород O₂.

Вещества, являющиеся окислителями или восстановителями во многих реакциях, называются типичными (сильными).

Многие вещества могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства. К таким веществам принадлежат соединения, содержащие элементы в промежуточной (для них) степени окисления:

Окислительно-восстановительные свойства веществ связаны с положением элементов в Периодической системе Д. И. Менделеева. Простые вещества – неметаллы обладают б?льшими окислительными свойствами, а металлы – б?льшими восстановительными свойствами (O₂, Cl₂ – окислители; Na, Ва, Al и Zn – восстановители).

В каждой группе Периодической системы элемент с большим порядковым номером будет обладать и б?льшими восстановительными свойствами в своей группе, а элемент с меньшим порядковым номером – б?льшими окислительными свойствами. Так, кальций Са – более сильный восстановитель, чем магний Mg, молекулярный хлор Cl₂ – более сильный окислитель, чем иод I₂.

Соединения, содержащие атомы элементов в низкой степени окисления, будут восстановителями за счет этих атомов, например: NH₃ – восстановитель за счет азота (-III), H₂S – за счет серы (-II), KI – за счет иода (-I) и т. д.

Соединения, включающие атомы элементов в высокой степени окисления, будут окислителями, например: HNO₃ – окислитель за счет азота (+V), КMnO₄ – за счет марганца (+VII), К₂Cr₂O₇ – за счет хрома (+VI) и т. д.

14.2. Подбор коэффициентов методом электронного баланса

Метод состоит из нескольких этапов.

1. Записывают схему реакции; находят элементы, повышающие и понижающие свои степени окисления, и выписывают их отдельно:

2. Составляют уравнения полуреакций окисления и восстановления:

3. Подбирают дополнительные множители (справа за чертой) для уравнений полуреакций так, чтобы число электронов, отданных восстановителем, стало равным числу электронов, принятых окислителем:

4. Проставляют найденные множители в качестве коэффициентов в схему реакции:

5. Проводят проверку по элементу, который не менял свою степень окисления (чаще всего – кислород):

Примеры:

а)

(коэффициент перед СO₂ подбирается поэлементно и в последнюю очередь, проверка – по кислороду);

б)

в)

(простые вещества – здесь N₂ – пишут в уравнениях полуреакций в молекулярном виде);

г)

(реакция внутримолекулярного окисления-восстановления, расчет ведут на число атомов в формульной единице реагента – 2N^-IIIи 2Cr^VI);

д)

e)

(реакция дисмутации, коэффициенты ставят сначала в правую часть уравнения);

ж)

(коэффициент перед К₂MnO₄ находят суммированием числа атомов Mn^VI в правой части обоих уравнений полуреакций);

з)

(реакция конмутации, коэффициенты ставят сначала в левую часть уравнения);

и)

к)

(в FeS₂ окисляются атомы Fe^II Fe^III и S^-I -> S^IV, расчет ведут на число этих атомов в формульной единице реагента и суммируют число отданных электронов);

л)

(в реагенте одновременно окисляются атомы первого слева и восстанавливаются атомы второго слева элементов: Fe^II -> Fe^III и N^V -> N^IV, расчет ведут на число этих атомов в формуле реагента и алгебраически суммируют число электронов);

м)

(коэффициент для HNO₃ находят суммированием числа атомов N в правой части уравнения);

н)

(в растворе Zn – восстановитель, H₂O – окислитель; в молекуле воды восстанавливается один атом водорода из двух: Н^IОН – Н⁰);

(в расплаве восстанавливается атом водорода из гидроксид-иона [ОН^I]^- -> Н⁰).

14.3. Ряд напряжений металлов

В ряду напряжений металлов стрелка отвечает уменьшению восстановительной способности металлов и увеличению окислительной способности их катионов в водном растворе (кислотная среда):

Ряд напряжений позволяет установить:

1) будет ли протекать реакция между металлом и водой; металлы, стоящие в ряду левее Mg, т. е. Li, К, Ва, Са и Na, реагируют с водой по уравнениям:

остальные металлы в обычных условиях не реагируют с водой;

2) будет ли протекать реакция с выделением Н₂ между металлом и кислотой, которая является окислителем за счет катионов Н⁺, такими как НCl и H₂SO₄ (разб.).

С НCl (разб.) и H₂SO₄ (разб.) реагируют почти все металлы, стоящие левее водорода, например:

Исключения: металлы Ti и Sn реагируют только с НCl (конц.):

и не реагируют с H₂SO₄ (разб.). Металл Pb, восстановительная активность которого почти равна таковой для водорода, не реагирует с НCl (разб., конц.) и H₂SO₄ (разб.).

Металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода – Cu, Hg, Ag, Pt и Au, в принципе не вступают во взаимодействие с НCl и H₂SO₄ (разб.) и не вытесняют из них водорода.

Внимание! Из распространенных кислот в реакции с вытеснением водорода не вступают азотная кислота HNO₃ (ни концентрированная, ни разбавленная) и серная кислота H₂SO₄ (конц.);

3) будет ли протекать реакция замещения между металлом и солью другого металла в ее растворе; чем левее находится металл в ряду напряжений, тем легче он переходит в состояние катиона и восстанавливает все металлы, стоящие справа от него (положение металлов относительно водорода не имеет значения). Так, Fe вытесняет металлы Cd – Au (по ряду слева направо) из растворов их солей.

Примеры:

а)

б)

в)

В этих реакциях не используют металлы Li – Na (левая часть ряда), которые будут реагировать не с солями других металлов в растворе, а с водой.

14.4. Электролиз расплава и раствора

Электролизом называется окислительно-восстановительный процесс, протекающий на электродах при прохождении постоянного электрического тока через растворы или расплавы электролитов.

На отрицательно заряженном электроде — катоде происходит электрохимическое восстановление частиц (атомов, молекул, катионов), а на положительно заряженном электроде — аноде идет электрохимическое окисление частиц (атомов, молекул, анионов).

Примеры электролиза расплавов:

а)

б)

Электролиз воды проводится всегда в присутствии инертного электролита (для увеличения электропроводности очень слабого электролита – воды):

В зависимости от инертного электролита электролиз проводится в нейтральной, кислотной или щелочной среде (например, в присутствии K₂SO₄, H₂SO₄ или КОН).

При выборе инертного электролита необходимо учесть, что никогда не восстанавливаются на катоде в водном растворе катионы металлов, являющихся типичными восстановителями (например, Li⁺, К⁺, Са²⁺, Na⁺, Mg²⁺, Al³⁺), и никогда не окисляется на аноде кислород О^-II анионов оксокислот с элементом в высшей степени окисления (например, ClO₄^-, SO₄^2-, NO₃^-, РО₄^3-, CO₃^2-); вместо них окисляется вода.

Примеры электролиза растворов солей:

а)

(на аноде окисляются анионы Cl^-, а не кислород О^-II молекул Н₂O, так как электроотрицательность хлора меньше, чем у кислорода, и следовательно, хлор отдает электроны легче, чем кислород);

б)

(на катоде восстанавливаются катионы Cu²⁺, а не водород Н^I молекул Н₂O, так как медь стоит правее водорода в ряду напряжений, т. е. легче принимает электроны, чем Н^I в воде; подробнее см. 5.3).

Подчеркнем еще раз, что электролиз – это окислительно-восстановительная реакция, которая протекает под действием и при участии электрического тока. Уравнения электрохимических реакций отражают те процессы, которые без помощи электрического тока протекать не могут.

Примеры заданий частей А, В, С

1. В уравнении реакции

CuS + HNO₃ (конц.) -> CuSO₄ + NO₂? +… коэффициент у формулы окислителя равен

1) 1

2) 4

3) 8

4) 11

2. В уравнении реакции

К₂Cr₂O₇ + НCl -> CrCl₃ + Cl₂? +… коэффициент у формулы восстановителя – это

1) 14

2) 10

3) 6

4) 2

3-4. В уравнении реакции

3. Al + V₂O₅ -> Al₂O₃ + V

4. MgC₂ + Cl₂ -> MgCl₂ + СCl₄

сумма коэффициентов равна

1) 8

2) 13

3) 18

4) 24

5—6. В уравнении реакции

5. КMnО₄ + Н₂O + K₂SO₄ -> MnO₂? + K₂SO₄ + KOH

6. KI + H₂O + Cl₂ -> KIO₃ + HCl

сумма коэффициентов равна

1) 9

2) 10

3) 13

4) 14

7. Укажите соответствие между веществом (формула подчеркнута) и его функцией в реакции.

8. При электролизе расплава смеси гидроксида и хлорида калия набор продуктов на электродах – это

1) Н₂, O₂

2) К, O₂

3) K, Cl₂

4) Н₂, Cl₂

9. При электролизе раствора нитрата ртути (II) набор продуктов на электродах – это

1) Hg, O₂

2) H₂, O₂

3) Hg, N₂

4) H₂, N₂

10. Установите соответствие между веществом и продуктом, образующимся на катоде при электролизе раствора

11. Установите соответствие между веществом и продуктом, образующимся на аноде при электролизе раствора

12—14. Используя метод электронного баланса, составьте уравнение реакции по указанной схеме. Определите окислитель и восстановитель.

12. Mn(NO₃)₂ + HNO₃ + РЬO₂ -> HMnO₄ + Pb(NO₃)₂ +…

13. Zn + H₂SO₄ + HNO₃ (разб.) -> ZnSO₄ + NO +…

14. K₂Cr₂O₇ + HCl + C₂H₅OH -> CrCl₃ + CH₃C(H)O +…

15. Решение расчетных задач

15.1. Массовая доля растворенного вещества. Разбавление, концентрирование и смешивание растворов

Массовая доля растворенного вещества В

(?_в) – это отношение массы вещества В (т_в) к массе раствора (m_(р)):

При решении ?_в выражается всегда в долях единицы (например, ?_в = 0,01), в ответе – часто в процентах (?_в=1 %).

Величина, численно равная ?_в (в %), характеризует раствор в целом, например, при ?_в = 1 % раствор будет однопроцентным (1 %-ный раствор вещества В).

Соотношения для массы раствора:

где ?_(р) – плотность и V_(p) – объем раствора.

Для воды условно считается, что ее масса и объем численно равны, т. е. плотность принимается равной 1 г/мл или 1000 г/л.

Если для приготовления раствора берется кристаллогидрат некоторой соли (а не сама безводная соль), то используются соотношения:

а) масса кристаллогидрата В хН₂O

где m(кр. Н₂O) – масса воды, которая содержится в данной массе кристаллогидрата;

б) масса безводной соли В в кристаллогидрате

так как n_в = n_кр;

б) масса добавляемой воды

где т(Н₂O) – суммарная масса воды в приготовленном растворе.

В лабораторной практике часто приходится готовить разбавленный раствор вещества (величины с индексом ') из концентрированного раствора того же вещества (величины с индексом ") путем разбавления водой.

Масса растворенного вещества при разбавлении не изменяется:

Масса добавляемой воды определяется соотношением:

Для приготовления концентрированного раствора вещества В из разбавленного раствора применяют два способа.

а) Выпаривание некоторой порции воды из начального раствора. При этом масса растворенного вещества не меняется.

а масса воды, которую удаляют из раствора, определяется соотношением:

б) Добавление некоторой порции вещества В в начальный раствор. При этом масса воды не изменяется:

а масса добавленного вещества определяется соотношением

Для приготовления раствора с промежуточным составом (величины без индексов) проводят смешивание концентрированного и разбавленного растворов вещества В. При этом все величины связаны соотношениями:

Примеры решения задач

1. Вычислите объем (в литрах, н.у.) аммиака, который полностью поглощается водой с образованием 500 г 20 %-ного раствора.

2. Какую массу (в граммах) кристаллогидрата Na₂CO₃ 10Н₂O следует использовать для приготовления 250 г 15 %-ного раствора безводной соли?

3. До какого объема (в литрах) надо разбавить водой 250 мл 30 %-ного раствора нитрата аммония (плотность раствора 1,13 г/мл), чтобы приготовить 10 %-ный раствор (плотность 1,04 г/мл)?

4. Установите массу (в граммах) выпаренной воды из 300 мл 4%-ного раствора хлорида бария (плотность раствора 1033 г/л), если приготовлен 10 %-ный раствор.

5. Вычислите массу (в граммах) порции гидроксида калия, которую добавили в 400 г 5%-ного раствора этого вещества и довели массовую долю до 40 %.

6. Определите массовую долю (в %) серной кислоты в конечном растворе, приготовленным смешиванием 90 г 5%-ного и 120 г 40 %-ного растворов этого вещества.

Задания для самостоятельного решения части В

1. Установите массовую долю (в %) хлорида калия в растворе, приготовленным из 0,65 моль соли и 300 мл воды.

2. Приготовлено 300 г 5%-ного раствора иода в этаноле. Рассчитайте массу (в граммах) использованного спирта.

3. Какой объем (в литрах, н. у.) метаналя необходимо растворить в 500 мл воды, чтобы приготовить 30 %-ный формалин.

4. Рассчитайте массовую долю (в %) сульфата цинка (II), если раствор приготовлен из 0,75 моль кристаллогидрата ZnSO₄ 7Н₂O и 600 г воды.

5. Найдите массу (в граммах) кристаллогидрата CuSO₄ 5Н₂O, которую необходимо взять для приготовления 160 г 10 %-ного раствора безводной соли.

6. Бромоводород объемом 5,4 л (н. у.) затрачен на приготовление 8 %-ного раствора (плотность равна 1056,8 г/л). Вычислите объем (в литрах) этого раствора.

7. Определите массу (в граммах) добавленной воды, необходимой для приготовления 10 %-ного раствора из 1 моль дигидрата гидроксида калия.

8. Установите массу (в граммах) 4 % – ного раствора нитрата калия, приготовленного путем разбавления водой из 20 г 15 %-ного раствора.

9. Рассчитайте, до какого объема (в литрах) надо разбавить водой 700 г 50,5 %-ного раствора ацетата калия, чтобы приготовить 7,7 %-ный раствор с плотностью 1038 г/л.

10. Какой объем (в литрах) воды необходим для разбавления 200 мл 96 %-ного этанола (плотность 0,8 г/мл) до 10 %-ного спирта?

11. К 100 г 35 %-ного водного раствора метанола добавили 50 г того же вещества. Найдите массовую долю (в %) спирта в конечном растворе.

12. К 250 мл 8% – ного раствора нитрата серебра (I) добавили еще соли и приготовили 16 %-ный раствор. Установите добавленное количество соли (моль).

13. Какой объем (в литрах, н. у.) аммиака надо растворить в 1 л 10 %-ного раствора (плотность 0,96 г/мл) того же вещества для приготовления 15 %-ного раствора?

14. Определите массовую долю (в %) нитрата натрия в конечном растворе, приготовленным смешиванием 90 г 5%-ного и 120 г 40 %-ного растворов.

15. Какую массу в граммах 96 %-ный серной кислоты надо смешать с 200 г 5%-ный кислоты, чтобы приготовить 20 %-ный раствор?

16. Смешали 250 мл 30 %-ного водного раствора метанола (плотность раствора 0,954 г/мл) и 300 г 40 %-ного раствора того же спирта. Какой станет массовая доля (в %) вещества в конечном растворе?

17. Заполнили колбу вначале хлороводородом (н. у.), затем водой. Какова массовая доля (в %) вещества в приготовленном растворе?

18. Гидроортофосфат кальция образует 0,02 %-ный насыщенный раствор в комнатных условиях. Найдите минимальный объем (в литрах) воды, требующийся для растворения 100 г соли.

19. Приготовлен раствор из 219 г кристаллогидрата СаCl₂ 6Н₂O и 1 л воды. Рассчитайте массовую долю (в %) безводной соли в этом растворе.

20. Определите количество гидроксида калия (моль), содержащееся в 3 л 25 %-ного раствора (плотность 1,24 г/мл).

21. Найдите объем (мл) воды, в котором надо растворить 70 г Fe(NO₃)₃ 9Н₂O для приготовления 12 %-ного раствора.

22. Каким количеством воды (моль) надо разбавить 500 мл 20 %-ный азотной кислоты (плотность 1,12 г/мл), чтобы приготовить 8 %-ный раствор?

23. Разбавлением водой приготовлен 1 кг 3,5 %-ный уксусной кислоты из 70 %-ной (плотность 1,069 г/мл). Найдите объем (мл) исходного раствора кислоты.

24. Приготовили раствор 10 г сахарозы в 200 г воды. Затем раствор упарили вдвое (по объему). Определите массовую долю (в %) углевода в конечном растворе.

25. К 1 л 25 %-ного раствора едкого натра (плотность раствора 1,28 г/мл) добавляют порцию той же щелочи и готовят 35 %-ный раствор. Рассчитайте массу (в граммах) этой порции.

26. Смешали 300 мл 10 %-ный хлороводородной кислоты (плотность 1,05 г/мл) и 100 г 5%-ной кислоты. Определите массовую долю (в %) растворенного вещества в конечном растворе.

27. Водный 5 %-ный раствор нитрата стронция массой 320 г смешали с 45 г 38 %-ного раствора того же вещества. Рассчитайте конечную массовую долю (в %) растворенного вещества.

15.2. Объемное отношение газов

Для химической реакции aA + bB = cC + dD выполняется соотношение

где n_А и n_В – количества вступивших в реакцию исходных веществ, п_С и n_D – количества образовавшихся продуктов, а, b, с и d – стехиометрические коэффициенты.

От количеств веществ легко перейти к их массам:

Для газообразных веществ чаще задают или определяют их объемы. Если реагент В и продукт D – газы, то проводят переход от количеств этих веществ к их объемам:

При известных (по условию) количестве, массе или объеме (для газа) одного из веществ, участвующих в реакции, можно рассчитать значения всех величин для остальных веществ.

В случае смеси газов А и В, один из которых участвует в реакции, можно найти взятое соотношение их объемов V_A : V_B, а при заданном соотношении – объем их смеси (или наоборот).

Пример решения задачи

При высокой температуре магний реагирует с азотом, взятым в виде смеси с аргоном, общим объемом 5,6 л (н.у.), и образует 15 г нитрида. Рассчитайте объемное отношение газов V(N₂): V(Ar) в исходной смеси.

Задания для самостоятельного решения части А

1. Прореагировало 6 л оксида азота (II) с 5 л кислорода (объемы измерены при равных условиях), следовательно, в конечной смеси объемное отношение продукта к одному из реагентов равно

1) 3: 1

2) 2: 1

3) 1: 2

4) 1: 3

2. В замкнутом сосуде сожгли 24 г графита в 67,2 л (н. у.) кислорода и получили объемное отношение кислород: продукт равным

1) 2: 1

2) 1: 1

3) 1: 2

4) 2: 3

3. Пропустили через озонатор 7,5 моль кислорода, который частично превратился в озон. Последний полностью затрачен на «сжигание» (при нормальных условиях) 0,5 моль сероводорода (превращается в SO₂); следовательно, объемное отношение O₃: O₂ на выходе из озонатора составляло

1) 1: 12

2) 1: 19

3) 2: 27

4) 2: 33

4. Бромид калия массой 142,8 г прореагировал количественно в растворе с хлором, взятым в виде смеси с воздухом в объемном отношении 1 (хлор): 2 (воздух). Общий объем (в литрах) исходной смеси газов был

1) 22,4

2) 40,32

3) 13,44

4) 26,88

5. Для полного сгорания 17,92 л (н.у.) смеси СН₄ + Н₂ потребовался 1 моль кислорода. В исходной смеси объемное отношение СН₄: Н₂ равно:

1) 2: 1

2) 1: 1

3) 1: 2

4) 3: 2

6. Газ А, полученный при прокаливании 0,04 моль КClO₃ на катализаторе, смешали (при н. у.) в сосуде с газом Б, выделившимся при обработке 6 г кальция водой, и получили смесь с объемным отношением А: Б, равным

1) 1: 5

2) 2: 5

3) 3: 4

4) 5: 7

7. После сжигания нитробензола в избытке кислорода получена смесь продуктов (азот, углекислый газ, вода), в которой содержится 4 л (н. у.) азота, а объемное отношение N₂: O₂ равно 4: 1. В этих условиях исходный объем (в литрах, н. у.) кислорода составлял

1) 11,2

2) 22,4

3) 25,5

4) 51,0

8. Проведено термическое разложение 1 моль хлорида аммония в стальном баллоне, уже содержавшем 11,2 л (н. у.) аммиака. Конечное объемное отношение NH₃: НCl равно

1) 5: 2

2) 3: 2

3) 5: 1

4) 3: 1

9. Смесь кислорода и хлора с объемным отношением 9: 1 использована для выделения 0,5 моль простого вещества из раствора KI, следовательно, общий объем (в литрах, н. у.) затраченной смеси газов равен

1) 5,6

2) 56

3) 11,2

4) 112

10. Через озонатор пропустили кислород, полученный при прокаливании 1 моль КClO₃ на катализаторе, при этом 5 % кислорода превратилось в озон и на выходе из озонатора объемное отношение O₂: O₃ составило

1) 23: 1

2) 23: 2

3) 29: 1

4) 29: 2

15.3. Масса вещества (объем газа) по известному количеству другого реагента (продукта)

Примеры решения задачи

1. Прокалили 66,6 г минерала малахит Cu₂СO₃(OН)₂. Установите объем (в литрах, н.у.) собранного газа.

2. Определите суммарный объем (в литрах, н.у.) газов, полученных при термическом разложении 133,75 г хлорида аммония.

Задания для самостоятельного решения части В

1. Какой объем (в литрах, н.у.) газа выделяется при обработке водой смеси 0,2 моль натрия и 1,4 г лития?

2. При действии избытка воды на 10 г некоторого металла из главной подгруппы II группы выделилось 5,6 (н.у.) газа. О каком металле идет речь?

3. В концентрированный раствор щелочи вносят 2,7 г алюминия. Найдите объем (в литрах, н.у.) собранного газа.

4. На сжигание 0,64 г металла расходуется 12 мл (н.у.) кислорода. Какой металл был взят?

5. Металлическая пластинка массой 50 г после пребывания в соляной кислоте уменьшилась на 1,68 % (по массе), при этом выделилось 0,336 л (н.у.) газа. Из какого металла изготовлена пластинка?

6. При нагревании 139,2 г оксида металла (I) выделилось 6,72 л (н.у.) газа. Оксид какого металла был использован?

7. После обработки равномолярной смеси Mg + Zn избытком едкого натра (конц.) образовалось 4,48 л (н.у.) газа. Рассчитайте массу (в граммах) исходной смеси.

8. Установите объем (в литрах, н.у.) хлора, вступившего в реакцию со щелочью в горячем растворе, если образовалось 0,46 моль хлорид-ионов.

9. Вычислите объем (в литрах, н.у.) полученного газа, если в реакцию с кипящей серной кислотой (конц.) вступило O,5 моль фторида кальция.

10. Сероводород (4,48 л при н.у.) смешали с избытком диоксида серы. Какова масса (в граммах) твердого продукта этой реакции?

11. Поглощение 5,6 л (н.у.) сероводорода раствором нитрата висмута (III) приводит к выпадению осадка средней соли. Найдите массу (в граммах) этого осадка.

12. Раствор гидроксида цезия поглотил 17,92 л (н.у.) диоксида серы с образованием средней соли. Вычислите массу (в граммах) щелочи, истраченной на реакцию.

13. Прокалили 99,3 г нитрата свинца (II). Определите суммарный объем (в литрах, н.у.) полученных газов.

14. В избыток воды внесено 3,75 моль оксида фосфора (V). Какая масса (в граммах) продукта образовалась?

15. Прокаливанием 192 г карбоната аммония получена смесь двух газов и вода. Установите общий объем (в литрах, н.у.) смеси.

16. Внесено 14 г аморфного кремния в концентрированный раствор едкого натра. Рассчитайте объем (в литрах, н.у.) собранного газа.

17. Какой объем в литрах (н.у.) хлора потребуется для получения из метана 4 моль хлороформа?

18. Найдите количество бромэтана (моль), вступившее в реакцию с натрием, если образовалось 237 л (н.у.) органического продукта.

19. Ацетилен обесцвечивает бромную воду с образованием 3,46 г конечного продукта. Определите объем (мл, н.у.) затраченного алкина.

20. Каталитическая реакция дегидрирования 49 г метилциклогексана приводит к получению гомолога бензола. Вычислите объем (в литрах, н.у.) образовавшегося одновременно газа.

21. Этанол с плотностью 0,8 г/мл затрачен на получение 44,8 л (н.у.) дивинила. Установите расход (мл) спирта.

22. На восстановление 10 кмоль этаналя в соответствующий спирт используют водород. Найдите его затраченный объем (м³, н.у.).

23. Рассчитайте объем (в литрах, н.у.) газа, полученного при спиртовом брожении 5 моль глюкозы.

24. При сгорании природной аминокислоты (с одной группой NH₂ в молекуле) в кислороде получена смесь N₂ + СO₂ общим объемом 0,56 л (н.у.) и плотностью по водороду 20,4. Определите массу (мг) взятой кислоты.

15.4. Тепловой эффект реакции

Пример решения задачи части В

Вычислите тепловой эффект (кДж) реакции полной нейтрализации гидроксида натрия серной кислотой, если в расчете на 10 г щелочи выделяется 16,25 кДж теплоты.

Задания для самостоятельного решения части А

1. В реакции между железом и хлором на 11,2 л (н.у.) окислителя приходится выделение 132 кДж теплоты, следовательно, в расчете на 0,5 моль железа выделится количество теплоты (кДж), равное

1) +198

2) +148,5

3) +99

4) +49,5

2. Триоксид серы массой 280 г вносят в воду, протекает реакция с тепловым эффектом +73 кДж. Количество теплоты (кДж) в условиях опыта равно

1) +204,4

2) +255,5

3) +408,8

4) +511

3. Термическое разложение нитрата калия привело к выделению 4,48 л (н.у.) газа. Тепловой эффект реакции равен -282 кДж, следовательно, сопровождающее процесс количество теплоты (кДж) составляет

1) -56,4

2) -112,8

3) -225,6

4) -282

4. Сожжено 10 л (н.у.) аммиака на воздухе (тепловой эффект реакции +1532 кДж). По условию опыта количество теплоты составит

1) +171

2) +342

3) +766

4) +855

5. Термическое разложение карбоната кальция с тепловым эффектом -179 кДж привело к получению 33,6 г твердого остатка. В этих условиях поглощенное количество теплоты (кДж) равно

1) -537

2) -214,8

3) -375,9

4) -107,4

6. При термическом разложении дихромата аммония протекает экзотермическая реакция, в которой на 1,4 моль образовавшейся воды приходится +106 кДж; следовательно тепловой эффект реакции (кДж) равен:

1) +505

2) +404

3) +303

4) +606

7. Реакция сгорания угарного газа в кислороде сопровождается экзо-эффектом +566 кДж. Количество теплоты (кДж), приходящееся на 224 г угарного газа, равно

1) +1132

2) +2264

3) +283

4) +566

8. Тепловой эффект реакции полного сгорания ацетилена в кислороде равен +2596 кДж. При сгорании 2 л (н.у.) этого газа выделяется количество теплоты (кДж)

1) +29

2) +58

3) +116

4) +232

9. В термическом разложении метана с образованием ацетилена и 560 л (н.у.) водорода тепловой эффект реакции равен -376 кДж. Количество поглощенной теплоты (кДж) в условиях опыта составляет

1) -2256

2) -752

3) -1128

4) -376

10. При полном сгорании бутадиена-1,3 в кислороде на 0,5 моль затраченного окислителя выделяется +18 кДж теплоты, следовательно, на 0,5 моль вступившего в реакцию алкадиена приходится количество теплоты (кДж), равное

1) +49,5

2) +99

3) +148,5

4) +198

15.5. Масса (объем, количество вещества) продукта по реагенту в избытке или с примесями

Избыток и недостаток реагентов. Количества, массы и объемы (для газов) реагентов не всегда берутся стехиометрическими, т. е. в соответствии с уравнениями реакции. Чаще один из реагентов берется в избытке, а следовательно, другой реагент оказывается в недостатке. Избыток реагента участвовать в реакции не будет.

Для реакции aA + bB = cC + dD  определение реагентов, взятых в избыткеи в недостатке, проводят по неравенству (А – в недостатке, В – в избытке):

где n(общ. В) – общее (взятое с избытком) количество реагента В, п_B – стехиометрическое (необходимое для реакции) количество В, n(изб. В) – избыточное количество В, причем

 n(изб. B) = n(общ. B) – nB.

Внимание! Расчет получаемых количеств (масс, объемов) продуктов проводят по реагенту в недостатке.

Степень чистоты вещества. Химические вещества никогда не бывают идеально чистыми, они всегда содержат в себе примеси.

Массовая доля вещества В в смеси, например А + В + С, – это отношение массы вещества В к массе смеси:

Сумма массовых долей всех веществ смеси равна 1 (100 %).

Если в смеси примесь присутствует в следовом (неопределяемом) количестве, то говорят о практически чистом веществе. Когда же в веществе имеется примесь в заметном (определяемом) количестве, то само вещество называют основным (его количество преобладает), а другое вещество – это и есть примесь.

Степень чистоты основного вещества В – это массовая доля этого вещества в навеске с определенной массой:

Природные вещества (минералы, руды) всегда содержат заметное количество примеси (примесей).

Пример решения задачи

Углекислый газ поглощается 10 %-ным раствором аммиака (плотность раствора 957 г/л) с образованием кислой соли. Предварительно СO₂ получают термическим разложением 5 кг известняка СаСO₃ (степень чистоты 60 %). Установите взятый объем (в литрах) раствора аммиака. Элементы ответа.

1) Составлены уравнения реакций:

2) Установлено количество основного вещества в известняке:

и количество углекислого газа по уравнению (I):

3) Установлена масса затраченного аммиака по уравнению (II):

4) Установлен объем взятого раствора аммиака:

Задания для самостоятельного решения частей В, С

1. К 100 г 10 %-ного раствора хлорида кальция добавили 100 г 10 % – ного раствора AgNO₃. Найдите массу (в граммах) осадка.

2. Смешали горячие растворы, содержащие по 33 г хлорида алюминия и сульфида калия. Установите объем (в литрах, н.у.) выделившегося газа.

3. Какой объем (в литрах, н.у.) хлора можно получить при взаимодействии 2 моль хлороводорода (взят в виде соляной кислоты) и 3 моль оксида марганца(IV)?

4. Через раствор, приготовленный из 2 г смеси NaCl + Nal и 100 мл воды, пропустили 1 л (н.у.) хлора. Затем раствор выпарили и сухой остаток нагрели. Получили 1,78 г твердого вещества. Рассчитайте массовую долю (в %) хлорида в исходном растворе.

5. Вычислите объем (в литрах, н.у.) газа, полученного действием кипящей H₂SO₄ (конц.) на 292,5 г хлорида натрия, содержащего 2O% инертных примесей.

6. После прокаливания 50 г минерала тенорит (CuО и инертные примеси) в токе водорода образуется металл и конденсируется вода объемом 8,1 мл. Определите степень чистоты (в %) этого минерала.

7. Установите массу (кг) технического алюминия (степень чистоты 98 %), требуемую для получения 64,22 кг хрома из оксида хрома (III).

8. Прокалили 32,1 г хлорида аммония с 55,5 г гидроксида кальция (содержит 20 % инертных примесей). Рассчитайте объем (в литрах, н.у.) собранного газа.

9. К 285 г нитрата натрия (содержит примесь хлорида магния) добавили раствор избытка нитрата серебра (I). Выпал осадок массой 86,1 г. Вычислите степень чистоты (в %) нитрата натрия.

10. Найдите массовую долю (в %) примеси NaHCO₃ в образце технической соды Na₂CO₃, если после нагревания 10 г образца получено 9,69 г твердого остатка.

11. Смешали 20 г уксусной кислоты и 8,4 г питьевой соды NaHCO₃. Определите объем (в литрах, н.у.) газа, собранного после окончания реакции.

12. На гидрирование 250 г смеси Cl₇Н₃₃СООН + Cl₇Н₃₅СООН затратили 16,8 л (н.у.) газа. Установите массовую долю (в %) предельной карбоновой кислоты в исходной смеси.

15.6. Масса (объем, количество вещества) продукта по реагенту с известной массовой долей в растворе

Пример решения задачи

Навеску алюминия массой 13,7 г полностью сожгли в хлоре, а из образовавшейся соли приготовили 250 мл раствора. Пробу в 50 мл этого раствора слили с 68,4 мл 10,4 %-ного раствора аммиака (плотность раствора 0,956 г/мл). Определите массу (в граммах) выпавшего осадка.

Элементы ответа.

1) Составлены уравнения реакций:

2) Определены количества AlCl₃ в реакциях (I) и (II):

в реакции (I)

в реакции (II) взята 1/5 часть AlCl₃, т. к.

отсюда

3) Определено количество NH₃ в растворе для реакции (II):

следовательно, NH₃ – в избытке, и расчет далее ведется по AlCl₃.

4) Определена масса Al(ОН)₃ по уравнению (II): 0,1014 моль AlCl₃ – 0,1014 моль Al(ОН)₃,

Задания для самостоятельного решения частей В, С

1. Приготовили раствор 134,4 л (н.у.) диоксида серы и добавили 1,5 л 25 %-ного раствора гидроксида натрия (плотность раствора 1,28 г/мл). Определите массу (в граммах) образовавшейся соли.

2. Сульфид свинца (II) массой 95,6 г обрабатывают с помощью 300 мл 30 %-ного раствора пероксида водорода (плотность раствора 1122,2 г/л). Рассчитайте массу (в граммах) продукта – сульфата свинца (II).

3. Смешали 100 г 5,64 %-ного раствора фенола и 100 г 17,92 %-ного раствора гидроксида калия. Найдите массовую долю (в %) избытка одного из реагентов в конечном растворе.

4. Установите массу (в граммах) железной пластинки после выдерживания в 110 мл 10 %-го раствора CuSO₄ (плотность раствора 1,1 г/мл), если до опыта ее масса составляла 11,5 г.

5. Вычислите объем (в литрах) 96 %-ного водного спирта с плотностью 0,81 кг/л, полученного каталитической гидратацией 112 м³ (н.у.) этилена, содержащего 12,5 % (по объему) этана.

6. Газ, полученный сжиганием 44,8 л (н.у.) сероводорода в кислороде, поглощен с помощью 0,5 л 25 %-ного раствора гидроксида натрия (плотность раствора 1,275 г/ мл). Определите массовую долю (в %) соли в конечном растворе.

7. Углекислый газ объемом 15 л (н.у.) пропущен через 560 г 5%-ного раствора гидроксида калия. Найдите массу (в граммах) соли, полученной в этом процессе.

8. Железная пластинка массой 5 г опущена на некоторое время в 50 мл 15 %-ного раствора сульфата меди (II) с плотностью 1,12 г/мл. Масса пластинки увеличилась на 0,16 г. Какова массовая доля (в %) сульфата меди (II) в оставшемся растворе?

9. По реакции Кучерова получен этаналь, который переведен в соответствующую кислоту в виде 100 г 6%-ного водного раствора. Найдите объем (в литрах, н.у.) исходного органического соединения в получении этаналя.

10. Определите массовую долю (в %) избытка одного из реагентов в растворе после сливания 80 г 10 %-ного раствора гидроксида натрия и 2O г 18,25 %-ной хлороводородной кислоты.

11. Установите объем (в литрах, н.у.) газа, собранного после внесения 0,3 моль алюминия в 160 мл 20 %-ного раствора гидроксида калия (плотность раствора 1,19 г/мл).

12. Найдите массу (в граммах) органического продукта, полученного при смешивании 250 г 94 % – ного водного раствора фенола и 2143 г 3,5 %-ной бромной воды.

15.7. Нахождение молекулярной формулы органического соединения

При выведении формул веществ, особенно в органической химии, часто используют относительную плотность газа.

Относительная плотность газа X – отношение абсолютной плотности этого (неизвестного) газа к абсолютной плотности другого (известного) газа В при одинаковых условиях:

Для 1 моль газа его абсолютная плотность равна

откуда

Если газ В задан, то

– плотность газа X по водороду Н₂ (М = 2 г/моль)

– плотность газа X по воздуху (М = 29 г/моль)

и аналогично для любого другого известного газа X.

Примеры решения задач

1. В результате сгорания кислородсодержащего органического соединения в избытке воздуха собрано 1,584 г СO₂ и O,972 мл Н₂O. Плотность пара этого соединения по воздуху равна 1,5865.

Выведите формулу соединения, если в его молекуле содержатся два одноименных радикала.

Элементы ответа.

1) Составлена схема реакции:

2) Определена масса С и Н в этом соединении:

3) Определена формула соединения C_xН_yO_z:

при х = 1 и у = 3: М(СН₃) = 15, 46–15 = 31 г/моль на кислород – это не подходит,

при х = 2 и у = 6: 2М(СН₃) = 30, М₀ = 16, 30 + 16 = = 46 г/моль – это подходит, таким образом, искомая формула соединения С₂Н₆O, или с учетом условия (СН₃)₂O.

2. Некоторая масса неизвестного алкина с избытком хлора дает 21 г тетрахлор-производного. Такая же масса того же алкина с избытком брома – 38,8 г тетрабром-производного. Выведите формулу взятого алкина.

Элементы ответа.

1) Составлены уравнения реакций:

2) Составлены выражения для молярных масс производных:

и для молярной массы алкина:

3) Выведена формула алкина: по условию масса алкина одинакова в реакциях (I) и (II), следовательно

откуда n = 5 и формула алкина С₅Н₈.

Задания для самостоятельного решения части С

1. При сжигании углеводорода (плотность по воздуху равна 2) в кислороде образовалось 90 г воды. Выведите формулу углеводорода.

2. Гомолог этена массой 7 г присоединяет 2,24 л (н.у.) бромоводорода. Какова формула этого гомолога?

3. Выведите формулу некоторого углеводорода, если при сжигании в кислороде он образовал 6,6 г углекислого газа и 2,16 мл воды.

4. При полном сгорании некоторого арена в кислороде собрано 7,168 л (н.у.) углекислого газа. Выведите формулу этого углеводорода.

5. Выведите формулу одноатомного спирта, если при взаимодействии 27,6 г этого спирта с бромоводородом (в присутствии серной кислоты) получено 65,4 г бромалкана.

6. При сжигании 1,64 г органического соединения в избытке кислорода получено 1,06 г карбоната натрия, 1,12 л (н.у.) углекислого газа и 1,26 мл воды. Выведите формулу этого соединения.

7. Выведите формулу двухатомного спирта, при взаимодействии 9,3 г которого с кальцием собрано 3,36 л (н.у.) газа.

8. К 14 г смеси фенола и 0,05 моль гомолога бензола добавили бромную воду и получили 33,1 г осадка. Выведите формулу гомолога бензола.

9. После сжигания в кислороде навески соединения класса фенолов образуются 16,8 л (н.у.) углекислого газа и 6,75 мл воды. Выведите формулу этого соединения (плотность по воздуху 3,793).

10. В реакции «серебряного зеркала» с участием 9,9 г альдегида выпадает 48,6 г осадка. Выведите формулу альдегида.

11. При взаимодействии 71,15 мл 30 %-ного раствора одноосновной карбоновой кислоты (плотность раствора 1,04 г/мл) с избытком гидрокарбоната натрия выделилось 6,72 л (н.у.) газа. Выведите формулу этой кислоты.

12. При сжигании на воздухе 3,84 г соли одноосновной карбоновой кислоты получено 2,24 л (н.у.) углекислого газа, 1,8 мл воды и 2,12 г карбоната натрия. Выведите формулу этой соли.

13. Соль серебра (I) и одноосновной карбоновой кислоты обработана избытком хлора. Образовались монохлорпроизводное углеводорода, углекислый газ и осадок хлорида серебра (I). Плотность пара хлорпроизводного по воздуху равна 3,19. Выведите формулу исходной соли.

14. Одноосновная карбоновая кислота полностью прореагировала с 3,2 мл метанола (плотность 0,8 г/мл) и дала 8,16 г органического продукта. Какова формула этого продукта?

15. Выведите формулу этилового эфира одноосновной карбоновой кислоты, если при омылении 14,8 г этого эфира с помощью едкого натра получено 9,2 г этанола.

16. При сжигании 13,5 г кислородсодержащего органического соединения образовалось 19,8 г углекислого газа и 8,1 мл воды. При этом выделилось 210 кДж теплоты. Выведите формулу соединения, если тепловой эффект реакции 2800 кДж.

17. При полном сгорании 22,5 г некоторой ?-аминокислоты в кислороде собрано 13,44 л (н.у.) углекислого газа и 3,36 л (н.у.) азота. Выведите формулу кислоты.

18. После щелочного гидролиза метилового эфира природной моноаминокарбоновой кислоты получено 200 г раствора, в котором массовые доли спирта и натриевой соли аминокислоты равны соответственно 3,2 % и 11,1 %. Выведите формулу исходного эфира.

Ответы

Раздел 1

1. 2. 2. 2. 3. 3. 4. 3. 5. 2. 6. 3. 7. 3.

Раздел 2

1. 3. 2. 2. 3. 2. 4. 4. 5. 3. 6. 1. 7. 2. 8. 1. 9. 4. 10. 2. 11. 3. 12. 2. 13. 2. 14. А-2, Б-4, В-6, Г-3.

Раздел 3

1. 4. 2. 4. 3. 3. 4. 2. 5. 1, 4. 6. 2, 4. 7. 2. 8. 3. 9. 3. 10. 3. 11. 4. 12. 1. 13. 2.

Раздел 4

1. 1, 4. 2. 4. 3. 4. 4. 2. 5. 3. 6. 2. 7. 2. 8. 3. 9. 2. 10. 4. 11. 2. 12. 3. 13. 1. 14. 4. 15. 1. 16. 4. 17. 1. 18. 1, 4. 19. 3. 20. А-4, Б-2, В-5, Г-3. 21. А-3, Б-5, В-4, Г-1. 22. 2. 23. См. разделы 6.3, 7.3.2, 7.3.4. 24. См. разделы 4, 5.3, 6.3, 7.4.2.

Раздел 5

1. 1. 2. 2, 4. 3. 2, 4. 4. 3. 5. 1, 3. 6. 3. 7. 2. 8. 4. 9. 2.

Раздел 6

1. 3. 2. 4. 3. 2. 4. 2, 4. 5. 1, 2. 6. 3. 7. 2. 8. 3. 9. 2. 10. 4. 11. 2. 12. 3. 13. 3. 14. 4. 15. 1, 2. 16. 2. 17. 1.

Раздел 7

1. 2. 2. 4. 3. 2. 4. 1. 5. 4. 6. 4. 7. 1, 4. 8. 2. 9. 3. 10. 4. 11. 4. 12. 1. 13. 3. 14. 2. 15. 1. 16. 4. 17. 2. 18. 1. 19. 4. 20. 4. 21. 1. 22. 2.

Раздел 8

1. 2. 2. 4. 3. 3. 4. 4. 5. 4. 6. 3. 7. 2. 8. 1. 9. 2. 10. 4. 11. 2, 3. 12. 2. 13. 3. 14. 1. 15. 2. 16. 2. 17. 3. 18. 1. 19. 4. 20. 2, 4. 21. 2, 3. 22. 2. 23. 4. 24. 2. 25. 1. 26. А-3, Б-6, В-4, Г-1. 27. А-3, Б-5, В-4, Г-2.

Раздел 9

1. 3. 2. 4. 3. 2. 4. 4. 5. 2. 6. 1. 7. 4. 8. 2, 4. 9. 1. 10. 3. 11. 4. 12. 2. 13. 3. 14. 2. 15. 1, 2, 3. 16. 3. 17. 2. 18. 4. 19. 1. 20. 4, 3, 1. 21. 1. 22. 4. 23. 4. 24. А-5, Б-1, В-6, Г-3. 25. 4. 26. 1, 4. 27. 3. 28. 1. 29. 2.

Раздел 10

1. 1. 2. 4. 3. 3. 4. 2. 5. 2. 6. 1, 2, 3. 7. 1, 3, 4. 8. 3. 9. 2. 10. 1. 11. 2. 12. 3, 4. 13. 4. 14. 2. 15. 4. 16. 1. 17. 3. 18. 4. 19. 1, 3. 20. 3. 21. 2. 22. 4. 23. 4. 24. 2, 4. 25. 1, 2, 3. 26. 1, 3. 27. 1, 3. 28. 1, 2, 4. 29. 1. 30. 1, 2, 3. 31. 2. 32. 1. 33. 2, 1, 4. 34. 2, 4, 5. 35. 3, 4, 5. 36. 3.

Раздел 11

1. 2. 2. 3. 3. 2, 3, 4. 4. 3. 5. 2. 6. 3. 7. 1. 8. 4. 9. 2. 10. 3. 11. 3. 12. 4. 13. 3. 14. 3. 15. А-5, Б-4, В-6, Г-1. 16. 1, 4. 17. 2, 3. Подсказки к ответу: 18. X₁ – СН₃СН(ОН)СН₃, Х₂ – CH₃CH(ONa)CH₃, Х₃ – СН₃СН(ОН)СН₃; 19. X₁ – С₂Н₄, X₂ – С₂Н₅ОН, X₃ – СН₃СООСН₃; 20. Х₁ – C₃H₆, Х₂– С₃Н₇Br, Х₃ – С₃Н₇ОН; 21. – C₆H₅NO₂, Х₂ – C₆H₅NH₂, Х₃ – [C₆H₅NH₃]Cl, Х₄– NH₂C₆H₄NO₂.

Раздел 12

1. 2, 3. 2. 3. 3. 4. 4. 1. 5. 4. 6. 3. 7. 2, 3. 8. 1, 4. 9. 1. 10. 4. 11. 4. 12. 2.

Раздел 13

1. 4. 2. 2. 3. 3. 4. 3. 5. 2. 6. 4. 7. 1. 8. 3. 9. 4. 10. 2. 11. 3. 12. 2. 13. 1. 14. 2. 15. 3. 16. 4. 17. 4. 18. 4. 19. 3. 20. 3. 21. 3. 22. 1. 23. 4. 24. 4. 25. 2. 26. 1. 27. 3. 28. 3. 29. 2. 30. 3. 31. 1. 32. 4. 33. 2. 34. 2. 35. 3. 36. 1. 37. 3. 38. 3, 4. 39. А-3, Б-2, В-4, Г-1. 40. А-3, Б-1, В-3, Г-2. 41. А-4, Б-3, В-4, Г-1.

Раздел 14

1. 3. 2. 1. 3. 4. 4. 1. 5. 3. 6. 4. 7. А-3, Б-5, В-2, Г-1. 8. 3. 9. 1. 10. А-4, Б-3, В-6, Г-4. 11. А-4, Б-6, В-2, Г-6. 12. 2Mn(NO₃)₂ + 6HNO₃ + 5РЬO₂ = 2HMnO₄ + 5Pb(NO₃)₂ + 2H₂O. Окислитель РЬO₂, восстановитель Mn(NO₃)₂. 13. 3Zn + 3H₂SO₄ + 2HNO₃ (разб.) = 3ZnSO₄ + 2NO + 4H₂O. Окислитель HNO₃, восстановитель Zn. 14. K₂Cr₂O₇ + 8HCl + 3C₂H₅OH = 2CrCl₃ + 3CH₃C(H)O + 7H₂O + 2KCl. Окислитель K₂Cr₂O₇, восстановитель C₂H₅OH.

Раздел 15

15.1.

1. 13,9 % КCl. 2. 291 г С₂Н₅ОН. 3. 160 л НС(Н)O. 4. 14,8 % ZnSO₄. 5. 25 г CuSO₄ 5Н₂O. 6. 0,231 л НBr. 7. 468 г Н₂O. 8. 75 г раствора KNO₃. 9. 4,42 л раствора К(СН₃СОО). 10. 1,376 л Н₂O. 11. 56,7 % СН₃ОН. 12. 0,14 моль AgNO₃. 13. 74,41 л NH₃. 14. 25 % NaNO₃. 15. 39,47 г H₂SO₄ (конц.). 16. 35,6 % СН₃ОН. 17. 0,163 % НCl. 18. 499 л Н₂O. 19. 9,11 % СаCl₂. 20. 16,61 моль КОН. 21. 279,4 мл Н₂O. 22. 46,67 моль Н₂O. 23. 46,77 мл СН₃СООН (конц.). 24. 9,09 % Cl₂Н₂₂О₁₁. 25. 196,92 г NaOH. 26. 8,8 % НCl. 27.9,1 % Sr(NO₃)₂.

15.2.

1. 1. 2. 3. 3. 3. 4. 2. 5. 2. 6. 2. 7. 4. 8. 1. 9. 4. 10. 3.

15.3.

1. 4,48 л Н₂. 2. Кальций Са. 3. 3,36 л Н₂. 4. Медь Cu. 5. Железо Fe. 6. Серебро Ag. 7. 17,8 г (4,8 г Mg + 13 г Zn). 8. 6,18 л Cl₂. 9. 22,4 л HF. 10. 9,6 г S. 11. 42,83 г Bi₂S₃. 12. 240 г CsOH. 13. 16,8 л (13,44 л NO₂ + 3,36 л O₂). 14. 735 г Н₃РO₄. 15. 134,4 л (89,6 л NH₃ + 44,8 л СO₂). 16. 22,4 л Н₂. 17. 268,8 л Cl₂. 18. 21,2 моль С₂Н₅Br (продукт – С₄Н₁₀). 19. 224 мл С₂Н₂ (продукт – С₂Н₂Br₄). 20. 33,6 л Н₂. 21. 230 мл С₂Н₅ОН. 22. 224 м³ Н₂. 23. 224 л СO₂. 24. 750 мг NH₂CH₂COOH (глицин).

15.4.

1. 1. 2. 2. 3. 1. 4. 1. 5. 4. 6. 3. 7. 2. 8. 3. 9. 1. 10. 2.

15.5.

1. 8,44 г AgCl. 2. 6,72 л H₂S. 3. 11,2 л Cl₂. 4. 1,6 % NaCl. 5. 89,6 л НCl. 6. 72 % CuО. 7. 34,03 кг технического Al. 8. 13,44 л NH₃. 9. 90 % NaNO₃. 10. 8,4 % NaHCO₃. 11. 2,24 л СO₂. 12. 15,4 % Cl₇Н₃₅СООН.

15.6.

1. 756 г Na₂SO₃. 2. 121,2 г PbSO₄. 3. 8,05 % КОН. 4. 12 г. 5. 248,5 л раствора С₂Н₅ОН. 6. 32,9 % Na₂SO₃. 7. 50 г КНСO₃. 8. 9,48 % CuSO₄. 9. 2,24 л С₂Н₂. 10. 4 % NaOH. 11. 10,08 л Н₂. 12. 155,2 г С₆Н₂Br₃ОН.

15.7.

1. С₄Н₁₀. 2. С₅Н₁₀. 3. С₅Н₈. 4. C₆H₅C₂H₅. 5. C₂H₅OH. 6. Na(C₃H₇O). 7. C₂H₄(OH)₂, или CH₂(OH) – CH₂(OH). 8. C₆H₅CH₃. 9. C₆H₄(OH)₂. 10. CH₃C(H)O. 11. C₂H₅COOH. 12. Na(C₂H₅COO). 13. Ag(C₄H₉COO). 14. C₃H₇C0 °CH₃. 15. HCOOC₂H₅. 16. C₆H₁₂O₆. 17. NH₂CH₂COOH. 18. CH₃CH(NH₂)COOCH₃.

Примечания

1

Буквой ? (альфа) обозначают степень протекания любых обратимых реакций, в том числе и степень гидролиза солей (см. 13.5)

(обратно)

Оглавление

Предисловие

1. Распространенные элементы. строение атомов. Электронные оболочки. Орбитали

2. Периодический закон. Периодическая система. Электроотрицательность. Степени окисления

3. Молекулы. Химическая связь. Строение веществ

4. Классификация и взаимосвязь неорганических веществ

5. Металлы главных подгрупп I–III групп

  5.1. Натрий

  5.2. Калий

  5.3. Кальций

  5.4. Жёсткость воды

  5.5. Алюминий

6. Переходные металлы 4-го периода. Свойства, способы получения. Общие свойства металлов

  6.1. Хром

  6.2. Марганец

  6.3. Железо

  6.4. Общие свойства металлов. Коррозия

7. Неметаллы главных подгрупп IV–VII групп

  7.1. Водород

  7.2. Галогены

    7.2.1. Хлор. Хлороводород

    7.2.2. Хлориды

    7.2.3. Гипохлориты. Хлораты

    7.2.4. Бромиды. Иодиды

  7.3. Халькогены

    7.3.1. Кислород

    7.3.2. Сера. Сероводород. Сульфиды

    7.3.3. Диоксид серы. Сульфиты

    7.3.4. Серная кислота. Сульфаты

  7.4. Неметаллы VA-группы

    7.4.1. Азот. Аммиак

    7.4.2. Оксиды азота. Азотная кислота

    7.4.3. Нитриты. Нитраты

    7.4.4. Фосфор

  7.5. Неметаллы IVA-группы

    7.5.1. Углерод в свободном виде

    7.5.2. Оксиды углерода

    7.5.3. Карбонаты

    7.5.4. Кремний

8. Теория строения, многообразие, классификация и номенклатура органических соединений. Типы химических реакций

9. Углеводороды. Гомология и изомерия. Химические свойства и способы получения

  9.1. Алканы. Циклоалканы

  9.2. Алкены. Алкадиены

  9.3. Алкины

  9.4. Арены

10. Кислородсодержащие органические соединения

  10.1. Спирты. Простые эфиры. Фенолы

  10.2. Альдегиды и кетоны

  10.3. Карбоновые кислоты. Сложные эфиры. Жиры

  10.4. Углеводы

11. Азотсодержащие органические соединения

  11.1. Нитросоединения. Амины

  11.2. Аминокислоты. Белки

12. Химические реакции. Скорость, энергетика и обратимость

  12.1. Скорость реакций

  12.2. Энергетика реакций

  12.3. Обратимость реакций

13. Водные растворы. Растворимость и диссоциация веществ. Ионный обмен. Гидролиз солей

  13.1. Растворимость веществ в воде

  13.2. Электролитическая диссоциация

  13.3. Диссоциация воды. Среда растворов

  13.4. Реакции ионного обмена

  13.5. Гидролиз солей

14. Окислительно-восстановительные реакции. Электролиз

  14.1. Окислители и восстановители

  14.2. Подбор коэффициентов методом электронного баланса

  14.3. Ряд напряжений металлов

  14.4. Электролиз расплава и раствора

15. Решение расчетных задач

  15.1. Массовая доля растворенного вещества. Разбавление, концентрирование и смешивание растворов

  15.2. Объемное отношение газов

  15.3. Масса вещества (объем газа) по известному количеству другого реагента (продукта)

  15.4. Тепловой эффект реакции

  15.5. Масса (объем, количество вещества) продукта по реагенту в избытке или с примесями

  15.6. Масса (объем, количество вещества) продукта по реагенту с известной массовой долей в растворе

  15.7. Нахождение молекулярной формулы органического соединения

Ответы

• Реклама на сайте