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 1п^0 в ядре и 1е- в оболочке; водород-3 (тритий 3Н, или Т) с 1р+ и 2п^0 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, 3d^5 – 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 = 1s^1

2Не = 1s^2

3Li = 1s^22s^1 = [2He]2s^1

8O = 1s^22s^22p^4 = [2He]2s^22p^4

13Al = 1s^22s^22p^63s^23p^1 = [10Ne]3s^23p^1

17Cl = 1s^22s^22p^63s^23p^5 = [10Ne]3s^23p^5

2OСа = 1s^22s^22p^63s^23p4s^2 = [18Ar]4s^2

21Sc = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^14s^2 = [18Ar]3d^14s^2

25Mn = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^54s^2 = [18Ar]3d^54s^2

26Fe = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^64s^2 = [18Ar]3d^64s^2

3OZn = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^104s^2 = [18Ar, 3d^10]4s^2

33As = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^104s^24p^3 = [18Ar, 3d^10]4s^24p^3

36Kr = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^104s^24p^6 = [18Ar, 3d^10]4s^24p^6

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

Исключение составляют:

24Cr = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^54s^1 = [18Аr]Зd^54s^1 (а не 3d^44s^2!),

29Cu = 1s^22s^22p^63s^23p^63d^104s^1 = [18Ar]3d^104s^1 (а не 3d^94s^2!).

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) 4s^24p^4

2) 3d^54s^2

3) 2s^22p^1

4) 3s^23p^6

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]3d^94s^0 отвечает катиону

1) Ti2+

2) Cu2+

3) Cr2+

4) Zn2+

6. Электронная формула аниона Э2- [Ne] 3s^23p^6 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) PF_3

2) РН_3

3) P_2S_3

4) Р_2O_3

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

1) СlO_2, РСl_5, SeCl_4, SO_3

2) PCl, Аl_2O_3, КСl, СО

3) SeO_3, ВСl_3, N_2O_5, СаСl_2

4) AsCl_5, SeO_2, SCl_2, Cl_2O_7

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

1) ClF_3, NH_3, NaH, OF_2

2) H_3S+, NH+, SiH_4, H_2Se

3) CH_4, BF_4, H_3O+, PF_3

4) PH_3, NF+, HF_2, CF_4

13. Валентность для многовалентного атома одинакова в ряду соединений

1) SiH_4 – AsH_3 – CF_4

2) РН_3 – BF_3 – ClF_3

3) AsF_3 – SiCl_4 – IF_7

4) H_2O – BClg – NF_3

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);

H_3N – 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 F_2 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 σ-составляющую и одну или две π-составляющие; σ-составляющая, являющаяся основной и условно образующаяся первой, всегда прочнее π-составляющих.

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

Энергия химической связи (Есв) – 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 (lсв) – 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 СО_2, BF_3 и СН_4 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 NH_3, Н_2О, HNО_3 и HCN.

Сложные ионы, например NH_4+, SO_42- и NO_3-, 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, K_2S, Li_3N) и веществ класса солей (NaNО_3, K_2SО_4, СаСО_3). 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 I_2 и диоксид углерода СO_2 (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 Н_2O и смеси H_2O + NH_3:

Водородная связь образуется за счет сил электростатического притяжения полярных молекул, содержащих атомы самых электроотрицательных элементов – F, О, N. Например, водородные связи имеются в HF, Н_2O и NH_3, но их нет в HCl, H_2S и РН_3.

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 Н_2O) оказываются значительно выше, чем у подобных веществ, но без водородных связей (например, HCl и H_2S 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) SiH_4, Сl_2O, СаВr_2

2) NF_3, NH_4Cl, P_2O_5

3) CH_4, HNO_3, Na(CH_3O)

4) CCl_2O, I_2, N_2O

2–4. Ковалентная связь

2. одинарная

3. двойная

4. тройная

присутствует в веществе

1) КСl

2) N_2

3) S_2

4) H_2S

5. Кратные связи имеются в молекулах

1) HCOOH

2) ССl_4

3) С_3Н_8

4) С_3Н_4

6. Частицы, называемые радикалами, – это

1) SO_2

2) СlO_2

3) С_2Н_6

4) С_2Н_5

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

1) SO_42-, NH_4+

2) H_3O+, NH_4+

3) PO_43-, NO_3-

4) PH_4+, SO_32-

8. Наиболее прочная и короткая связь – в молекуле

1) Н_2O

2) H_2S

3) HF

4) PH_3

9. Вещества только с ионными связями – в наборе

1) HCl, КСl

2) NH_4Cl, SiCl_4

3) NaF, CsCl

4) Nal, P_2O_5

10–13. Кристаллическая решетка вещества

10. Si

11. H_2SO_4

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, Ag_2O, NiO и гидроксидов Cu(OH)2, Ni(OH)2 преобладают основные свойства.

Неметаллы – простые вещества элементов с неметаллическими свойствами (высокая электроотрицательность). Типичные неметаллы: F_2, Cl_2, Br_2, I_2, O_2, S, N_2, 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+IIF_2-I и H_2+IO_2-I. Не относятся к оксидам и смешанные бинарные соединения, например S+IVCl_2-IO-II.

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

Из типичных металлов только Li, Mg, Ca и Sr образуют оксиды Li_2O, MgO, СаО и SrO при сжигании на воздухе; оксиды Na_2O, К_2O, Rb_2O, Cs_2O и ВаО получают другими способами.

Оксиды CuO, Ag_2O 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 SO_2, SeO_2, Р_2O_5, As_2O_3, СO_2 и SiO_2 при сжигании на воздухе; оксиды Cl_2O, Cl_2O_7, I_2O_5, SO_3, SeO_3, N_2O_3, N_2O_5 и As_2O_5 получают другими способами.

Исключение: у оксидов NO_2 и ClO_2 нет соответствующих кислотных гидроксидов, но их считают кислотными, так как NO_2 и ClO_2 реагируют со щелочами, образуя соли двух кислот, а ClO_2 и с водой, образуя две кислоты:

а) 2NO_2 + 2NaOH = NaNO_2 + NaNO_3 + H_2O

б) 2ClO_2 + Н_2O (хол.) = НClO_2 + НClO_3

2ClO_2 + 2NaOH (хол.) = NaClO_2 + NaClO_3 + H_2O

Оксиды CrO_3 и Mn_2O_7 (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, Cr_2O_3, ZnO, Al_2O_3, GeO_2, SnO_2 и РЬО; амфотерные оксиды Ga_2O_3, SnO и РЬO_2 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:

(FeIIFe_2III)O_4, (Рb_2IIPbIV)O_4, (MgAl_2)O_4, (CaTi)O_3.

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, N_2O, SiO, S_2O.

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:

Оснóвные гидроксиды (основания) образованы элементами с металлическими свойствами.

Получаются по реакциям соответствующих основных оксидов с водой:

М_2O + Н_2O = 2МОН (М = Li, Na, К, Rb, Cs)

МО + Н_2O = 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 = Li_2O + Н_2O

М(ОН)2 = МО + Н_2O (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, Н_3O+) и следующие анионы, или кислотные остатки:

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

Cl_2O + H_2O = 2HClO

Е_2O_3 + Н_2O = 2НЕO_2 (Е = N, As)

As_2O_3 + 3H_2O = 2H_3AsO_3

EO_2 + H_2O = H_2EO_3 (Е = С, Se)

E_2O_5 + H_2O = 2HEO_3 (Е = N, Р, I)

E_2O_5 + 3H_2O = 2H_3EO_4 (E = P, As)

EO_3 + H_2O = H_2EO_4 (E = S, Se, Cr)

E_2O_7 + H_2O = 2HEO_4 (E = Cl, Mn)

Исключение: оксиду SO_2 в качестве кислотного гидроксида соответствует полигидрат SO_2 nН_2O («сернистая кислота H_2SO_3» не существует, но кислотные остатки HSO_3- и SO_32- присутствуют в солях).

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

2HAsO_2 = As_2O_3 + H_2O

H_2EO_3 = EO_2 + H_2O (E = C, Si, Ge, Se)

2HIO_3 = I_2O_5 + H_2O

2H_3AsO_4 = As_2O_5 + H_2O

H_2SeO_4 = SeO_3 + H_2O

При замене (реальной и формальной) водорода кислот на металлы и амфигены образуются соли, кислотные остатки сохраняют в солях свой состав и заряд. Кислоты H_2SO_4 и Н_3РO_4 в разбавленном водном растворе реагируют с металлами и амфигенами, стоящими в ряду напряжений левее водорода, при этом образуются соответствующие соли и выделяется водород (кислота HNO_3 в такие реакции не вступает; ниже типичные металлы, кроме Mg, не указаны, так как они реагируют в подобных условиях с водой):

М + H_2SO_4(pasб.) = MSO_4 + Н_2↑ (М = Be, Mg, Cr, Mn, Zn, Fe, Ni)

2M + 3H_2SO_4(paзб.) = M_2(SO_4)3 + 3H_2↑ (M = Al, Ga)

3M + 2Н_3РO_4(разб.) = M_3(PO_4)2↓ + 3H_2↑ (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 СО_32-, NO_3-, РО_43-, SO_42- и др.; например: К_2СO_3, Mg(NO_3)2, Cr_2(SO_4)3, Zn_3(PO_4)2.

Если средние соли получают по реакциям с участием гидроксидов, то реагенты берут в эквивалентных количествах. Например, соль К_2СO_3 можно получить, если взять реагенты в соотношениях:

2КОН и 1Н_2СO_3, 1К_2O и 1Н_2СO_3, 2КОН и 1СO_2.

Реакции образования средних солей:

1)

Основание + Кислота → Соль + Вода

1а) основный гидроксид + кислотный гидроксид →…

2NaOH + H_2SO_4 = Na_2SO_4 + 2Н_2O

Cu(OH)2 + 2HNO_3 = Cu(NO_3)2 + 2H_2O

1б) амфотерный гидроксид + кислотный гидроксид →…

2Al(ОН)3 + 3H_2SO_4 = Al_2(SO_4)3 + 6Н_2O

Zn(OH)2 + 2HNO_3 = Zn(NO_3)2 + 2Н_2O

1в) основный гидроксид + амфотерный гидроксид →…

NaOH + Al(ОН)3 = NaAlO_2 + 2Н_2O (в расплаве)

2NaOH + Zn(OH)2 = Na_2ZnO_2 + 2Н_2O (в расплаве)

2)

Основной оксид + Кислота = Соль + Вода

2а) основный оксид + кислотный гидроксид →…

Na_2O + H_2SO_4 = Na_2SO_4 + Н_2O

CuO + 2HNO_3 = Cu(NO_3)2 + H_2O

2б) амфотерный оксид + кислотный гидроксид →…

Al_2O_3 + 3H_2SO_4 = Al_2(SO_4)3 + 3H_2O

ZnO + 2HNO_3 = Zn(NO_3)2 + H_2O

2в) основный оксид + амфотерный гидроксид →…

Na_2O + 2Al(ОН)3 = 2NaAlO_2 + ЗН_2O (в расплаве)

Na_2O + Zn(OH)2 = Na_2ZnO_2 + Н_2O (в расплаве)

3)

Основание + Кислотный оксид → Соль + Вода

За) основный гидроксид + кислотный оксид →…

2NaOH + SO_3 = Na_2SO_4 + Н_2O

Ва(ОН)2 + СO_2 = ВаСO_3 + Н_2O

3б) амфотерный гидроксид + кислотный оксид →…

2Al(ОН)3 + 3SO_3 = Al_2(SO_4)3 + 3H_2O

Zn(OH)2 + N_2O_5 = Zn(NO_3)2 + H_2O

Зв) основный гидроксид + амфотерный оксид →…

2NaOH + Al_2O_3 = 2NaAlO_2 + Н_2O (в расплаве)

2NaOH + ZnO = Na_2ZnO_2 + Н_2O (в расплаве)

4)

Основной оксид + Кислотный оксид → Соль

4а) основный оксид + кислотный оксид →…

Na_2O + SO_3 = Na_2SO_4, BaO + СO_2 = ВаСO_3

4б) амфотерный оксид + кислотный оксид →…

Al_2O_3 + 3SO_3 = Al_2(SO_4)3, ZnO + N_2O_5 = Zn(NO_3)2

4в) основный оксид + амфотерный оксид →…

Na_2O + Al_2O_3 = 2NaAlO_2, Na_2O + ZnO = Na_2ZnO_2

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 = К_3[Cr(ОН)6]

2NaOH (конц.) + M(OH)2 = Na_2[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) HCO_3-, Н_2РO_42-, HPO_42- 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 + H_2SO_4 (конц.) = NaHSO_4 + H_2O

Ва(ОН)2 + 2Н_3РO_4 (конц.) = Ва(Н_2РO_4)2 + 2Н_2O

Zn(OH)2 + Н_3РO_4 (конц.) = ZnHPO_4↓ + 2Н_2O

PbSO_4 + H_2SO_4 (конц.) = Pb(HSO_4)2

K_2HPO_4 + Н_3РO_4 (конц.) = 2КН_2РO_4

Са(ОН)2 + 2ЕO_2 = Са(НЕO_3)2 (Е = С, S)

Na_2EO_3 + ЕO_2 + H_2O = 2NaHEO_3 (Е = С, S)

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

NaHSO_4 + NaOH = Na_2SO_4 + Н_2O

Pb(HSO_4)2 + Pb(OH)2 = 2PbSO_4↓ + 2H_2O

Почти все кислые соли хорошо растворимы в воде, диссоциируют нацело (КНСO_3 = К+ + HCO_3-).

Оснóвные соли содержат гидроксогруппы ОН, рассматриваемые как отдельные анионы, например FeNO_3(OH), Ca_2SO_4(OH)2, Cu_2CO_3(OH)2, образуются при действии на кислотные гидроксиды избытка основного гидроксида, содержащего не менее двух гидроксогрупп в формульной единице:

Со(ОН)2 + HNO_3 = CoNO_3(OH)↓ + Н_2O

2Ni(OH)2 + H_2SO_4 = Ni_2SO_4(OH)2↓ + 2H_2O

2Cu(OH)2 + H_2CO_3 = Cu_2CO_3(OH)2↓ + 2H_2O

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

CoNO_3(OH) + HNO_3 = Co(NO_3)2 + Н_2O

Ni_2SO_4(OH)2 + H_2SO_4 = 2NiSO_4 + 2H_2O

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

2MgCl_2 + Н_2O + 2Na_2CO_3 = Mg_2CO_3(OH)2↓ + СO_2↑ + 4NaCl

Двойные соли содержат два химически разных катиона; например: CaMg(CO_3)2, KAl(SO_4)2, Fe(NH_4)2(SO_4)2, LiAl(SiO_3)2. Многие двойные соли образуются (в виде кристаллогидратов) при совместной кристаллизации соответствующих средних солей из насыщенного раствора:

K_2SO_4 + MgSO_4 + 6Н_2O = K_2Mg(SO_4)2 6Н_2O↓

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: OF_2, HF, KBr, PbI_2, NH_4Cl, BrF_3, IF_7

б) хальгогениды: H_2S, Na_2S, ZnS, As_2S_3, NH_4HS, K_2Se, NiSe

в) нитриды: NH_3, NH_3 H_2O, Li_3N, Mg_3N_2, AlN, Si_3N_4

г) карбиды: CH_4, Be_2C, Al_4C_3, Na_2C_2, CaC_2, Fe_3C, SiC

д) силициды: Li_4Si, Mg_2Si, ThSi_2

е) гидриды: LiH, CaH_2, AlH_3, SiH_4

ж) пероксидьг. H_2O_2, Na_2O_2, СаO_2

з) надпероксиды: HO_2, КO_2, Ва(O_2)2

По типу химической связи среди этих бинарных соединений различают:

ковалентные: OF_2, IF_7, H_2S, P_2S_5, NH_3, H_2O_2

ионные: Nal, K_2Se, Mg_3N_2, CaC_2, Na_2O_2, KO_2

Встречаются двойные (с двумя разными катионами) и смешанные (с двумя разными анионами) бинарные соединения, например: KMgCl_3, (FeCu)S_2 и Pb(Cl)F, Bi(Cl)O, SCl_2O_2, As(O)F_3.

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

[Cu(NH_3)4]SO_4 K_4[Fe(CN)6] Na_3[AlF_6]

[Ag(NH_3)2]Cl K_3[Fe(NCS)6] K_2[SiF_6]

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 H_2S, из них HF, HCN и H_2S – слабые кислоты, а остальные – сильные.

Примеры реакций солеобразования:

2HBr + ZnO = ZnBr_2 + Н_2O

2H_2S + Ва(ОН)2 = Ba(HS)2 + 2Н_2O

2HI + Pb(OH)2 = Pbl_2↓ + 2Н_2O

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 = МГ_2 + Н_2↑ (М = Be, Mg, Zn, Cr, Mn, Fe, Co, Ni)

2M + 6НГ = 2МГ_3 + H_2↑ (M = Al, Ga)

Бескислородные соли образованы катионами металлов и амфигенов (а также катионом аммония NH_4+) и анионами (остатками) бескислородных кислот; примеры: AgF, NaCl, KBr, PbI_2, Na_2S, Ba(HS)2, NaCN, NH_4Cl. Проявляют некоторые химические свойства оксосолей.

Общий способ получения бескислородных солей с одноэлементными анионами – взаимодействие металлов и амфигенов с неметаллами F_2, Cl_2, Br_2 и I_2 (в общем виде Г_2) и серой S (приведены реально протекающие реакции):

2М + Г_2 = 2МГ (М = Li, Na, К, Rb, Cs, Ag)

M + Г_2 = МГ_2 (М = Be, Mg, Са, Sr, Ва, Zn, Mn, Со)

2М + ЗГ_2 = 2МГ_3 (М = Al, Ga, Cr)

2М + S = M_2S (М = Li, Na, К, Rb, Cs, Ag)

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

2M + 3S = M_2S_3 (M = Al, Ga, Cr)

Исключения:

а) Cu и Ni реагируют только с галогенами Cl_2 и Br_2 (продукты МCl_2, МBr_2)

б) Cr и Mn реагируют с Cl_2, Br_2 и I_2 (продукты CrCl_3, CrBr_3, CrI_3 и MnCl_2, MnBr_2, MnI_2)

в) Fe реагирует с F_2 и Cl_2 (продукты FeF_3, FeCl_3), с Br_2 (смесь FeBr_3 и FeBr_2), с I_2 (продукт FeI_2)

г) Cu при реакции с S образует смесь продуктов Cu_2S 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 + 3F_2 = SF_6, N_2 + 3F_2 = 2NF_3

2P + 5Г_2 = 2РГ_5 (Г = F, CI, Br)

С + 2F_2 = CF_4

Si + 2Г_2 = Sir_4 (Г = F, CI, Br, I)

б) халькогениды:

2As + 3S = As_2S_3

2E + 5S = E_2S_5 (E = P, As)

E + 2S = ES_2 (E = C, Si)

в) нитриды:

3H_2 + N_2  2NH_3

6M + N_2 = 2M_3N (M = Li, Na, K)

3M + N_2 = M_3N_2 (M = Be, Mg, Ca)

2Al + N_2 = 2AlN

3Si + 2N_2 = Si_3N_4

г) карбиды:

2M + 2C = M_2C_2 (M = Li, Na)

2Be + С = Be_2C

M + 2C = MC_2 (M = Ca, Sr, Ba)

4Al + 3C = Al_4C_3

Si + С = SiC

д) силициды:

4Li + Si = Li_4Si

2M + Si = M_2Si (M = Mg, Ca)

е) гидриды:

2M + H_2 = 2MH (M = Li, Na, K)

M + H_2 = MH_2 (M = Mg, Ca)

ж) пероксиды, надпероксиды:

2Na + O_2 = Na_2O_2 (сгорание на воздухе)

M + O_2 = МО_2 (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):

РCl_5 + 4Н_2O = Н_3РO_4 + 5НCl

SiBr_4 + 2Н_2O = SiO_2↓ + 4НBr

P_2S_5 + 8Н_2O = 2Н_3РO_4 + 5H_2S↑

SiS_2 + 2Н_2O = SiO_2↓ + 2H_2S

Mg_3N_2 + 8H_2O = 3Mg(OH)2↓ + 2(NH_3 H_2O)

Na_3N + 4H_2O = 3NaOH + NH_3 H_2O

Be_2C + 4H_2O = 2Be(OH)2↓ + CH_4↑

MC_2 + 2H_2O = M(OH)2 + C_2H_2↑ (M = Ca, Sr, Ba)

Al_4C_3 + 12H_2O = 4Al(OH)3↓ + 3CH_4↑

MH + H_2O = MOH + H_2↑ (M = Li, Na, K)

MgH_2 + 2H_2O = Mg(OH)2↓ + H_2↑

CaH_2 + 2H_2O = Ca(OH)2 + H_2↑

Na_2O_2 + 2H_2O = 2NaOH + H_2O_2

2MO_2 + 2H_2O = 2MOH + H_2O_2 + O_2↑ (M = K, Rb, Cs)

Другие вещества, наоборот, устойчивы по отношению к воде, среди них SF_6, NF_3, CF_4, CS_2, AlN, Si_3N_4, SiC, Li_4Si, Mg_2Si и Ca_2Si.

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 + CF1_2 →…, Si + O_2 →…, Si + Mg →…

общая сумма числа атомов всех элементов равна

1) 8

2) 9

3) 10

4) 11

3. В металлсодержащих продуктах реакций

Na + Н_2O →…, Са + Н_2O →…, 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) СO_2, NaOH, NO

2) HBr, SO_3, NH_4Cl

3) BaO, SO_3, KMgCl_3

4) O_2, Al_2O_3, NH_3

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

1) SiO_2

2) КCl

3) LiOH

4) NaNO_3

6. Соль МAlO_2 образуется при сплавлении

1) Al и ZnO

2) Al_2O_3 и КОН

3) Al и Са(ОН)2

4) Al_2O_3 и Fe_2O_3

7. В молекулярном уравнении реакции

ZnO + HNO_3 → Zn(NO_3)2 +…

сумма коэффициентов равна

1) 4

2) 5

3) 6

4) 7

8. Продукты реакции N_2O_5 + NaOH →… – это

1) Na_2O, HNO_3

2) NaOH, NH_3

3) NaNO_3, H_2O

4) NaNO_2, N_2, H_2O

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, CuSO_4

2) SO_2, Ag

3) Al, Ba(OH)2

4) SO_3, FeCl_3

11–12. Остаток, отвечающий кислоте с названием

11. Серная

12. Азотная

имеет формулу

1) NO_2-

2) SO_42-

3) NO_3-

4) SO_32-

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. H_3PO_4, РЬ(ОН)2

16. Cr(OH)3, HNO_3

выводится формула средней соли

1) РЬ_3(РO_4)2

2) РЬ_3РO_4

3) Cr_2NO_3

4) Cr(NO_3)3

17. После пропускания избытка H_2S через раствор гидроксида бария в конечном растворе будет содержаться соль

1) Ba(HS)2

2) (BaOH)2S

3) BaS

4) BaSO_3

18. Возможно протекание реакций:

1) CaSO_3 + H_2SO_4 →…

2) Ca(NO_3)2 + HNO_3 →…

3) NaHCOg + K_2SO_4 →…

4) Al(HSO_4)3 + NaOH →…

19. В уравнении реакции (СаOН)2СO_3(т) + Н_3РO_4 → СаНРO_4↓ +…

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) NaNO_3, Н_2O

2) HNO3, КОН

3) N_2O, NaOH

4) HNO_3, Н_2O

23. Составьте уравнения возможных реакций по схеме

FeS → H_2S + PbS → PbSO_4 → Pb(HSO_4)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]3s^1, 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 + O_2 = Na_2O_2 2Na + H_2 = 2NaH

2Na + Cl_2 = 2NaCl 2Na + S = Na_2S

6Na + N_2 = 2Na_3N 2Na + 2C = Na_2C_2

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

2Na + 2H_2O = 2NaOH + Н_2↑ + 368 кДж

От теплоты реакции кусочки натрия расплавляются в шарики, которые начинают беспорядочно двигаться из-за выделения Н_2. Реакция сопровождается резкими щелчками вследствие взрывов гремучего газа (Н_2 + O_2). Раствор окрашивается фенолфталеином в малиновый цвет (щелочная среда).

В ряду напряжений натрий стоит значительно левее водорода, из разбавленных кислот HCl и H_2SO_4 вытесняет водород (за счет Н_2O и Н+).

Получение натрия в промышленности:

(см. также ниже получение NaOH).

Натрий применяется для получения Na_2O_2, 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 Na_2O. Основный оксид. Белый, имеет ионное строение (Na+)2O2-. 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 Na_2O_2 (см.), а также сплавление Na и NaOH, Na и Na_2O_2:

2Na + 2NaOH = 2NaaO + H_2 (600 °C)

2Na + Na_2O_2 = 2NaaO (130–200 °C)

Пероксид натрия Na_2O_2. Бинарное соединение. Белый, гигроскопичный. Имеет ионное строение (Na+)2O_22-. При нагревании разлагается, плавится под избыточным давлением O_2. Поглощает углекислый газ из воздуха. Полностью разлагается водой, кислотами (выделение O_2 при кипячении — качественная реакция на пероксиды). Сильный окислитель, слабый восстановитель. Применяется для регенерации кислорода в изолирующих дыхательных приборах (реакция с СO_2), как компонент отбеливателей ткани и бумаги. Уравнения важнейших реакций:

2Na_2O_2 = 2Na_2O + O_2 (400–675 °C, вакуум)

Na_2O_2 + 2Н_2O = Н_2O_2 + 2NaOH (на холоду)

2Na_2O_2 + 2Н_2O = O_2↑ + 4NaOH (кипячение)

Na_2O_2 + 2НCl (разб.) = 2NaCl + Н_2O_2 (на холоду)

2Na_2O_2 + 4НCl (разб.) = 4НCl + 2Н_2O + O_2↑ (кипячение)

2Na_2O_2 + 2CO_2 = Na_2CO_3 + O_2

Na_2O_2 + CO = Na_2CO_3

Na_2O_2 + 4H+ + 2I- = I_2↓ + 2H_2O + 2Na+

5Na_2O_2 + 16H+ + 2MnO_4- = 5O_2↑ + 2Mn2+ + 8H_2O + 10Na+

3Na_2O_2 + 2[Cr(OH)6]3- = 2CrO_24- + 8OH- + 2H_2O + 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 NaHCO_3). 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.) + H_3PO_4 (конц.) = NaH_2PO_4 + H_2O

2NaOH (разб.) + H_3PO_4 (разб.) = Na_2HPO_4 + 2H_2O

3NaOH (конц.) + H_3PO_4 (разб.) = Na_3PO_4 + 3H_2O

2NaOH(T) + M_2O_3 = 2NaMO_2 + H_2O (1000 °C, M = Al, Cr)

2NaOH (конц.) + 3H_2O + AI_2O_3 = 2Na[Al(OH)4] (кипячение)

2NaOH(T) + M(OH)2 = Na_2MO_2 + 2H_2O (500 °C, M = Be, Zn)

2NaOH (конц.) + Zn(OH)2 = Na_2[Zn(OH)4]

Осаждает нерастворимые гидроксиды:

2NaOH + MCl_2 = 2NaCl + M(OH)2↓ (M = Mg, Cu)

Подвергает дисмутации галогены и серу:

2NaOH (конц., хол.) + Е_2 = NaE + NaEO + H_2O (Е = Cl, Br)

6NaOH (разб., гор.) + 3S = 2Na_2S + Na_2SO_3 + 3H_2O

Подвергается электролизу в расплаве:

Раствор NaOH разъедает стекло (образуется NaSiO_3), корродирует поверхность алюминия (образуются Na[Al(OH)4] и Н_2).

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]4s^1, 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 K_2SO_4 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 КO_2, реагирует с водородом (продукт KH), хлором (КCl), серой (K_2S).

Энергично и с высоким экзо-эффектом калий разлагает воду:

2К + 2H_2O = 2KOH + Н_2↑ + 392 кДж,

выделяющийся водород тут же воспламеняется.

В ряду напряжений калий стоит значительно левее водорода, из разбавленных кислот HCl и H_2SO_4 вытесняет водород (за счет Н_2O и Н+), при этом серная кислота частично восстанавливается до SO_2.

Получение калия в промышленности одинаково с получением натрия.

Применяется калий для синтеза его соединений (КO_2, 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 КНСO_3). 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 K_2SiO_3).

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]4s^2, 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 (СаСO_3, СаО, цианамид кальция CaCN_2 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 + Cr_2O_3 = ЗСаО + 2Cr (700–800 °C)

5Са + V_2O_5 = 5СаО + 2V (950 °C)

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

Са + 2Н_2O = Са(ОН)2 + Н_2↑ + 413 кДж

В ряду напряжений стоит значительно левее водорода, из разбавленных кислот НCl и H_2SO_4 вытесняет водород (за счет Н_2O и Н+):

Ca + 2H+ = Са2+ + Н_2↑

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+O2-. 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, СаС_2 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):

СаСO_3 = СаО + СO_2

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 СаСO_3 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(НСO_3)2 (М = Са, Mg) и Fe(HCO_3)2. Если количественно определяют содержание ионов HCO_3-, 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(НСO_3)2 = СаСO_3↓ + Н_2O + СO_2↑

Mg(HCO_3)2 = Mg(OH)2↓ + 2СO_2↑

4Fe(HCO_3)2 + O_2 = 2Fe_2O_3↓ + 8CO_2↑ + 4H_2O

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(НСO_3)2 + Са(ОН)2 = 2СаСO_3↓ + 2Н_2O

Mg(HCO_3)2 + Ca(OH)2 = CaMg(CO_3)2↓ + 2Н_2O

4Fe(HCO_3)2 + 8Са(ОН)2 + O_2 = 4FeO(OH)↓ + 8СаСO_3↓ + 10Н_2O

устранение постоянной жесткости:

Ca(NO_3)2 + Na_2CO_3 = СаСO_3↓ + 2NaNO_3

2MgSO_4 + Н_2O = Na_2CO_3 = Mg_2CO_3(OH)2↓ + СO_2↑ + 2Na_2SO_4

3FeCl_2 + 2Na_3PO_4 = Fe_3(PO_4)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]3s^23p^1, 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 Al_2O_3, весьма устойчивой и защищающей металл от коррозии; пассивируется в воде и концентрированной HNO_3 (образование той же оксидной пленки).

Реакционноспособный, сгорает на воздухе, при комнатной температуре реагирует с галогенами Cl_2, Br_2 и I_2, при нагревании – с фтором, серой:

4Al(порошок) + 3O_2(воздух) = 2Al_2O_3 (700 °C)

2Al(порошок) + ЗЕ_2 = 2AlЕ_3 (25 °C, Е = CI, Br)

2Al(порошок) + 3I_2 = 2AlI_3 (25 °C, кат. – капля Н_2O)

2Al + 3F_2 = 2AlF_3 (600 °C)

2Al + 3S = Al_2S_3 (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 + 6Н_2O = 2Al(ОН)3↓ + ЗН_2↑ + 836 кДж

Алюминий – сильный (типичный) восстановитель, в ряду напряжений стоит значительно левее водорода; вытесняет водород из разбавленных кислот НCl и H_2SO_4:

2Al + 6Н+ = 2Al3+ + ЗН_2↑

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

2Al + 2NaOH + 6Н_2O = 2Na[Al(OH)4] + ЗН_2↑ (80 °C)

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

2Al + 6NaOH(T) = 2NaAlO_2 + ЗН_2 + 2Na_2O (450 °C)

Взаимодействует с разбавленной азотной кислотой:

Al + 4НNO_3(разб.) = Al(NO_3)3 + NO↑ + 2Н_2O

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

8Al + З0НNO_3(оч. разб.) = 8Al(NO_3)3 + 3NH_4NO_3 + 9Н_2O

8Al + 18Н_2O + 5КОН + 3KNO_3 = 8К[Al(ОН)4] + 3NH_3↑ (кипячение)

(движущей силой этих реакций служит промежуточное выделение атомарного водорода Н^0, а во второй реакции – также и образование устойчивого гидроксокомплекса [Al(OH),]-).

Получение алюминия в промышленности – электролиз Al_2O_3 в расплаве криолита Na_3[AlF_6] 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 Al_2O_3. Амфотерный оксид, кислотные и основные свойства равно выражены. Белый, имеет ионное строение (Al3+)2(O2-)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 Al_2O_3 – для изготовления рубиновых лазеров и синтетических драгоценных камней (рубины, сапфиры и др.), окрашенных примесями оксидов других металлов – Cr_2O_3 (красный цвет), Ti_2O_3 и Fe_2O_3 (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 NH_3 Н_2O, NH_4Cl, СO_2, SO_2 и H_2S. 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.) = AlCl_3 + ЗН_2O

Al(ОН)3 + NaOH(т) = NaAlO_2 + 2Н_2O (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 СO_2 через раствор гидроксокомплекса:

[Al(ОН)4]- + СO_2 = Al(ОН)3↓ + HCO_3-

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 Na_4[Al(OH)7], Na_4[Al_4O_3(OH)10] и др.). При прокаливании твердые соли разлагаются до диоксоалюмината(III) натрия NaAlO_2, 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]

AlCl_3 + 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(NO_3)2

4) Mg_3N_2

3. Алюминий будет выделять водород из реактива

1) HNO_3 (разб.)

2) NaHSO_4 (разб.)

3) H_2SO_4 (конц.)

4) NaOH (конц.)

4. Реакция замещения протекает в растворе между алюминием и

1) Na_2SO_4

2) BeSO_4

3) NiSO_4

4) MgSO_4

5. Из раствора гидрокарбоната бария выпадает осадок при добавлении реактивов

1) ВаО

2) СO_2

3) Ва(ОН)2

4) H_2SO_4

6. Калий можно получить электролизом на угольных электродах из

1) раствора КCl

2) раствора KNO_3

3) расплава КCl

4) расплава смеси КCl и MgCl_2

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(НСO_3)2 + Na_3PO_4 →…

2) Са(НСO_3)2 + Са(ОН)2 →…

3) CaSO_4 + Na_2CO_3 →…

4) СаCl_2 + NaHCO_3 →…

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]3d^54s^1, 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 CrIII проявляют амфотерные свойства, металлические (основные) свойства преобладают у CrII, неметаллические (кислотные) – у CrVI; 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 H_2SO_4 вытесняет водород:

Cr + 2H+ = Cr2+ + Н_2↓

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

Хром реагирует в расплаве с сильными окислителями:

2Cr + КClO_3 = Cr_2O_3 + КCl (500–700 °C)

2Cr + 3KNO_3 = Cr_2O_3 + 3KNO_2 (400–550 °C)

Получение хрома в промышленности – алюминотермия:

Cr_2O_3 + 2Al = 2Cr + Al_2O_3 (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(NH_3 Н_2O) = Cr(OH)3↓ + 3NH_4+

Хромат калия К_2CrO_4. Оксосоль. Желтый, негигроскопичный. Плавится без разложения, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде (желтая окраска раствора отвечает иону CrO_42-), незначительно гидролизуется по аниону. В кислотной среде переходит в К_2Cr_2O_7. Окислитель (более слабый, чем К_2Cr_2O_7). Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион CrO_42- – 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:

2К_2CrO_4 + H_2SO_4 (30 %) = К_2Cr_2O_7 + K_2SO_4 + Н_2O

2К_2CrO4(т) + 16HCl (конц., гор.) = 2CrCl_3 + ЗCl_3↑ + 8H_2O + 4КCl

2К_2CrO_4 + 2H_2O + 3H_2S = 2Cr(OH)3↓ + 3S↓ + 4KOH

2К_2CrO_4 + 8H_2O + 3K_2S = 2K_3[Cr(OH)6] + 3S↓ + 4KOH

2К_2CrO_4 + 2AgNO_3 = 2KNO_3 + Ag_2CrO_4 (красн.)↓

Качественная реакция:

К_2CrO_4 + ВаCl_2 = 2КCl + ВаCrO_4↓

2BaCrO4(т) + 2HCl (разб.) = ВаCr_2O7(р) + ВаCl_2 + Н_2O

Получение: спекание хромита с поташом на воздухе:

4(Cr_2FeII)O_4 + 8К_2СO_3 + 7O_2 = 8К_2CrO_4 + 2Fe_2O_3 + 8СO_2 (1000 °C)

Дихромат калия К_2Cr_2O_7. Оксосоль. Техническое название хромпик. Оранжево-красный, негигроскопичный. Плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворим в воде (оранжевая окраска раствора отвечает иону Cr_2O_72-). В щелочной среде образует К_2CrO_4. Типичный окислитель в растворе и при сплавлении. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественные реакции – синее окрашивание эфирного раствора в присутствии Н_2O_2, 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 H_2SO_4 (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]3d^54s^2; 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 MnII – оксид и гидроксид – проявляют основные свойства, соединения MnIII и MnIV – амфотерные свойства, для соединений MnVI и MnVII 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 H_2SO_4 вытесняет водород:

Mn (порошок) + 2H+ = Mn2+ + Н_2↑

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

Mn + 2H_2SO_4 (конц.) = MnSO_4 + SO_2↑ + 2Н_2O

ЗMn + 8HNO_3 (разб.) = 3Mn(NO_3)2 + 2NO↑ + 4Н_2O

Получение марганца в промышленности – восстановление пиролюзита MnO_2 или гаусманита (MnIIMn_2III)O_4 коксом или алюминием:

MnO_2 + С (кокс) = Mn + СO_2 (600 °C)

3(MnIIMn_2III)O_4 + 8Al = 9Mn + 4Al_2O_3 (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) MnO_2. Черный, с коричневым оттенком, при нагревании разлагается. Из раствора осаждается в виде черного гидрата MnO_2 nН_2O. Не проявляет амфотерных свойств в силу малой реакционной способности по отношению к воде, разбавленным кислотам НCl и H_2SO_4, 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:

4MnO_2 = 2Mn_2O_3 + O_2 (530–585 °C)

2MnO_2 + 2H_2SO_4 (конц.) = MnSO_4 + O_2↑ + 2Н_2O (кипячение)

MnO_2 + 4HCl (конц.) = MnCl_2 + Cl_2↑ + 2H_2O

MnO_2 + H_2SO_4 (гор.) + KNO_2 = MnSO_4 + KNO_3 + H_2O

MnO_2 + 2H_2SO_4 + 2FeSO_4 = MnSO_4 + Fe_2(SO_4)3 + 2H_2O

MnO_2 + 2KOH + KNO_3 = K_2MnO_4 + KNO_2 + H_2O (350–450 °C)

3MnO_2 + 3K_2CO_3 + KClO_3 = 3K_2MnO_4 + KCl + 3CO_2 (400 °C)

В природе самое распространенное соединение марганца – минерал пиролюзит.

Манганат калия К_2MnO_4. Оксосоль. Темно-зеленый, плавится под избыточным давлением O_2. В растворе устойчив только в сильнощелочной среде. Зеленая окраска раствора отвечает иону MnO_42-. 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 КMnO_4.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: сплавление MnO_2 с сильными окислителями (KNO_3, КСlO_3).

Пермапгапат калия КMnO_4. Оксосоль. Красно-фиолетовый (почти черный). При нагревании разлагается без плавления. Умеренно растворим в воде (интенсивно-фиолетовая окраска раствора отвечает иону MnO_4-), гидролиза нет. Медленно разлагается в воде, серной кислоте, щелочах. Сильный окислитель в растворе и при сплавлении; в сильнокислотной среде восстанавливается до MnII, в нейтральной среде – до MnIV, в сильнощелочной среде – до MnVI.

Качественная реакция на ион MnO_4- – 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 K_2MnO_4 (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]3d^64s^2, 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 + 4Н_2O (пар) = (FeIIFe_2III)O_4+ 4Н_2 (800 °C)

В ряду напряжений стоит левее водорода, реагирует с разбавленными кислотами НCl и H_2SO_4, при этом образуются соли железа(II) и выделяется водород:

Fe + 2Н+ = Fe2+ + Н_2↑

(реакции проводятся без доступа воздуха, иначе FeII постепенно переводится кислородом в FeIII).

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

Fe + 4HNO_3 (разб.) = Fe(NO_3)3 + NO↑ + 2H_2O

Амфотерность железа проявляется только в концентрированных щелочах при кипячении:

Fe + 2NaOH (50 %) + 2Н_2O = Na_2[Fe(OH)4]↓ + Н_2↑

и образуется осадок тетрагидроксоферрата(II) натрия.

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

Fe + CuSO_4 = FeSO_4 + Cu↓

Железо медленно окисляется во влажном воздухе (ржавеет), из-за рыхлости коричневой ржавчины (FeIIFe_2III)O_4 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 Fe_2C 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 (СO_2, SO_2), либо связываются в легко отделяемый шлак – смесь Са_3(РO_4)2 и CaSiO_3. 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+O2-. 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 + H_2O (150–200 °C)

FeCO_3 = FeO + СO_2 (490–550 °C)

Оксид дижелеза (III) – железа(II) (FeIIFe_2III)O_4. Двойной оксид. Черный, имеет ионное строение Fe2+(Fe3+)2(O2-)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 Fe_3O_4 не рекомендуется. Уравнения важнейших реакций:

Получение: сгорание железа (см.) на воздухе.

В природе – оксидная руда железа магнетит.

Оксид железа(III) Fe_2O_3. Амфотерный оксид с преобладанием основных свойств. Красно-коричневый, имеет ионное строение (Fe3+)2(O2-)3. Термически устойчив до высоких температур. Не образуется при сгорании железа на воздухе. Не реагирует с водой, из раствора выпадает бурый аморфный гидрат Fe_2O_3 nН_2O. 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:

Fe_2(SO_4)3 = Fe_2O_3 + 3SO_3 (500–700 °C)

4{Fe(NO_3)3 9 H_2O} = 2FeaO_3 + 12NO_2 + 3O_2 + 36H_2O (600–700 °C)

В природе – оксидные руды железа гематит Fe_2O_3 и лимонит Fe_2O_3 nН_2O.

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(NH_3 H_2O) = Fe(OH)2↓ + 2NH_4+

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 Fe_2O_3 nН_2O, 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 Fe_2O_3 nН_2O и его частичное обезвоживание (см. выше).

В природе – оксидная руда железа лимонит Fe_2O_3 nН_2O и минерал гётит FeO(OH).

Феррат калия K_2FeO_4. 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 + 2KNO_3 = K_2FeO_4 + 3KNO_2 + H_2O (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 K_3[Fe(CN)6] и K_4[Fe(CN)6] соответственно; в обоих случаях выпадает синий продукт одинакового состава и строения, KFeIII[FeII(CN)6]. В лаборатории этот осадок называют берлинская лазурь, или турнбуллева синь:

Fe2+ + К+ + [Fe(CN)6]3- = KFeIII[FeII(CN)6]↓

Fe3+ + K+ + [Fe(CN)6]4- = KFeIII[FeII(CN)6]↓

Химические названия исходных реактивов и продукта реакций:

K_3[Fe(CN)6] – гексацианоферрат (III) калия

K_4[Fe(CN)6] – гексацианоферрат (II) калия

KFeIII[FeII(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 ns1–2. 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+O2-. Катионы типичных металлов входят также в состав соединений со сложными анионами – гидроксидов и солей, например Mg2+(OH-)2, (Li+)2CO_32-.

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 ns^2np0–4 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 ТlIII, PbIV, Biv). 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 Ga_2, в твердом состоянии хлориды алюминия и ртути(II) AlCl_3 и HgCl_2 содержат сильно ковалентные связи, но в растворе AlCl_3 диссоциирует почти полностью, a HgCl_2 – 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 СO_2 и SO_2; создается кислотная среда, и катионы Н+ вытесняются активными металлами в виде водорода Н_2 (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 CuSO_4 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, H_2SO_4 и HNO_3 общая сумма числа атомов всех элементов равна

1) 14

2) 18

3) 22

4) 26

2. В уравнениях реакций

Fe + O_2 → (FeIIFeIII_2)O_4

Fe + Cl_2 → FeCl_3

Fe + Н_2O (пар) → (FeIIFeIII_2)O_4 + Н_2

общая сумма коэффициентов равна

1) 6

2) 7

3) 12

4) 25

3. Соль NaCrO_2 получают при взаимодействии между

1) CrO_3 и Na_2O

2) Cr_2O_3 и Na_2CO_3

3) CrО и NaOH

4) CrO_2 и NaHCO_3

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) H_2SO_4 + FeCO_3 →…

2) AgNO_3 + HI (p-p) →…

3) K_2Cr_2O_7 (p-p) + PbO_2 →…

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. Fe_2O_3 + HNOg →…, Fe(OH)2 + O_2 → FeO(OH) +…

11. CuO + С → CO_2 + Cu, Fe_2O_3 + 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) CuSO_4 и Zn

2) Pb(NO_3)2 и Cr

3) Fe и ZnSO_4

4) Cd и Hg(NO_3)2

14. Для удаления примеси NiSO_4 из раствора FeSO_4 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(NO_3)2

2) Cu и Hg(NO_3)2

3) Со и MnSO_4

4) Pb и CrCl_3

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 1s^1, характерные степени окисления 0, +I и реже – I. Состояние HI 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 Н_3O+ и аммония NH4+, аквакатионы металлов) и многочисленных анионов – кислых кислотных остатков (HS-, HCO_3- 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 Н_2. Простое вещество. Бесцветный газ без запаха и вкуса. Молекула содержит ковалентную σ-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 Н_2 может проявлять в одних условиях восстановительные свойства (чаще), в других – окислительные свойства (реже):

восстановитель Н_2^0 – 2е- = 2НI

окислитель Н_2^0 + 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 Н^0 (водород in statu nascendi, лат., – в момент возникновения), который получают непосредственно в зоне проводимой реакции (время жизни Н^0 0,5 с); например, гранулы магния вносят в подкисленный раствор переманганата калия, протекают реакции:

а) образование атомарного водорода

Mg + 2Н+ = Mg2+ + 2Н^0

б) восстановление перманганат-иона атомарным водородом

5Н^0 + 3H+ + MnO_4- = Mn2+ + 4Н_2O

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

а) Fe + 2Н+ = Fe2+ + 2Н^0

б) C_6H_5NO_2 + 6Н^0 = C_6H_5NH_2 + 2Н_2O

Получить атомарный водород можно также пропусканием водорода Н_2 над никелевым катализатором.

Атомарный водород легко восстанавливает при комнатной температуре весьма устойчивые соединения, например KNO_3 и O_2:

2Н^0 (Zn, разб. HCl) + KNO_3 = KNO_2 + H_2O

2H^0 (Zn, разб. HCl) + O_2 = Н_2O_2

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

а) Zn + 2OH- + 2H_2O = [Zn(OH)4]2- + 2Н^0

б) 8Н^0 + KNO_3 = NH_3↑ + КОН + 2Н_2O (кипячение)

Качественная реакция – сгорание собранного в пробирку водорода с «хлопком» («гремучая» смесь с воздухом при содержании Н_2 4—74 % по объему).

Применяется водород как восстановитель и гидрирующий агент в синтезе технически важных продуктов (редкие металлы, NH_3, НCl, органические вещества).

Вода Н_2O. Бинарное соединение. Бесцветная жидкость (слой более 5 м толщиной окрашен в голубой цвет), без вкуса и запаха. Молекула имеет строение дважды незавершенного тетраэдра [:: ОН_2] (sр^3-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 (H_2S 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 1Н_2O с примесью 1Н^2НО и 2Н_2O, по изотопному составу кислорода в основном Н_2^16O с примесью Н_2^18O и Н_2^17O. В малой степени подвергается диссоциации до Н+, или, точнее, до Н_3O+, и ОН; очень слабый электролит. Катион оксония Н_3O+ имеет строение незавершенного тетраэдра [: O(Н)3] (sр^3-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:

6H_2O + Al_2S_3 = 2Al(ОН)3↓ + 3H_2S↑

2H_2O + SF_4 = SO_2↑ + 4HF↑ (40–60 °C)

6H_2O + Mg_3N_2 = 3Mg(OH)2↓ + 2NH_3↑ (кипячение)

2H_2O + CaC_2 = Ca(OH)2↓ + C_2H_2↑

Вода – окислитель за счет HI:

Электролиз воды:

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

а) в нейтральном растворе (электролит Na_2SO_4)

катод 2H_2O + 2е- = H_2↑ + 2OH

анод 2Н_2O – 4е- = O_2↑ + 4H+

раствор ОН- + Н+ = Н_2O

б) в кислом растворе (электролит H_2SO_4)

катод 2Н+ + 2е- = Н_2↑

анод 2Н_2O – 4е- = O_2↑ + 4Н+

в) в щелочном растворе (электролит NaOH)

катод 2Н_2O + 2е- = Н_2↑ + 2OН-

анод 4OН- – 4е- = O_2↑ + 2Н_2O

Один из методов обнаружения воды основан на переходе во влажной атмосфере белого сульфата меди(II) CuSO_4 в голубой медный купорос CuSO_4 5Н_2O.

Известна изотопная разновидность воды — тяжелая вода D_2O (2Н_2O); в природных водах массовое отношение D_2O: Н_2O = 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 СаН_2. 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 СаН_2 дает 1000 л Н_2), осушитель газов и жидкостей, аналитический реагент для количественного определения воды в кристаллогидратах.

Уравнения важнейших реакций:

СаН_2 = Н_2 + Са (особо чистый) (выше 1000 °C)

СаН_2 + 2Н_2O = Са(ОН)2 + 2Н_2↑

СаН_2 + 2НCl (разб.) = СаCl_2 + 2Н_2↑

СаН_2 + O_2 = Н_2O + СаО (особо чистый) (300–400 °C)

ЗСаН_2 + N_2 = ЗН_2 + Ca_3N_2 (выше 1000 °C)

ЗСаН_2 + 2КClO_3 = 2КCl + ЗСаО + ЗН_2O (450–550 °C)

СаН_2 + H_2S = CaS + 2Н_2 (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]3s^23p^5, 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 Cl_2. Простое вещество. Желто-зеленый газ с резким удушливым запахом. Молекула Cl_2 неполярна, содержит σ-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 О^0, 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) Cl_2 + 2KBr(p) = 2КCl + Br_2↑ (кипячение)

б) Cl_2 (нед.) + 2KI(p) = 2КCl + I_2↓

3Cl_2 (изб.) + ЗН_2O + KI = 6НCl + КIO_3 (80 °C)

Качественная реакция – взаимодействие недостатка Cl_2 с KI (см. выше) и обнаружение иода по синему окрашиванию после добавления раствора крахмала.

Получение хлора в промышленности:

и в лаборатории:

4НCl (конц.) + MnO_2 = Cl_2↑ + MnCl_2 + 2Н_2O

(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 σ-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 НI). Составная часть «царской водки».

Качественная реакция на ион Cl- – образование белых осадков AgCl и Hg_2Cl_2, 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 + Н_2O

HCl (разб.) + NH_3 H_2O = NH_4Cl + Н_2O

4HCl (конц., гор.) + МО_2 = МCl_2 + Cl_2↑ + 2H_2O (М = Mn, Pb)

16HCl (конц., гор.) + 2КMnO4(т) = 2MnCl_2 + 5Cl_2↑ + 8H_2O + 2КCl

14HCl (конц.) + К_2Cr_2O7(т) = 2CrCl_3 + ЗCl_2↑ + 7H_2O + 2КCl

6HCl (конц.) + КClO3(т) = КCl + ЗCl_2↑ + 3H_2O (50–80 °C)

4HCl (конц.) + Са(ClO)2(т) = СаCl_2 + 2Cl_2| + 2Н_2O

2HCl (разб.) + М = МCl_2 + H_2↑ (М = Fe, Zn)

2HCl (разб.) + МСO_3 = МCl_2 + СO_2↑ + H_2O (М = Са, Ва)

HCl (разб.) + AgNO_3 = HNO_3 + AgCl↓

Получение НCl в промышленности – сжигание Н_2 в Cl_2 (см.), в лаборатории – вытеснение из хлоридов серной кислотой:

NaCl(т) + H_2SO_4 (конц.) = NaHSO_4 + НCl↑ (50 °C)

2NaCl(т) + H_2SO_4 (конц.) = Na_2SO_4 + 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) + 2H_2SO_4 (конц.) + MnO2(т) = Cl_2↑ + MnSO_4 + 2Н_2O + Na_2SO_4 (100 °C)

10NaCl(т) + 8H_2SO_4 (конц.) + 2КMnO4(т) = 5Cl_2↑ + 2MnSO_4 + 8Н_2O + 5Na_2SO_4 + K_2SO_4 (100 °C)

6NaCl(т) + 7H_2SO_4 (конц.) + К_2Cr_2O7(т) = ЗCl_2 + Cr_2(SO_4)3 + 7Н_2O + 3Na_2SO_4 + K_2SO_4 (100 °C)

2NaCl(т) + 4H_2SO_4 (конц.) + РЬO2(т) = Cl_2↑ + Pb(HSO_4)2 + 2Н_2O + 2NaHSO_4 (50 °C)

NaCl (разб.) + AgNO_3 = NaNO_3 + 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 Cl_2. В природе основная составная часть (наравне с NaCl) залежей сильвинита.

Уравнения важнейших реакций одинаковы с таковыми для NaCl.

Хлорид кальция СаCl_2. Бескислородная соль. Белый, плавится без разложения. Расплывается на воздухе за счет энергичного поглощения влаги. Образует кристаллогидрат СаCl_2 6Н_2O 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:

СаCl2(т) + 2H_2SO_4 (конц.) = Ca(HSO_4)2 + 2НCl↑ (50 °C)

СаCl2(т) + H_2SO_4 (конц.) = CaSO_4↓ + 2НCl↑ (100 °C)

СаCl_2 + 2NaOH (конц.) = Ca(OH)2↓ + 2NaCl↑

ЗСаCl_2 + 2Na_3PO_4 = Са_3(РO_4)2↓ + 6NaCl

СаCl_2 + К_2СO_3 = СаСO_3↓ + 2КCl

СаCl_2 + 2NaF = CaF_2↓ + 2NaCl

Получение:

СаСO_3 + 2HCl = СаCl_2 + СO_3↑ + Н_2O

Хлорид алюминия AlCl_3. Бескислородная соль. Белый, легкоплавкий, сильнолетучий. В паре состоит из ковалентных мономеров AlCl_3 (треугольное строение, sр^2-гибридизация, преобладают при 440–800 °C) и димеров Al_2Cl_6 (точнее, Cl_2AlCl_2AlCl_2, строение – два тетраэдра с общим ребром, sр^3-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 AlРO_4, 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 AlCl_3 в промышленности – хлорирование каолина, глинозёма или боксита в присутствии кокса:

Al_2O_3 + ЗС (кокс) + ЗCl_2 = 2AlCl_3 + ЗСО (900 °C)

Хлорид железа(Н) FeCl_2. 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 FeCl_2 (линейное строение, sp-гибридизация) и димеров Fe_2Cl_4. 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 FeCl_3 и Fe_2O_3, как катализатор в органическом синтезе, компонент лекарственных средств против анемии.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: взаимодействие Fe с соляной кислотой:

Fe + 2НCl = FeCl_2 + Н_2↑

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

Хлорид железа(III) FeCl_3. 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 FeCl_3 (треугольное строение, sр^2-гибридизация, преобладают выше 750 °C) и димеров Fe_2Cl_6 (точнее, Cl_2FeCl_2FeCl_2, строение – два тетраэдра с общим ребром, sр^3-гибридизация, преобладают при 316–750 °C). Кристаллогидрат FeCl_3 6Н_2O имеет строение [Fe(H_2O)4Cl_2]Cl • 2Н_2O. 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 NH_4Cl. 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 NH_4+ – выделение NH_3 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 NH_3 с HCl в газовой фазе или NH_3 Н_2O 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 СаCl_2 и Са(ОН)2. Уравнения важнейших реакций:

Са(ClO)2 = СаCl_2 + O_2 (180 °C)

Са(ClO)2(т) + 4НCl (конц.) = СаCl_2 + 2Cl_2↑ + 2Н_2O (80 °C)

Са(ClO)2 + Н_2O + СO_2 = СаСO_3↓ + 2НClO (на холоду)

Са(ClO)2 + 2Н_2O_2 (разб.) = СаCl_2 + 2Н_2O + 2O_2↑

Получение:

2Са(ОН)2 (суспензия) + 2Cl2(г) = Са(ClO)2 + СаCl_2 + 2Н_2O

Хлорат калия КСlO_3. Соль хлорноватой кислоты НСlO_3, 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:

4КClO_3 = ЗКClO_4 + КCl (400 °C)

2КClO_3 = 2КCl + 3O_2 (150–300 °C, кат. MnO_2)

КClO3(т) + 6НCl (конц.) = КCl + ЗCl_2| + ЗН_2O (50–80 °C)

ЗКClO3(т) + 2H_2SO_4 (конц., гор.) = 2ClO_2| + КClO_4 + Н_2O + 2KHSO_4

(диоксид хлора на свету взрывается: 2ClO2(г) = Cl_2 + 2O_2)

2КClO_3 + Е_2(изб.) = 2КЕO_3 + Cl_2↑ (в разб. HNO_3, Е = Br, I)

Получение КClO_3 в промышленности – электролиз горячего раствора КCl (продукт КClO_3 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 СCl_4 (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:

K_2CO_3 + 2HBr = 2KBr + CO_2↑ + H_2O

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 I_2 за счет комплексообразования.

Качественная реакция на ион I – вытеснение иода из раствора KI недостатком хлора и экстракция иода в органический растворитель, например СCl_4 (в результате водный слой обесцвечивается, органический слой окрашивается в фиолетовый цвет).

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

K_2CO_3 + 2HI = 2KI + СO_2↑ + Н_2O

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]2s^22p^4, характерные степени окисления чаще 0 и – II, реже – I и +II, состояние ОII 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 O_2. Простое вещество. Состоит из неполярных молекул О_2 (дикислород) с σπ-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 N_2. Малорастворим в воде (31 мл/1 л Н_2O при 20 °C), но несколько лучше, чем N_2. 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 О^0 (активность выше, чем у озона O_3), 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 + O_2 (450–500 °C)

2КMnO_4 = К_2MnO_4 + MnO_2 + O_2 (200–240 °C)

2Na_2O_2 = 2Na_2O + O_2 (400–675 °C, вакуум)

2КClO_3 = 2КCl + 3O_2 (150–300 °C, кат. MnO_2)

2KNO_3 = 2KNO_2 + O_2 (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 O_3. 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] (sр^2-гибридизация, валентный угол 117°), содержит ковалентные σπ-связи O=O. Разлагается под действием ультрафиолетового излучения, катализаторов и оксидов азота (разрушение озонового слоя атмосферы Земли). Устойчив в смеси с O_2 (озонированный кислород). Малорастворим в воде (285 мл/1 л Н_2O), но значительно лучше, чем O_2. Сильный окислитель (более сильный, чем O_2, но более слабый, чем атомарный кислород O^0). 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 O_2 в специальном приборе — озонаторе.

Качественная реакция – выделение иода из раствора KI при комнатной температуре (O_2 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 О^0. Третья аллотропная форма кислорода. Более сильный окислитель по сравнению с O_2 и O_3. Образуется при распаде молекул O_2 и O_3 под действием ультрафиолетового излучения. Возникает при термическом разложении кислородсодержащих веществ (см. выше, получение O_2); при отсутствии восстановителей тут же переходит снова в O_2 и O_3, в присутствии восстановителей окисляет их:

KNO_3 = KNO_2 + O^0

О^0 + С (графит) = СO_2

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

Пероксид водорода Н_2O_2. Бинарное соединение. Молекула Н_2O_2 неплоская, имеет строение с σ-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 Н_3РO_4). 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 PbSO_4). В промышленности обычно используют взрывобезопасный 30 %-ный раствор Н_2O_2 (пергидроль), в медицине – 3 %-ный раствор.

Уравнения важнейших реакций:

2Н_2O_2 = 2Н_2O + O_2 (выше 150 °C или на кат. MnO_2)

Н_2O_2 (разб.) + NaOH (разб.) = NaHO_2 + Н_2O

Н_2O_2 (конц.) + 2NaOH(т) = Na_2O_2↓ + 2H_2O (0 °C)

Н_2O_2 (3 %) + 2H+ + 2I- = I_2↓ + 2Н_2O

5Н_2O_2 (30 %) + I2(т) = 2НIO_3 + 4Н_2O

Н_2O_2 (10 %) + SO_32- = SO_32- + H_2O

4Н_2O_2 (30 %) + PbS (черн.) = 4H_2O + PbSO_4 (бел.)↓

3H_2O_2 + 2[Cr(OH)6]3- = 2CrO_42- + 8H_2O + 2OH-

2Н_2O_2 (конц.) + Са(ClO)2 = СаCl_2 + 2Н_2O + 2O_2↑

5H_2O_2 + 6H+ + 2MnO_4- = 2Mn2+ + 5O_2↑ + 8Н_2O

Получение: в лаборатории вначале синтезируют пероксид бария ВаO_2:

2ВаО + O_2 (изб.) = 2ВаO_2 (до 500 °C),

а затем его обрабатывают серной кислотой:

ВаO_2 + H_2SO_4 = BaSO_4↓ + Н_2O_2 (на холоду)

В промышленности (старый метод) – электролиз водного раствора H_2SO_4 или (NH_4)2SO_4 в специальных условиях; при этом кислота или соль не расходуются, а протекает электролиз воды с образованием на аноде Н_2O_2:

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]3s^23p^4, характерные степени окисления 0, -II, +IV и +VI, состояние SVI 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 (α-ромбическая и β-моноклинная,  при 95,5 °C) или аморфная (пластическая). В узлах кристаллической решетки находятся молекулы S_8 (неплоские циклы типа «корона»), аморфная сера состоит из цепей Sn. Низкоплавкое вещество, вязкость жидкости проходит через максимум при 200 °C (разрыв молекул S_8, переплетение цепей Sn). В паре – молекулы S_8, S_6, S_4, S_2. 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 CS_2.

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:

3S^0 + 6КОН (конц.) = 2K_2S-II + K_2SIVO_3 + 3H_2O

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

S + 2НI(г) = I_2 + H_2S,

но в растворе реакция идет в обратную сторону:

I_2 + H_2S(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 H_2S. Бескислородная кислота. Бесцветный газ с удушающим запахом, тяжелее воздуха. Молекула имеет строение дважды незавершенного тетраэдра [::S(H)2]

(sp^3-гибридизация, валетный угол Н – S—Н далек от тетраэдрического). Неустойчив при нагревании выше 400 °C. Малорастворим в воде (2,6 л/1 л Н_2O при 20 °C), насыщенный раствор децимолярный (0,1М, «сероводородная вода»). Очень слабая кислота в растворе, практически не диссоциирует по второй стадии до ионов S2- (максимальная концентрация S2- 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 H_2S 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:

Н_2 + S = H_2S (150–200 °C)

или при нагревании серы с парафином;

в лаборатории – вытеснением из сульфидов сильными кислотами

FeS + 2НCl (конц.) = FeCl_2 + H_2S↑

или полным гидролизом бинарных соединений:

Al_2S_3 + 6Н_2O = 2Al(ОН)3↓ + 3H_2S↑

Сульфид натрия Na_2S. 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 S2- – 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:

Na_2S + 2НCl (разб.) = 2NaCl + H_2S↑

Na_2S + 3H_2SO_4 (конц.) = SO_2↑ + S↓ + 2H_2O + 2NaHSO_4 (до 50 °C)

Na_2S + 4HNO_3 (конц.) = 2NO↑ + S↓ + 2H_2O + 2NaNO_3 (60 °C)

Na_2S + H_2S (насыщ.) = 2NaHS

Na_2S(т) + 2O_2 = Na_2SO_4 (выше 400 °C)

Na_2S + 4H_2O_2 (конц.) = Na_2SO_4 + 4H_2O

S2- + M2+ = MnS (телесн.)↓; FeS (черн.)↓; ZnS (бел.)↓

S2- + 2Ag+ = Ag_2S (черн.)↓

S2- + M2+ = СdS (желт.)↓; PbS, CuS, HgS (черные)↓

3S2- + 2Bi3+ = Bi_2S_3 (кор. – черн.)↓

3S2- + 6H_2O + 2M3+ = 3H_2S↑ + 2M(OH)3↓ (M = Al, Cr)

Получение в промышленности – прокаливание минерала мирабилит Na_2SO_4 10Н_2O в присутствии восстановителей:

Na_2SO_4 + 4Н_2 = Na_2S + 4Н_2O (500 °C, кат. Fe_2O_3)

Na_2SO_4 + 4С (кокс) = Na_2S + 4СО (800—1000 °C)

Na_2SO_4 + 4СО = Na_2S + 4СO_2 (600–700 °C)

Сульфид алюминия Al_2S_3. Бескислородная соль. Белый, связь Al – S преимущественно ковалентная. Плавится без разложения под избыточным давлением N_2, 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:

Al_2S_3 + 6Н_2O = 2Al(ОН)3↓ + 3H_2S↑ (чистый)

Al_2S_3 + 6НCl (разб.) = 2AlCl_3 + 3H_2S↑

Al_2S_3 + 24HNO_3 (конц.) = Al_2(SO_4)3 + 24NO_2↑ + 12H_2O (100 °C)

2Al_2S_3 + 9O_2 (воздух) = 2Al_2O_3 + 6SO_2 (700–800 °C)

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

2Al + 3S = AL_2S_3 (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 Fe_2S_3 не известно (не получено).

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

Fe + S = FeS (600 °C)

Fe_2O_3 + H_2 + 2H_2S = 9FeS + 3H_2O (700-1000 °C)

FeCl_2 + 2NH_4HS (изб.) = FeS ↓ + 2NH_4Cl + H_2S↑

Дисульфид железа FeS_2. 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:

FeS_2 = FeS + S (выше 1170 °C, вакуум)

2FeS_2 + 14H_2SO_4 (конц., гор.) = Fe_2(SO_4)3 + 15SO_2↑ + 14Н_2O

FeS_2 + 18HNO_3 (конц.) = Fe(NO_3)3 + 2H_2SO_4 + 15NO_2↑ + 7H_2O

4FeS_2 + 11O_2 (воздух) = 8SO_2 + 2Fe_2O_3 (800 °C, обжиг)

Гидросульфид аммония NH_4HS. 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 (NH_4)2S не существует в растворе (условия получения средней соли см. в рубрике «H_2S»). Применяется в качестве компонента фотопроявителей, как аналитический реагент (осадитель сульфидов).

Уравнения важнейших реакций:

NH_4HS = NH_3 + H_2S (выше 20 °C)

NH_4HS + НCl (разб.) = NH_4Cl + H_2S↑

NH_4HS + 3HNO_3 (конц.) = S↓ + 2NO_2↑ + NH_4NO_3 + 2H_2O

2NH_4HS (насыщ. H_2S) + 2CuSO_4 = (NH_4)2SO_4 + H_2SO_4 + 2CuS↓

Получение: насыщение концентрированного раствора NH_3 сероводородом:

NH_3 Н_2O (конц.) + H_2S(г) = NH_4HS + Н_2O

В аналитической химии раствор, содержащий равные количества NH_4HS и NH_3 Н_2O, условно считают раствором (NH_4)2S и используют формулу средней соли в записи уравнений реакций, хотя сульфид аммония полностью гидролизуется в воде до NH_4HS и NH_3 • Н_2O.

7.3.3. Диоксид серы. Сульфиты

Диоксид серы SO_2. Кислотный оксид. Бесцветный газ с резким запахом. Молекула имеет строение незавершенного треугольника [: S(O)2] (sр^2-гибридизация), содержит σ,π-связи S=O. Легко сжижается, термически устойчивый. Хорошо растворим в воде (~40 л/1 л Н_2O при 20 °C). Образует полигидрат, обладающий свойствами слабой кислоты, продукты диссоциации – ионы HSO_3- и SO_32-. Ион HSO_3- имеет две таутомерные формы – симметричную (некислотную) со строением тетраэдра [S(H)(O)3] (sр^3-гибридизация), которая преобладает в смеси, и несимметричную (кислотную) со строением незавершенного тетраэдра [: S(O)2(OH)] (sр^3-гибридизация). Ион SO_32- 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 H_2SO_3 (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 (SO_2 – попутный газ при обжиге пирита):

S + O_2 = SO_2 (280–360 °C)

4FeS_2 + 11O_2 = 2Fe_2O_3 + 8SO_2 (800 °C, обжиг)

в лаборатории – вытеснение серной кислотой из сульфитов:

BaSO3(т) + H_2SO_4 (конц.) = BaSO_4↓ + SO_2↑ + Н_2O

Сульфит натрия Na_2SO_3. 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 SO_32- – образование белого осадка сульфита бария, который переводится в раствор сильными кислотами (НCl, HNO_3).

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

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

Na_2CO_3 (конц.) + SO_2 = Na_2SO_3 + CO_2↑

7.3.4. Серная кислота. Сульфаты

Серная кислота H_2SO_4. Оксокислота. Бесцветная жидкость, очень вязкая (маслообразная), весьма гигроскопичная. Молекула имеет искаженно-тетраэдрическое строение [S(O)2(OH)2] (sр^3-гибридизация), содержит ковалентные σ-связи S – ОН и σπ-связи S=O. Ион SO_42- 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 НI), сильный – в концентрированном растворе (за счет SVI). Хорошо растворяет SO_3 и реагирует с ним (образуется тяжелая маслообразная жидкость — олеум, содержит H_2S_2O_7).

Качественная реакция на ион SO_42- – осаждение белого сульфата бария BaSO_4 (осадок не переводится в раствор соляной и азотной кислотами, в отличие от белого осадка BaSO_3).

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 SO_2 из серы, сульфидных руд, сероводорода и сульфатных руд:

S + O_2 (воздух) = SO_2 (280–360 °C)

4FeS_2 + 11O_2 (воздух) = 8SO_2 + 2Fe_2O_3 (800 °C, обжиг)

2H_2S + 3O_2 (изб.) = 2SO_2 + 2Н_2O (250–300 °C)

CaSO_4 + С (кокс) = СаО + SO_2 + СО (1300–1500 °C)

б) конверсия SO_2 в SO_3 в контактном аппарате:

в) синтез концентрированной и безводной серной кислоты:

Н_2O (разб. H_2SO_4) + SO_3 = H_2SO_4 (конц., безводн.)

(поглощение SO_3 чистой водой с получением H_2SO_4 не проводится из-за сильного разогревания смеси и обратного разложения H_2SO_4, см. выше);

г) синтез олеума – смеси безводной H_2SO_4, дисерной кислоты H_2S_2O_7 и избыточного SO_3. Растворенный SO_3 гарантирует безводность олеума (при попадании воды тут же образуется H_2SO_4), что позволяет безопасно перевозить его в стальных цистернах.

Сульфат натрия Na_2SO_4. 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 H_2SO_4 (конц.), SO_3. 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 KHSO_4. 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:

2KHSO_4 = K_2SO_4 + H_2SO_4 (до 240 °C)

2KHSO_4 = K_2S_2O_7 + Н_2O (320–340 °C)

KHSO_4 (разб.) + КОН (конц.) = K_2SO_4 + Н_2O KHSO_4 + КCl = K_2SO_4 + НCl (450–700 °C)

6KHSO_4 + М_2O_3 = 2KM(SO_4)2 + 2K_2SO_4 + 3H_2O (350–500 °C, M = Al, Cr)

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

K_2SO_4 + H_2SO_4 (конц.) = 2KHSO_4

Сульфат кальция CaSO_4. Оксосоль. Белый, весьма гигроскопичный, тугоплавкий, при прокаливании разлагается. Природный CaSO_4 встречается в виде очень распространенного минерала гипс CaSO_4 2Н_2O. При 130 °C гипс теряет часть воды и переходит в жжёный (штукатурный) гипс 2CaSO_4 • Н_2O (техническое название алебастр). Полностью обезвоженный (200 °C) гипс отвечает минералу ангидрит CaSO_4. Малорастворим в воде (0,206 г/100 г Н_2O при 20 °C), растворимость уменьшается при нагревании. Реагирует с H_2SO_4 (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 SO_2, H_2SO_4 и (NH_4)2SO_4, 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(SO_4)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(SO_4)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(Н_2O)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 CrO_42-.

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) MnSO_4. Оксосоль. Белый, при прокаливании плавится и разлагается. Кристаллогидрат MnSO_4 5Н_2O – красно-розовый, техническое название марганцевый купорос. Хорошо растворим в воде, светло-розовая (почти бесцветная) окраска раствора отвечает аквакомплексу [Mn(Н_2O)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 MnO_4 и исчезновение фиолетовой окраски последнего, окисление Mn2+ до MnO_4 и появление фиолетовой окраски.

Применяется для получения Mn, MnO_2 и других соединений марганца, как микроудобрение и аналитический реагент.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

2MnO_2 + 2H_2SO_4 (конц.) = 2MnSO_4 + O_2↑ + 2H_2O (100 °C)

Сульфат железа (II) FeSO_4. 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(NH_4)2(SO_4)2 6Н_2O (соль Мора), более устойчивой к действию воздуха.

Уравнения важнейших реакций:

Получение:

Fe + H_2SO_4 (разб.) = FeSO_4 + H_2↑

FeCO_3 + H_2SO_4 (разб.) = FeSO_4 + CO_2↑ + H_2O

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]2s^22p^3, характерные степени окисления 0, -III, +III и +V, реже +II, +IV и др.; состояние Nv 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 NH_4+ и его соли.

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

Азот N_2. Простое вещество. Состоит из неполярных молекул с очень устойчивой σππ-связью N ≡ N, этим объясняется химическая инертность азота при обычных условиях. Бесцветный газ без вкуса и запаха, конденсируется в бесцветную жидкость (в отличие от O_2).

Главная составная часть воздуха: 78,09 % по объему, 75,52 % по массе. Из жидкого воздуха азот выкипает раньше кислорода O_2. Малорастворим в воде (15,4 мл/1 л Н_2O при 20 °C), растворимость азота меньше, чем у кислорода.

При комнатной температуре N_2 реагирует только с литием (во влажной атмосфере), образуя нитрид лития Li_3N, нитриды других элементов синтезируют при сильном нагревании:

N_2 + 3Mg = Mg_3N_2 (800 °C)

В электрическом разряде N_2 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/F_2O_3/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 N_2 и Н_2 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) + O_2 = 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-IIIH_4NIIIO2(т) = N_2^0 + 2H_2O (60–70 °C)

NH_4Cl(p) + KNO2(p) = N_2^0↑ + KCl + 2H_2O (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 NH_3. Бинарное соединение, степень окисления азота равна – III. Бесцветный газ с резким характерным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: N(H)3)] (sр^3-гибридизация). Наличие у азота в молекуле NH_3 донорной пары электронов на sр^3-гибридной орбитали обусловливает характерную реакцию присоединения катиона водорода, при этом образуется катион аммония NH_4+. 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 Н_2O 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 НI) свойства. Осушается только оксидом кальция.

Качественные реакции – образование белого «дыма» при контакте с газообразным НCl, почернение бумажки, смоченной раствором Hg_2(NO_3)2.

Промежуточный продукт при синтезе HNO_3 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 NH_3 Н_2O. Межмолекулярное соединение. Белый, в кристаллической решетке – молекулы NH_3 и Н_2O, связанные слабой водородной связью H_3N… НОН. Присутствует в водном растворе аммиака, слабое основание (продукты диссоциации – катион NH_4- и анион ОН-). Катион аммония имеет правильно-тетраэдрическое строение (sp^3-гибридизация). Термически неустойчив, полностью разлагается при кипячении раствора. Нейтрализуется сильными кислотами. Проявляет восстановительные свойства (за счет NIII) 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 NH_3 Н_2O и лишь 0,4 % ионов NH_4+ и ОН- (за счет диссоциации гидрата); таким образом, ионный «гидроксид аммония NH_4OH» практически не содержится в растворе, нет такого соединения и в твердом гидрате. Уравнения важнейших реакций:

NH_3 Н_2O (конц.) = NH_3↑ + Н_2O (кипячение с NaOH)

NH_3 Н_2O + НCl (разб.) = NH_4Cl + Н_2O

3(NH_3 Н_2O) (конц.) + CrCl_3 = Cr(OH)3↓ + 3NH_4Cl

8(NH_3 Н_2O) (конц.) + ЗBr2(р) = N_2↑ + 6NH_4Br + 8Н_2O (40–50 °C)

2(NH_3 Н_2O) (конц.) + 2КMnO_4 = N_2↑ + 2MnO_2↓ + 4Н_2O + 2КОН

4(NH_3 Н_2O) (конц.) + Ag_2O = 2[Ag(NH_3)2]OH + 3H_2O

4(NH_3 Н_2O) (конц.) + Cu(OH)2 + [Cu(NH_3)4](OH)2 + 4Н_2O

6(NH_3 Н_2O) (конц.) + NiCl_2 = [Ni(NH_3)6]Cl_2 + 6Н_2O

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 σπ-связь ( N=O), в твердом состоянии димер N_2O_2 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 NO_2 («нитрозные газы»). Промежуточный продукт в синтезе азотной кислоты.

Уравнения важнейших реакций:

2NO + O_2 (изб.) = 2NO_2 (20 °C)

2NO + С (графит) = N_2 + СO_2 (400–500 °C)

lONO + 4Р (красн.) = 5N_2 + 2Р_2O_5 (150–200 °C)

2NO + 4Cu = N_2 + 2Cu_2O (500–600 °C)

Реакции смеси NO и NO_2:

NO + NO_2 + Н_2O = 2HNO2(p)

NO + NO_2 + 2KOH (разб.) = 2KNO_2 + H_2O

NO + NO_2 + Na_2CO_3 = 2NaNO_2 + CO_2 (450–500 °C)

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

8HNO_3 (хол.) + 6Hg = 3Hg_2(NO_3)2 + 2NO↑ + 4Н_2O

или восстановление нитритов:

2NaNO_2 + 2H_2SO_4 (разб.) + 2NaI = 2NO↑ + I_2↓ + 2H_2O + 2Na_2SO_4

Диоксид азота NO_2. Кислотный оксид, условно отвечает двум кислотам – HNO_2 и HNO_3 (кислота для NIV не существует). Бурый газ, при комнатной температуре мономер NO_2, на холоду жидкий бесцветный димер N_2O_4 (тетраоксид диазота). Молекула NO_2 – радикал со строением незавершенного треугольника [-N(O)2] (sр^2-гибридизация) с ковалентными σ, π-связями N=O. Молекула N_2O_4 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:

6HNO_3 (конц., гор.) + S = H_2SO_4 + 6NO_2↑ + 2Н_2O

5HNO_3 (конц., гор.) + Р (красн.) = Н_3РO_4 + 5NO_2↑ + Н_2O

2HNO_3 (конц., гор.) + SO_2 = H_2SO_4 + 2NO_2↑

Оксид диазота N_2O. Бесцветный газ с приятным запахом («веселящий газ»), N=N=O, формальная степень окисления азота +I, плохо растворим в воде. Поддерживает горение графита и магния:

2N_2O + С = СO_2 + 2N_2 (450 °C)

N_2O + Mg = N_2 + MgO (500 °C)

Получают термическим разложением нитрата аммония:

NH_4NO_3 = N_2O + 2Н_2O (195–245 °C)

Применяется в медицине как анестезирующее средство.

Триоксид диазота N_2O_3. При низких температурах – синяя жидкость, ON=NO_2, формальная степень окисления азота +III. При 20 °C на 90 % разлагается на смесь бесцветного NO и бурого NO_2 («нитрозные газы», промышленный дым – «лисий хвост»). N_2O_3 – кислотный оксид, на холоду с водой образует HNO_2, при нагревании реагирует иначе:

3N_2O_3 + Н_2O = 2HNO_3 + 4NO↑

Со щелочами дает соли HNO_2, например NaNO_2.

Получают взаимодействием NO с O_2 (4NO + 3O_2 = 2N_2O_3) или с NO_2 (NO + NO_2 = N_2O_3) при сильном охлаждении. «Нитрозные газы» ядовиты и экологически опасны, действуют как катализаторы разрушения озонового слоя атмосферы.

Пентаоксид диазота N_2O_5. Бесцветное твердое вещество, O_2N – О—NO_2, степень окисления азота +V. При комнатной температуре за 10 ч разлагается на NO_2 и O_2. Реагирует с водой и щелочами как кислотный оксид:

N_2O_5 + Н_2O = 2HNO_3

N_2O_5 + 2NaOH = 2NaNO_3 + H_2O

Получают дегидратацией дымящей азотной кислоты:

2HNO_3 + Р_2O_5 = N_2O_5 + 2НРO_3

или окислением NO_2 озоном при -78 °C:

2NO_2 + O_3 = N_2O_5 + O_2

Азотная кислота HNO_3. Оксокислота. Бесцветная жидкость. Молекула имеет искаженно-треугольное строение [N(O)2(OH)] (sp^2– гибридизация), содержит ковалентные σπ-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 HNO_3 Н_2O (точнее, H_3NO_4 – ортоазотная кислота).

Сильная кислота в растворе, ион NO_3- имеет строение правильного треугольника (sр^2-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 Nv). Образует смесь продуктов восстановления азота – от NIVO_2 до N-IIIН_4+, в зависимости от концентрации кислоты и силы восстановителя в этой смеси преобладают разные продукты (условно для концентрированной кислоты указывают NO_2, для разбавленной – NO, для очень разбавленной – NH_4+).

Концентрированная кислота пассивирует Al, Be, Bi, Со, Cr, Fe, Ni и Pb, не реагирует с Au и Pt. Смесь HNO_3 (конц.) и НCl (конц.) – «царская водка» – обладает еще более сильным окислительным действием: переводит в раствор золото и платину. Нитрующим началом HNO_3 в ее реакциях с органическими веществами является ион NO_2+ (нитроил).

В отличие от самой кислоты HNO_3 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:

N_2 + Н_2 → NH_3 → NO → NO_2 → HNO_3 → HNO_3,

а именно: производство аммиака (см.), каталитическое окисление аммиака (см.) до NO, перевод NO (см.) в NO_2, поглощение смеси NO_2 и O_2 водой (см.).

7.4.3. Нитриты. Нитраты

Нитрит калия KNO_2. 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 NO_2- – обесцвечивание фиолетового раствора MnO_4 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:

KNO_3 + Pb = KNO_2 + PbO (350–400 °C)

KNO_3 (конц.) + Pb (губка) + Н_2O = KNO_2 + Pb(OH)2↓

2KNO_3 + СаО + SO_2 = 2KNO_2 + CaSO_4 (300 °C)

Нитрат калия KNO_3. 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 KNO_2, в щелочной среде до NH_3).

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

Уравнения важнейших реакций:

Получение: в промышленности

4KOH (гор.) + 4NO_2 + O_2 = 4KNO_3 + 2Н_2O

и в лаборатории:

КCl + AgNO_3 = KNO_3 + AgCl↓

7.4.4. Фосфор

Фосфор – элемент 3-го периода и VA-группы Периодической системы, порядковый номер 15. Электронная формула атома [10Ne]3s^23p^3, 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 Р_4 и красный фосфор Рn. В уравнениях реакций аллотропные формы представляют как Р (красн.) и Р (бел.).

Красный фосфор состоит из полимерных молекул Рn 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 Р_4. Мягкий как воск (режется ножом). Плавится и кипит без разложения (tпл 44,14 °C, tкип 287,3 °C, ρ 1,82 г/см^3). 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 Н_3РO_4 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):

Са_3(РO_4)2 + 5С + 3SiO_2 = 3CaSiO_3 + 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 (Рn) может быть различной.

Фосфин РН_3. Бинарное соединение, степень окисления фосфора равна – III. Бесцветный газ с неприятным запахом. Молекула имеет строение незавершенного тетраэдра [: Р(Н)3] (sр^3-гибридизация). Мало растворим в воде, не реагирует с ней (в отличие от NH_3). Сильный восстановитель, сгорает на воздухе, окисляется в HNO_3 (конц.). Присоединяет HI. Применяется для синтеза фосфорорганических соединений. Сильно ядовит.

Уравнения важнейших реакций:

Получение в лаборатории:

Са_3Р_2 + 6НCl (разб.) = ЗСаCl_2 + 2РН_3↑

Оксид фосфора (V) Р_2O_5. Кислотный оксид. Белый, термически устойчивый. В твердом и газообразном состояниях димер Р_4О_10 со строением из четырех тетраэдров [O=Р(O)3], связанных по трем вершинам (Р – О—Р). При очень высоких температурах мономеризуется до Р_2O_5. Существует также стеклообразный полимер (Р_2O_5)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 Н_3РO_4. Оксокислота. Белое вещество, гигроскопичное, конечный продукт взаимодействия Р_2O_5 с водой. Молекула имеет строение искаженного тетраэдра [Р(O)(OН)3] (sр^3-гибридизация), содержит ковалентные σ-связи Р – ОН и σ, π-связь Р=O. Плавится без разложения, при дальнейшем нагревании разлагается. Хорошо растворяется в воде (548 г/100 г Н_2O). 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:

Са_3(РO_4)2 + 3H_2SO_4 (конц.) = 2Н_3РO_4 + 3CaSO_4↓

Ортофосфат натрия Na_3PO_4. 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 РO_43- – 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:

Na_3PO_4 12Н_2O = Na_3PO_4 + 12Н_2O (200 °C, вакуум)

2РО_43- (конц.) + 8Н_2O + 2Al = 2[Al(ОН)4]- + 2НРО_42- + ЗН_2↑

2РО_43- (конц.) + 4Н_2O + Zn = [Zn(OH)4]2- + 2HPO_42- + Н_2↑

2РО_43- (разб.) + ЗСа2+ = Са_3(РO_4)2↓

РО_43- (разб.) + 3Ag+ = Ag_3PO_4↓ (желт.)↓

Получение: полная нейтрализация Н_3РO_4 (см.) гидроксидом натрия или по реакции:

2Н_3РO_4 + 3Na_2CO_3 = 2Na_3PO_4 + 3CO_2↑ + 3H_2O

Гидроортофосфат натрия Na_2HPO_4. Кислая оксосоль. Белый, при умеренном нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в воде, гидролизуется по аниону. Реагирует с Н_3РO_4 (конц.), нейтрализуется щелочами. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион НРО_42- – образование желтого осадка ортофосфата серебра (I).

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

Уравнения важнейших реакций:

Получение: неполная нейтрализация Н_3РO_4 гидроксидом натрия в разбавленном растворе:

2NaOH + Н_3РO_4 = Na_2HPO_4 + 2Н_2O

Дигидроортофосфат натрия NaH_2PO_4. Кислая оксосоль. Белый, гигроскопичный. При умеренном нагревании разлагается без плавления. Хорошо растворим в воде, анион Н_2РO_4 подвергается обратимой диссоциации. Нейтрализуется щелочами. Вступает в реакции ионного обмена.

Качественная реакция на ион Н_2РO_4 – 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 Н_3РO_4 едким натром:

Н_3РO_4 (конц.) + NaOH (разб.) = NaH_2PO_4 + Н_2O

Ортофосфат кальция Са_3(РO_4)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:

Са_3(РO_4)2 + 2H_2SO_4 (60 %) = Са(Н_2РO_4)2↓ + 2CaSO_4↓ (до 50 °C)

Са_3(РO_4)2 + 4Н_3РO_4 (40 %) = ЗСа(Н_2РO_4)2↓ (примесь СаНРO_4)

Са_3(РO_4)2 + 5С + 3SiO_2 = 3CaSiO_3 + 2Р + 5СО (1000 °C)

Смесь Са(Н_2РO_4)2 и CaSO_4 называется простым суперфосфатом, Са(Н_2РO_4)2 с примесью СаНРO_4 — двойным суперфосфатом, они легко усваиваются растениями при подкормке.

Наиболее ценные удобрения — аммофосы (содержат азот и фосфор), представляют собой смесь аммонийных кислых солей NH_4H_2PO_4 и (NH_4)2HPO_4.

Хлорид фосфора (V) РCl_5. Бинарное соединение. Белый, летучий, термически неустойчивый. Молекула имеет строение тригональной бипирамиды (sр^3d-гибридизация). В твердом состоянии димер Р_2Cl_10 с ионным строением РCl_4+[РCl_6]-. «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]2s^22p^2, характерные степени окисления 0, -IV, +II и +IV, состояние CIV 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 (вр^2-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 (СаС_2, Al_4С_3), ковалентных (карборунд SiC), металлоподобных (имеющих нестехиометрический состав, например цементит Fe_3C). 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 (sр^3-гибридизация, р 3,52 г/см^3). 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 (С_2)n со строением —C≡C– или =C=C= (sр-гибридизация, ρ 3,27 г/см^3). 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 C_60 или C_70 (полые сферы; sр^2-гибридизация, ρ 1,7 г/см^3, температура плавления 500–600 °C для С_60), термически устойчив до 900– 1000 °C.

Темноокрашенный порошок, растворим в гексане (темно-красный раствор для С_60 темно-оранжевый для С_70), 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 σππ-связь [:C≡O;], изоэлектронна молекуле N_2. 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 I_2O_5.

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 СO_2. 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 σπ-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 СO_2 возгоняется уже при низких температурах. Мало растворим в воде (O,88 л/1 л Н_2O 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 СO_2.

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:

СаСO_3 = СаО + СO_2 (900—1200 °C)

в лаборатории – при обработке карбонатов (например, кусочков мрамора СаСO_3) сильными кислотами:

СаСO3(т) + H_2SO_4 = CaSO_4↓ + Н_2O + CO_2↑

7.5.3. Карбонаты

Карбонат натрия Na_2CO_3. 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 СО_32- – образование белого осадка карбоната бария, разлагаемого сильными кислотами (НCl, HNO_3) 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 NH_3 и СO_2:

NaCl + NH_3 + Н_2O + СO_2 = NH_4Cl + NaHCO_3↓

(в этих условиях питьевая сода малорастворима);

б) осадок NaHCO_3 подвергают обезвоживанию (кальцинированию):

2NaHCO_3 = Na_2CO_3 + Н_2O + СO_2

Карбонат калия К_2СO_3. 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(SO_4)Cl ЗН_2O и шёнит K_2Mg(SO_4)2 • 6Н_2O] с гашёной известью Са(ОН)2 в атмосфере СО (давление = 15 атм):

K_2SO_4 + Са(ОН)2 + 2СО = 2K(HCOO) + CaSO_4

б) прокаливание формиата калия К(НСОО) на воздухе:

2K(HCOO) + O_2 = К_2СO_3 + Н_2O + СO_2

Гидрокарбонат натрия NaHCO_3. 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, HNO_3) с выделением углекислого газа. Применяется в пищевой промышленности, как лекарственное средство.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: насыщение раствора Na_2CO_3 (см.) углекислым газом.

Карбонат кальция СаСO_3. Оксосоль. Распространенное природное вещество, главная составная часть осадочной горной породы – известняка (его разновидности – мел, мрамор, известковый туф, мергель), чистый СаСO_3 в природе – это минерал кальцит. Белый, при прокаливании разлагается, плавится под избыточным давлением СO_2. Нерастворим в воде (= 0,0007 г/100 г Н_2O).

Реагирует с кислотами, солями аммония в горячем растворе, коксом. Переводится в раствор действием избытка углекислого газа с образованием гидрокарбоната Са(НСO_3)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, СO_2, цемента, стекла и минеральных удобрений [в том числе известковой селитры Ca(NO_3)2 4Н_2O], 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]3s^23p^2. 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 [SiO_4], 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 SiCl_4 или SiO_2 при прокаливании:

SiCl_4 + 2Zn = Si + 2ZnCl_2

SiO_2 + 2Mg = Si + 2MgO

(последняя реакция может быть осуществлена и в лаборатории, после обработки соляной кислотой остается аморфный кремний).

Диоксид кремния SiO_2. 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 SiO_2 nН_2O), 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 SiO_2 nH_2O. Кремниевые кислоты с переменным содержанием SiO_2 и Н_2O. 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 H_4SiO_4 (тетраэдрическое строение, sр^3-гибридизация), растворимость 0,00673 г/100 г Н_2O при 20 °C. При стоянии раствора идет поликонденсация и медленно образуются вначале кремниевые кислоты H_6Si_2O_7, H_2Si_2O_5, H_10Si_2O_9, затем гидрозоль [H_2SiO_3]n (золь метакремниевой кислоты) и, наконец, гидрогель SiO_2 • nН_2O (n < 2). При высушивании гидрогель переходит в силикагель SiO_2 • nН_2O (n < 1). Скорость гелеобразования максимальна в слабокислотной среде.

Переводится в раствор действием концентрированных щелочей. По остальным химическим свойствам подобен SiO_2. В природе – минералы опал и халцедон (агат, яшма). Мономерная метакремниевая кислота H_2SiO_3 не получена.

Уравнения важнейших реакций:

Получение: вытеснение сильной кислотой из раствора силиката, например:

K_2SiO_3 + 2НCl + (n – 1) Н_2O = 2КCl + SiO_2 nН_2O↓

Метасиликат натрия Na_2SiO_3. Оксосоль. Белый, при нагревании плавится без разложения. Растворяется в холодной воде (сильный гидролиз по аниону). Концентрированный раствор – коллоидный («жидкое стекло», содержит гидрозоль SiO_2 nН_2O). 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

Na_2SiO_3 + SiO_2 = СO_2 + Na_2SiO_3 (1150 °C)

Силикаты. Кремний в степени окисления +IV находится, помимо SiO_2, в весьма многочисленных и часто очень сложных по составу и строению силикат-ионах (так, кроме жетасиликат-иона SiO_32- и ортосиликат-иона SiO_44- известны ионы Si_2O_76-, Si_3O_96-, Si_2O_104- и др.). Для простоты записи все силикаты изображают как содержащие ион SiO_32-.

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 SiO_2, известняка СаСO_3 и соды Na_2CO_3:

Часто состав стекла выражают через оксиды, например, обычное стекло Na_2O СаО • 6SiO_2.

Среди силикатных минералов отметим глины (алюмосиликаты), очень чистая глина — каолин Al_2O_3 2SiO_2 • 2Н_2O используется для изготовления фарфора.

Силикаты и алюмосиликаты применяют в промышленности при производстве керамики, цемента, бетона и других строительных материалов.

Тетрахлорид кремния SiCl_4. Бинарное соединение. Бесцветная жидкость, обладает широким интервалом жидкого состояния. Молекула имеет тетраэдрическое строение (sр^3-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 SiO_2.

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, O_2

2) КCl, КClO

3) КCl, Н_2

4) КClO_3, КCl

3. Возможно протекание реакции в растворе между веществами

1) КBr + I_2 →…

2) КBr + Cl_2 →…

3) КCl + I_2 →…

4) КCl + Br_2 →…

4. Окислительная способность в ряду O_2 – O_3 – О^0

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) KHSO_4, K_2SO_4

2) Fe, Cu(NO_3)2

3) Ag, SO_2

4) КНСO_3, С (графит)

7. Азот образуется при прокаливании солей

1) NH_4NO_2

2) NH_4HCO_3

3) NH_4NO_3

4) (NH_4)2Cr_2O_7

8. В уравнении реакции NH_3 + O_2 → NO +… коэффициент у формулы окислителя равен

1) 6

2) 5

3) 4

4) 3

9. Нельзя проводить осушку газа NH_3 с помощью

1) СаО (тв.)

2) NaOH (тв.)

3) H_2SO_4 (конц.)

4) Р_2O_5 (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(NO_3)2

2) Pb(NO_3)2

3) AgNO_3

4) KNO_3

12. Ортофосфорную кислоту в промышленности получают по реакции

1) Са_3(РO_4)2 + H_2SO_4 (конц.) →…

2) К_3РO_4 + H_2SO_4 (разб.) →…

3) Р_2O_5 + Н_2O →…

4) Na_3PO_4 + СаCl_2 →…

13. Углекислый газ, растворенный в воде, реагирует (по отдельности) с веществами набора

1) К_2СO_3, К_3РO_4

2) KNO_2, NH_4Cl

3) K_2SiO_3, К_2СO_3

4) K_2SO_4, КОН

14. Реагенты для получения чистого гидрокарбоната калия – это набор

1) KNO_3, Н_2O, СO_2

2) K_2SO_4, Ва(НСO_3)2

3) К_2СO_3, Н_2O

4) КОН, СаСO_3

15. Цинк из концентрированного раствора карбоната калия вытесняет

1) водород

2) угарный газ

3) метан

4) углекислый газ

16. Влажную смесь газов SO_2 + O_2 + NH_3 + С_2Н_2 пропустили через склянку с H_2SO_4 (конц.), затем – через склянку с гранулами NaOH. При этом на выходе собрали набор газов

1) NH_3, С_2Н_2

2) SO_2, O_2

3) SO_2, NH_3

4) O_2, С_2Н_2

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 Na_2CO_3 и Na_2SiO_3 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 С_2Н_5ОН:

развернутая структурная формула

сокращенная структурная формула

СН_3—СН_2—ОН

Часто одинарные связи вообще не указывают: СН_3СН_2ОН

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 (δ+) и отрицательный (-δ):

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 π-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 – СН_3.

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 СН_2 (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. C_2H_5NH_2

13. c_2h_5no_2

14. NH_2CH_2C00H

15. (C_2H_5)3N относится к классу

1) аминокислот

2) аминов

3) нитросоединений

4) белков

16—19. Органическое соединение с формулой

16. СН_3—О – С_2Н_5

17. С_2Н_5—С(Н)O

18. СН_3—С(О) – О – С_2Н_5

19. С_6Н_5—СН_2ОН 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. С_6Н_6, HNO_3

24. C_2H_4, НCl

25. C_2H_2, КMnO_4

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 СnН2n+2. Радикал, получающийся при отрыве одного атома водорода от молекулы предельного углеводорода, называется алкилож, общая формула алкилов СnН2n+1.

Формулы и названия первых шести алканов (С_1—С_6) и отвечающих им радикалов:

Для радикала С_5Н_11 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 (—СН_3) 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 С_4Н_10 и С_5Н_12 с формулами:

Такие же названия используются для разветвленных радикалов:

При обычных условиях первые алканы – метан, этан, пропан и бутан (С_1—С_4) – представляют собой газы без цвета и запаха, малорастворимые в воде. Последующие гомологи (С_5—C_15) – жидкости (при 20 °C), высшие гомологи (C_16 и выше) – твердые вещества.

В алканах атомные орбитали углерода имеют sр^3-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 (NO_2), 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: СН_3Cl – хлорметан, СН_2Cl_2 – дихлорметан, СНCl_3 – трихлорметан (хлороформ), СCl_4 – 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 СnH2n (п  3), формула совпадает с таковой для алкенов. Важнейшие циклоалканы:

При комнатной температуре С_5Н_10 и С_6Н_12 – 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 С_2Н_4, общая формула гомологического ряда этиленовых углеводородов СnН2n (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: С_2Н_4 – этилен, С_3Н_6 – пропилен, С_4Н_8 – бутилен; использование названия амилен для алкена С_5Н_10 не рекомендуется.

Положение двойной связи С=С в изомерах строения (начиная с алкена С_4) указывается цифрой после названия:

Радикал этилена – этенил СН_2=СН – обычно называют винил, пропена – пропенил СН_2=СН – СН_2 – именуют аллил.

Другой вид изомерии в непредельных углеводородах, помимо структурной изомерии, осуществляется потому, что атомы углерода, образующие двойную связь, находятся в sр^2-гибридном состоянии; σ-составляющая двойной связи С=С и σ-связи С – Н лежат в одной плоскости под углом 120° друг к другу, а π-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 С_2—С_4 при комнатной температуре – бесцветные газы со слабым запахом нефти, малорастворимые в воде; алкены С_5—C_18 – жидкости, алкены C_19 и выше – твердые вещества.

Важнейшие химические свойства алкенов определяются тем, что в силу меньшей прочности π-связи (по сравнению с σ-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 СCl_4 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 СН_3СН(I)СН_3.

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. H_2SO_4 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 КMnO_4 (уравнения реакций см. выше).

Алкадиены – непредельные углеводороды, в молекулах которых содержатся две связи С=С. Общая формула алкадиенов СnН2n-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/Al_2O_3):

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 С_2Н_2, общая формула алкинов CnH2n-2 (при n ≥ 2).

Названия простейших алкинов:

С_2Н_2 – этин (традиционно: ацетилен)

С_3Н_4 – пропин (метилацетилен)

С_4Н_6 – 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 π-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 КMnO_4, 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 РН_3).

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 С_6Н_6. Общая формула углеводородов гомологического ряда бензола СnН2n-6 (при n ≥ 6).

В молекуле бензола все атомы углерода находятся в sр^2-гибридизации, каждый атом углерода соединен в одной плоскости σ-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 π-связи, причем в молекуле образуются не три отдельные π-связи (как думали раньше, см. формулу Кекуле, 1865 г.), а единая шестицентровая (С_6) π-связь (все атомы равноценны):

Формула Кекуле часто применяется в тех случаях, когда необходимо более наглядно представить протекание реакции с участием бензольного кольца С_6; его изображение:

В обеих формулах атомы С кольца и не участвующие в реакции атомы Н опускаются (для краткости). Некоторые простейшие гомологи бензола:

Радикал бензола С_6Н_5 называется фенил, радикал толуола С_6Н_5СН_2 — 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, СН_3, СnН2n+1, ОН и NH_2. 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 – NO_2, 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 C_6H_5—CH=CH_2, 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) СnН2n-6

2) СnН2n-6

3) СnН2n+2

4) СnН2n-2

7. Длина связи углерод – углерод наибольшая в молекуле

1) С_2Н_2

2) С_2Н_4

3) С_6Н_6

4) С_2Н_6

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) [ – С_6Н_4—СН(СН_3) – ]n

2) [ – CH_2—С_6Н_3(СН_3) – ]n

3) [ – CH_2—СН(С_6Н_5) – ]n

4) [ – СН_2—С_6Н_4—СН_2—]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-С_6Н_10Cl_2

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 AgNO_3

4) раствором КMnO_4

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) (СН_2)n(—СН=СН—)n

3) (—СН_2—СН_2—)n

4) (СН_2=СН_2)n

28. Для промышленного синтеза бутадиенового каучука используют мономер

1) CH_2=CHCH=CH_2

2) CH2=CH—C≡CH

3) CH_3CH=C=CH_2

4) CH_2=C(CH_3)C≡CH

29. Мономер пластмассы тефлон (политетрафторэтилен) синтезируют по реакции

1) замещения СCl_2 + F_2 →…

2) пиролиза CHClF_2

3) окисления CCl_2F_2

4) фторирования С_2Н_6

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 Cl_2Н_25ОН), растворимые в воде. Простейший спирт — метанол СН_3ОН 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 H_2SO_4, происходит межмолекулярная дегидратация:

Продукт реакции — диэтиловый эфир (С_2Н_5)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 (H_2SO_4, Al_2O_3), причем присоединение воды к несимметричным алкенам происходит по правилу Марковникова:

(способ получения вторичного спирта), или присоединение к алкенам СО и Н_2 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 С_2Н_5ОН 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 С_2Н_5—О – С_2Н_5. Бесцветная, легкоподвижная жидкость с характерным («эфирным») запахом, в лабораторной практике его называют просто эфиром. Почти не смешивается с водой, tкип = 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 С_6Н_5—ОН. Белые (розовеющие на свету) кристаллы с сильным запахом, tпл = 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, tкип = 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) Cu_2O.

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), СН_3СООН (уксусная), С_6Н_5СООН (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- = Н_2O), 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 С_6Н_12O_6.

Глюкозу можно отличить от фруктозы так же, как любой альдегид от кетона, – по реакции «серебряного зеркала» в аммиачном растворе Ag_2O:

Этерификация глюкозы и фруктозы (например, уксусной кислотой) приводит к образованию сложных эфиров по всем пяти группам ОН (заменяются на ОСОСН_3).

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 (α и β) – 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 C_1 (рядом с кислородом в цикле):

Дисахариды образуются из двух молекул моносахаридов путем межмолекулярной дегидратации. Так, сахароза (обычный сахар) C_12Н_22О_11 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 α– и β-форм глюкозы, их общая формула (С_6Н_10О_5)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: H_2SO_4 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 CH_3COOCH_2CH_3 – 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 С_4Н_8O_2 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) С_6Н_12O_6

2) (С_6Н_10О_5)n

3) Cl_2Н_22Оn

4) (СН_2O)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 H_2SO_4 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-С_2Н_4Cl_2

4) гидратация этина

27. Способы получения муравьиной кислоты – это

1) окисление метана

2) окисление фенола

3) окисление метанола

4) реакция СН_3ОН с СО

28. Для синтеза уксусной кислоты используют соединения

1) С_2Н_5ОН

2) С_4Н_10

3) C_2H_5NO_2

4) СН_3ОН

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) H_2SO_4 (конц.)

4) Ag_2O (в р-ре NH_3)

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 СO_2 + Н_2O → фотосинтез А → брожение – СO_2 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. H_2SO_4) →…

5) метаналь + Ag_2O (в р-ре NH_3) →…

6) этиленгликоль + NaOH (р-р) →…

36. Для промышленного синтеза фенолформальдегидной смолы следует взять набор реагентов

1) С_6Н_6, НС(Н)O

2) С_6Н_6, СН_3С(Н)O

3) С_6Н_5ОН, НС(Н)O

4) С_6Н_5ОН, СН_3С(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 NO_2, аминогруппы NH_2 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 – NH_2, 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 C_2H_5NH_2, вторичный амин — дижетиламин (CH_3)2NH, третичный амин – триэтиламин (C_2H_5)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 π-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 = FeCl_2 + 2Н^0, либо при пропускании водорода Н_2 над никелевым катализатором Н_2 = 2Н^0) 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 NH_2; 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 10^5 остатков аминокислот, что отвечает относительной молекулярной массе 1 • 10^4 – 1 • 10^7.

Образование макромолекул протеинов (биополимеров), т. е. связывание молекул аминокислот в длинные цепи, происходит при участии группы СООН одной молекулы и группы NH_2 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 – NO_2

2) – NO_2

3) – NH_2

4) – NO_3-

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 C_3H_9N равно

1) 1

2) 2

3) 3

4) 4

5. В водном растворе аминокислоты CH_3CH(NH_2)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 СН_3—СН_2—СН_2—NO_2 и NH_2—СН(СН_3) – СООН следует использовать реактив

1) пероксид водорода

2) бромная вода

3) раствор NaHCO_3

4) раствор FeCl_3

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);

Δcреаг = (с'реаг – с"реаг) ― уменьшение концентрации реагентов, моль/л, за промежуток времени Δτ = τ_2 – τ_1;

Δcпрод = (с"прод – с'прод) – увеличение концентрации продуктов, моль/л, за тот же промежуток времени.

В начальный момент времени (τ = 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 СН_3СООН; иначе говоря, из-за того, что НCl – сильный электролит, а СН_3СООН – 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 (ΔТ = 10 К или Δt = 10 °C) скорость реакции возрастает в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Для скорости реакции ν_2 и ν_1 при значениях температуры t_2 и t_1 имеем:

ν_2 = ν_1 γ0,1(t_2-t_1),

где γ – температурный коэффициент скорости реакции, γ = 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 + O_2 = 2NO_2).

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

ν = kcAcB,

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 сАсв = 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: ν = kcA.

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, N_2 + ЗН_2 = 2NH_3) 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 ΔН°, знак ΔН° противоположен знаку Q:

Значение ΔН° 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 ΔS° (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 ΔS° равны соответственно 0,039, 0,07 и 0,189 кДж/К.

Всякая химическая реакция, таким образом, имеет две энергетические характеристики – энтальпию ΔН° и энтропию ΔS°. 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, ΔН° и TΔS° приведены в килоджоулях, так как К кДж/К = кДж).

Суммарная энергетическая функция системы называется стандартной энергией Гиббса реакции ΔG°T, индекс Т подчеркивает зависимость этой величины от температуры, что очевидно из уравнения (отметим еще, что ΔН° и ΔS° 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, ΔН° = -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 сА, св, cD и сЕ 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 Кс и называют константой равновесия данной реакции:

Это выражение носит название равновесный закон действующих масс (К. Гулльберг, П. Воге, 1867).

Значение Кс характеризует состояние равновесия в данной реакции и определяется соотношением концентраций, т. е. величина Кс 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 Кс 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:

Kc = ƒ(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 Σnреаг = Σnпрод 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 Кс. 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) Н_2 + I_2(г) → HI

2) Fe_2(SO_4)3(т) → Fe_2O_3(T) + SO_3

3) Zn + H_2SO_4 → ZnSO_4 + H_2↑

4) CO + H_2 → CO + H_2O (nap)

2. При взаимодействии H_2 с Cl_2, Br_2 и I_2 в сосудах равного объема через 27 с образуется по 0,04 моль продуктов. Скорость реакции

1) выше для I_2

2) выше для Cl_2

3) одинакова

4) выше для Br_2

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. N_2 + 2С(т) + Н_2 →…

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 + O_2  2СO_2 + Q

2) 2HI +  Н_2 + I_2 – Q

3) N_2 + O_2  2NO – Q

4) 2Н_2 + O_2  2Н_2O + Q

9. Равновесие реакции этерификации СН_3СООН + С_2Н_5ОН  СН_3СООС_2Н_5 + Н_2O + Q

можно сдвинуть вправо (→)

1) добавлением серной кислоты

2) добавлением едкого натра

3) нагреванием

4) добавлением воды

10. Равновесие в гетерогенной реакции СаО(ст) + СО_2  СаСO3(т) + Q сместится влево (←) при

1) добавлении СаО

2) добавлении СаСO_3

3) сжатии

4) нагревании

11. Выход продукта в реакции CaS(т) + 2O_2  CaSO4(т) + Q

можно увеличить

1) добавлением CaS

2) нагреванием

3) введением катализатора

4) повышением давления

12. Доменный процесс Fe_2O_3 + ЗСО  2Fe + ЗСO_2 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, KNO_3 в растворе – KNO3(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 CuSO_4 5Н_2O, Na_2CO_3 • 10Н_2O, KAl(SO_4)2 • 12Н_2O 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 Н_2O 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 Na_2SO_4 (растворимость 19,2 г/100 г Н_2O), 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 (CaSO_4, Li_2CO_3) 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 Н_2O (80 °C), а при 20 °C и 9 атм она равна 93,5 г/100 г Н_2O.

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 Н_2O; 4,6М раствор), они образуют насыщенные растворы с молярностью более чем 0,1М;

– малорастворимые, масса которых в насыщенном растворе значительно меньше массы воды (например, CaSO_4 – при 20 °C растворимость 0,206 г/100 г Н_2O; 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 Н_2O; 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 N_2, жидкость хлороформ СНCl_3, твердое вещество сахароза C_12Н_22О_11, 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 nН_2O претерпевают существенные формульные изменения. В результате в растворе появляются гидратированные ионы – катионы М+ • nН_2O и анионы А • nН_2O:

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 α[1], всегда α > 0.

Для сильных электролитов α = 1 по определению (диссоциация таких электролитов полная).

Для слабых электролитов степень диссоциации – отношение молярной концентрации продиссоциировавшего вещества (сд) к общей концентрации вещества в растворе (с):

Степень диссоциации – это доля от единицы или от 100 %. Для слабых электролитов α « С 1 (100 %).

Для слабых кислот НnА 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 НnА их гидроанионы Нn-1А не существуют, например:

B концентрированных растворах содержание гидроанионов (и даже исходных молекул) становится заметным:

(суммировать уравнения стадий обратимой диссоциации нельзя!). При нагревании значения α_1 и α_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 НnА 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 NH_3 Н_2O.

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 α_1 > α_2 преобладает диссоциация (и раствор соли будет кислым), а при α_1 > α_2 – гидролиз (и раствор соли будет щелочным). Так, кислыми будут растворы солей с анионами HSO_3-, H_2PO_4-, H_2AsO_4- и HSeO_3-, 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 α_1 и а_2 изучаются только в высшей школе).

Оснóвные соли MgCl(OH), Cu_2CO_3(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, 1s^0). У свободного протона велики подвижность и проникающая способность, в окружении полярных молекул Н_2O он не может оставаться свободным. Протон тут же присоединяется к молекуле воды:

В дальнейшем для простоты оставляется запись Н+ (но подразумевается Н_3O+).

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 (СаF_2↓, PbI_2↓, Ag_2SO_4↓, AlPO_4↓ и т. д.).

В табл. 15 не указаны карбонаты – средние соли с анионом CO_32-. Следует иметь в виду, что:

1) К_2СO_3, (NH_4)2CO_3 и Na_2CO_3 растворимы в воде;

2) Ag_2CO_3, ВаСO_3 и СаСO_3 практически нерастворимы в воде и выпадают в осадок как таковые, например:

3) соли остальных катионов, такие как MgCO_3, CuCO_3, FeCO_3, ZnCO_3 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) FeCO_3, 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 FeSO_4 и К_2СO_3 выпадает осадок основной соли (приведен условный состав, на практике состав более сложный) и выделяется углекислый газ:

Аналогично FeCO_3, сульфид хрома (III) Cr_2S_3 (нерастворимый в воде) не осаждается из раствора:

В табл. 15 не указаны также соли, которые разлагаются водой — сульфид алюминия Al_2S_3 (а также BeS) и ацетат хрома (III) Cr(СН_3СОО)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 α = 1, или 100 %);

2) собственно гидролиз, т. е. взаимодействие ионов соли с водой, – обратимая реакция (степень гидролиза α < 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, NaNO_3, Na_2SO_4 и BaI_2 среда нейтральная.

В случае взаимодействия аниона растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по аниону.

1)

2)

Диссоциация соли KNO_2 протекает полностью, гидролиз аниона NO_2 – 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 NO_2-, отвечающий слабой азотистой кислоте HNO_2). 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 (HCO_3-, HPO_42-, HS-) писать формулы соответствующих кислот (Н_2СO_3, Н_3РO_4, H_2S). Гидролиз – обратимая реакция, и протекать «до конца» (до образования кислоты НnА) он не может.

Если бы такая неустойчивая кислота, как Н_2СO_3, образовалась в растворе своей соли Na_2CO_3, то наблюдалось бы выделение из раствора газа СO_2 (Н_2СO_3 = СO_2↓ + Н_2O). 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 (HNO_2, НClO, HCN) или ее гидроаниона (HCO_3-, HPO_42-, HS-); чем слабее кислота, тем выше степень гидролиза. Например, ионы СО_32-, РО_43- и S2- подвергаются гидролизу в большей степени (в 0,1 М растворах ~ 5 %, 37 % и 58 % соответственно), чем ион NO_2, так как диссоциация Н_2СO_3 и H_2S по 2-й ступени, а Н_3РO_4 по 3-й ступени (т. е. диссоциация ионов HCO_3-, HS- и HPO_42-) протекает значительно меньше, чем диссоциация кислоты HNO_2. Поэтому растворы, например, Na_2CO_3, К_3РO_4 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 Na_2CO_3, внести алюминий, то последний (вследствие амфотерности) прореагирует с ОН-

и будет наблюдаться выделение водорода. Это – дополнительное доказательство протекания гидролиза иона СО_32- (ведь в раствор Na_2CO_3 мы не добавляли щелочь NaOH!).

В случае взаимодействия катиона растворенной соли с водой процесс называется гидролизом соли по катиону:

Диссоциация соли Ni(NO_3)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 NH_4+. 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 FeCl_3, Cr_2(SO_4)3 и ZnBr_2 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 AlCl_3:

вносится магний или цинк. Последние прореагируют с Н+:

и будет наблюдаться выделение водорода. Этот опыт – дополнительное свидетельство протекания гидролиза катиона Al3+ (ведь в раствор AlCl_3 мы не добавляли кислоту!).

Примеры заданий частей А, В

1. Сильный электролит – это

1) С_6Н_5ОН

2) СН_3СООН

3) С_2Н_4(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. Н_3РO_4

5. H_2SeO_3

6. H_4SiO_4

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-, Н_2O

3) Са2+, Н_2O, О2-

4) СаОН+, О2-, Н+

13—16. При диссоциации одной формульной единицы соли

13. NH_4NO_3

14. К_2Cr_2O_7

15. Al(NO_3)3

16. Cr_2(SO_4)3

число образующихся ионов равно

1) 2

2) 3

3) 4

4) 5

17. Наибольшее количество иона РО_4-3 можно обнаружить в растворе, содержащем 0,1 моль

1) NaH_2PO_4

2) NaHPO_4

3) Н_3РO_4

4) Na_3PO_4

18. Реакция с выпадением осадка – это

1) MgSO_4 + H_2SO_4 →…

2) AgF + HNO_3 →…

3) Na_2HPO_4 + NaOH →…

4) Na_2SiO_3 + HCl →…

19. Реакция с выделением газа – это

1) NaOH + СН_3СООН →…

2) FeSO_4 + КОН →…

3) NaHCO_3 + HBr →…

4) Pl(NO_3)2 + Na_2S →…

20. Краткое ионное уравнение ОН- + Н+ = Н_2O отвечает взаимодействию

1) Fe(OH)2 + НCl →…

2) NaOH + HNO_2 →…

3) NaOH + HNO_3 →…

4) Ва(ОН)2 + KHSO_4 →…

21. В ионном уравнении реакции

SO_2 + 2OН = SO_32- + Н_2O

ион ОН- может отвечать реагенту

1) Cu(ОН)2

2) Н_2O

3) LiOH

4) С_6Н_5ОН

22—23. Ионное уравнение

22. ЗСа2+ + 2РO_43- = Са_3(РO_4)2↓

23. Са2+ + НРO_42- = СаНРO_4↓

соответствует реакции между

1) Са(ОН)2 и К_3РO_4

2) СаCl_2 и NaH_2PO_4

3) Са(ОН)2 и Н_3РО_4

4) СаCl и К_2НРO_4

24—27. В молекулярном уравнении реакции

24. Na_3PO_4 + AgNO_3 →…

25. Na_2S + Cu(NO_3)2 →…

26. Ca(HSO_3)2 [p-p, t] →…

27. K_2SO_3 + 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 + H_2S →…

сумма коэффициентов в полном ионном уравнении составляет

1) 6

2) 8

3) 10

4) 12

30—33. В кратком ионном уравнении реакции

30. NaF + AlCl_3 →…

31. К_2СO_3 + Sr(NO_3)2 →…

32. Mgl_2 + К_3РO_4 →…

33. Na_2S + H_2SO_4 →…

сумма коэффициентов равна

1) 3

2) 4

3) 5

4) 6

34—36. В водном растворе соли

34. Са(ClO_4)2

35. AgF

36. Fe_2(SO_4)3

образуется среда

1) кислотная

2) нейтральная

3) щелочная

4) любая

37. Концентрация гидроксид-иона увеличивается после растворения в воде соли

1) CsNO_3

2) SrCl_2

3) NaCN

4) KHSO_4

38. Нейтральная среда будет в конечном растворе после смешивания растворов исходных солей в наборах

1) ВаCl_2, Fe(NO_3)3

2) Na_2CO_3, SrS

3) BaS, ZnSO_4

4) MgCl_2, RbNO_3

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- = SIV. В данном примере S-II окисляется до SIV.

Понижение степени окисления элемента в ходе реакции, отвечающее присоединению электронов атомами этого элемента, называется восстановлением: O^0 + 2е- = О-II. В данном примере О^0 восстанавливается до O-II.

Вещество, частицы которого содержат окисляющиеся атомы, выполняет в реакции функцию восстановителя. В данном примере восстановитель – сероводород H_2S.

Вещество, частицы которого содержат восстанавливающиеся атомы, выполняет в реакции функцию окислителя. В данном примере окислитель – молекулярный кислород O_2.

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 бóльшими окислительными свойствами, а металлы – бóльшими восстановительными свойствами (O_2, Cl_2 – окислители; Na, Ва, Al и Zn – восстановители).

В каждой группе Периодической системы элемент с большим порядковым номером будет обладать и бóльшими восстановительными свойствами в своей группе, а элемент с меньшим порядковым номером – бóльшими окислительными свойствами. Так, кальций Са – более сильный восстановитель, чем магний Mg, молекулярный хлор Cl_2 – более сильный окислитель, чем иод I_2.

Соединения, содержащие атомы элементов в низкой степени окисления, будут восстановителями за счет этих атомов, например: NH_3 – восстановитель за счет азота (-III), H_2S – за счет серы (-II), KI – за счет иода (-I) и т. д.

Соединения, включающие атомы элементов в высокой степени окисления, будут окислителями, например: HNO_3 – окислитель за счет азота (+V), КMnO_4 – за счет марганца (+VII), К_2Cr_2O_7 – 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 СO_2 подбирается поэлементно и в последнюю очередь, проверка – по кислороду);

б)

в)

(простые вещества – здесь N_2 – пишут в уравнениях полуреакций в молекулярном виде);

г)

(реакция внутримолекулярного окисления-восстановления, расчет ведут на число атомов в формульной единице реагента – 2N-IIIи 2CrVI);

д)

e)

(реакция дисмутации, коэффициенты ставят сначала в правую часть уравнения);

ж)

(коэффициент перед К_2MnO_4 находят суммированием числа атомов MnVI в правой части обоих уравнений полуреакций);

з)

(реакция конмутации, коэффициенты ставят сначала в левую часть уравнения);

и)

к)

(в FeS_2 окисляются атомы FeII FeIII и S-I → SIV, 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: FeII → FeIII и NV → NIV, расчет ведут на число этих атомов в формуле реагента и алгебраически суммируют число электронов);

м)

(коэффициент для HNO_3 находят суммированием числа атомов N в правой части уравнения);

н)

(в растворе Zn – восстановитель, H_2O – окислитель; в молекуле воды восстанавливается один атом водорода из двух: НIОН – Н^0);

(в расплаве восстанавливается атом водорода из гидроксид-иона [ОНI]- → Н^0).

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 Н_2 между металлом и кислотой, которая является окислителем за счет катионов Н+, такими как НCl и H_2SO_4 (разб.).

С НCl (разб.) и H_2SO_4 (разб.) реагируют почти все металлы, стоящие левее водорода, например:

Исключения: металлы Ti и Sn реагируют только с НCl (конц.):

и не реагируют с H_2SO_4 (разб.). Металл Pb, восстановительная активность которого почти равна таковой для водорода, не реагирует с НCl (разб., конц.) и H_2SO_4 (разб.).

Металлы, стоящие в ряду напряжений правее водорода – Cu, Hg, Ag, Pt и Au, в принципе не вступают во взаимодействие с НCl и H_2SO_4 (разб.) и не вытесняют из них водорода.

Внимание! Из распространенных кислот в реакции с вытеснением водорода не вступают азотная кислота HNO_3 (ни концентрированная, ни разбавленная) и серная кислота H_2SO_4 (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 K_2SO_4, H_2SO_4 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, ClO_4-, SO_42-, NO_3-, РО_43-, CO_32-); вместо них окисляется вода.

Примеры электролиза растворов солей:

а)

(на аноде окисляются анионы Cl-, а не кислород О-II молекул Н_2O, 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 НI молекул Н_2O, так как медь стоит правее водорода в ряду напряжений, т. е. легче принимает электроны, чем НI 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 + HNO_3 (конц.) → CuSO_4 + NO_2↑ +… коэффициент у формулы окислителя равен

1) 1

2) 4

3) 8

4) 11

2. В уравнении реакции

К_2Cr_2O_7 + НCl → CrCl_3 + Cl_2↑ +… коэффициент у формулы восстановителя – это

1) 14

2) 10

3) 6

4) 2

3―4. В уравнении реакции

3. Al + V_2O_5 → Al_2O_3 + V

4. MgC_2 + Cl_2 → MgCl_2 + СCl_4

сумма коэффициентов равна

1) 8

2) 13

3) 18

4) 24

5—6. В уравнении реакции

5. КMnО_4 + Н_2O + K_2SO_4 → MnO_2↓ + K_2SO_4 + KOH

6. KI + H_2O + Cl_2 → KIO_3 + 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) Н_2, O_2

2) К, O_2

3) K, Cl_2

4) Н_2, Cl_2

9. При электролизе раствора нитрата ртути (II) набор продуктов на электродах – это

1) Hg, O_2

2) H_2, O_2

3) Hg, N_2

4) H_2, N_2

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(NO_3)2 + HNO_3 + РЬO_2 → HMnO_4 + Pb(NO_3)2 +…

13. Zn + H_2SO_4 + HNO_3 (разб.) → ZnSO_4 + NO +…

14. K_2Cr_2O_7 + HCl + C_2H_5OH → CrCl_3 + CH_3C(H)O +…

15. Решение расчетных задач

15.1. Массовая доля растворенного вещества. Разбавление, концентрирование и смешивание растворов

Массовая доля растворенного вещества В

(ωв) – это отношение массы вещества В (тв) к массе раствора (m(р)):

При решении ωв выражается всегда в долях единицы (например, ωв = 0,01), в ответе – часто в процентах (ωв=1 %).

Величина, численно равная ωв (в %), характеризует раствор в целом, например, при ωв = 1 % раствор будет однопроцентным (1 %-ный раствор вещества В).

Соотношения для массы раствора:

где ρ(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 хН_2O

где m(кр. Н_2O) – масса воды, которая содержится в данной массе кристаллогидрата;

б) масса безводной соли В в кристаллогидрате

так как nв = nкр;

б) масса добавляемой воды

где т(Н_2O) – 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 Na_2CO_3 10Н_2O 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 ZnSO_4 7Н_2O и 600 г воды.

5. Найдите массу (в граммах) кристаллогидрата CuSO_4 5Н_2O, 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 СаCl_2 6Н_2O 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(NO_3)3 9Н_2O 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 nА и nВ – количества вступивших в реакцию исходных веществ, пС и nD – 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 VA : VB, 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(N_2): 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 SO_2); следовательно, объемное отношение O_3: O_2 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 СН_4 + Н_2 потребовался 1 моль кислорода. В исходной смеси объемное отношение СН_4: Н_2 равно:

1) 2: 1

2) 1: 1

3) 1: 2

4) 3: 2

6. Газ А, полученный при прокаливании 0,04 моль КClO_3 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 N_2: O_2 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 NH_3: 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 КClO_3 на катализаторе, при этом 5 % кислорода превратилось в озон и на выходе из озонатора объемное отношение O_2: O_3 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 Cu_2СO_3(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 (м^3, 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 NH_2 в молекуле) в кислороде получена смесь N_2 + СO_2 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, пB – 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 СO_2 получают термическим разложением 5 кг известняка СаСO_3 (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 AgNO_3. 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 H_2SO_4 (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 NaHCO_3 в образце технической соды Na_2CO_3, если после нагревания 10 г образца получено 9,69 г твердого остатка.

11. Смешали 20 г уксусной кислоты и 8,4 г питьевой соды NaHCO_3. Определите объем (в литрах, н.у.) газа, собранного после окончания реакции.

12. На гидрирование 250 г смеси Cl_7Н_33СООН + Cl_7Н_35СООН 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 AlCl_3 в реакциях (I) и (II):

в реакции (I)

в реакции (II) взята 1/5 часть AlCl_3, т. к.

отсюда

3) Определено количество NH_3 в растворе для реакции (II):

следовательно, NH_3 – в избытке, и расчет далее ведется по AlCl_3.

4) Определена масса Al(ОН)3 по уравнению (II): 0,1014 моль AlCl_3 – 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 CuSO_4 (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 м^3 (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 Н_2 (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 СO_2 и O,972 мл Н_2O. 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 CxНyOz:

при х = 1 и у = 3: М(СН_3) = 15, 46–15 = 31 г/моль на кислород – это не подходит,

при х = 2 и у = 6: 2М(СН_3) = 30, М_0 = 16, 30 + 16 = = 46 г/моль – это подходит, таким образом, искомая формула соединения С_2Н_6O, или с учетом условия (СН_3)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 С_5Н_8.

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 α-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. X_1 – СН_3СН(ОН)СН_3, Х_2 – CH_3CH(ONa)CH_3, Х_3 – СН_3СН(ОН)СН_3; 19. X_1 – С_2Н_4, X_2 – С_2Н_5ОН, X_3 – СН_3СООСН_3; 20. Х_1 – C_3H_6, Х_2– С_3Н_7Br, Х_3 – С_3Н_7ОН; 21. – C_6H_5NO_2, Х_2 – C_6H_5NH_2, Х_3 – [C_6H_5NH_3]Cl, Х_4– NH_2C_6H_4NO_2.

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(NO_3)2 + 6HNO_3 + 5РЬO_2 = 2HMnO_4 + 5Pb(NO_3)2 + 2H_2O. Окислитель РЬO_2, восстановитель Mn(NO_3)2. 13. 3Zn + 3H_2SO_4 + 2HNO_3 (разб.) = 3ZnSO_4 + 2NO + 4H_2O. Окислитель HNO_3, восстановитель Zn. 14. K_2Cr_2O_7 + 8HCl + 3C_2H_5OH = 2CrCl_3 + 3CH_3C(H)O + 7H_2O + 2KCl. Окислитель K_2Cr_2O_7, восстановитель C_2H_5OH.

Раздел 15

15.1.

1. 13,9 % КCl. 2. 291 г С_2Н_5ОН. 3. 160 л НС(Н)O. 4. 14,8 % ZnSO_4. 5. 25 г CuSO_4 5Н_2O. 6. 0,231 л НBr. 7. 468 г Н_2O. 8. 75 г раствора KNO_3. 9. 4,42 л раствора К(СН_3СОО). 10. 1,376 л Н_2O. 11. 56,7 % СН_3ОН. 12. 0,14 моль AgNO_3. 13. 74,41 л NH_3. 14. 25 % NaNO_3. 15. 39,47 г H_2SO_4 (конц.). 16. 35,6 % СН_3ОН. 17. 0,163 % НCl. 18. 499 л Н_2O. 19. 9,11 % СаCl_2. 20. 16,61 моль КОН. 21. 279,4 мл Н_2O. 22. 46,67 моль Н_2O. 23. 46,77 мл СН_3СООН (конц.). 24. 9,09 % Cl_2Н_22О_11. 25. 196,92 г NaOH. 26. 8,8 % НCl. 27.9,1 % Sr(NO_3)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 Н_2. 2. Кальций Са. 3. 3,36 л Н_2. 4. Медь Cu. 5. Железо Fe. 6. Серебро Ag. 7. 17,8 г (4,8 г Mg + 13 г Zn). 8. 6,18 л Cl_2. 9. 22,4 л HF. 10. 9,6 г S. 11. 42,83 г Bi_2S_3. 12. 240 г CsOH. 13. 16,8 л (13,44 л NO_2 + 3,36 л O_2). 14. 735 г Н_3РO_4. 15. 134,4 л (89,6 л NH_3 + 44,8 л СO_2). 16. 22,4 л Н_2. 17. 268,8 л Cl_2. 18. 21,2 моль С_2Н_5Br (продукт – С_4Н_10). 19. 224 мл С_2Н_2 (продукт – С_2Н_2Br_4). 20. 33,6 л Н_2. 21. 230 мл С_2Н_5ОН. 22. 224 м^3 Н_2. 23. 224 л СO_2. 24. 750 мг NH_2CH_2COOH (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 H_2S. 3. 11,2 л Cl_2. 4. 1,6 % NaCl. 5. 89,6 л НCl. 6. 72 % CuО. 7. 34,03 кг технического Al. 8. 13,44 л NH_3. 9. 90 % NaNO_3. 10. 8,4 % NaHCO_3. 11. 2,24 л СO_2. 12. 15,4 % Cl_7Н_35СООН.

15.6.

1. 756 г Na_2SO_3. 2. 121,2 г PbSO_4. 3. 8,05 % КОН. 4. 12 г. 5. 248,5 л раствора С_2Н_5ОН. 6. 32,9 % Na_2SO_3. 7. 50 г КНСO_3. 8. 9,48 % CuSO_4. 9. 2,24 л С_2Н_2. 10. 4 % NaOH. 11. 10,08 л Н_2. 12. 155,2 г С_6Н_2Br_3ОН.

15.7.

1. С_4Н_10. 2. С_5Н_10. 3. С_5Н_8. 4. C_6H_5C_2H_5. 5. C_2H_5OH. 6. Na(C_3H_7O). 7. C_2H_4(OH)2, или CH_2(OH) – CH_2(OH). 8. C_6H_5CH_3. 9. C_6H_4(OH)2. 10. CH_3C(H)O. 11. C_2H_5COOH. 12. Na(C_2H_5COO). 13. Ag(C_4H_9COO). 14. C_3H_7C0 °CH_3. 15. HCOOC_2H_5. 16. C_6H_12O_6. 17. NH_2CH_2COOH. 18. CH_3CH(NH_2)COOCH_3.

Примечания

1

Буквой α (альфа) обозначают степень протекания любых обратимых реакций, в том числе и степень гидролиза солей (см. 13.5)

Content

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

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

Примечания