Хімія 9 клас Попель 2009 рос by sloven

ББК 24.Я721 П57

Рекомендовано Министерством образования и науки Украины

(Приказ Министерства образования и науки Украины от 02.02.2009 г. № 56)

Эксперты, рекомендовавшие учебник к изданию:

доктор химических наук, профессор кафедры органической химии Таврийского национального университета им. В. И. Вернадского А Е. Земляков; кандидат педагогических наук, доцент, заведующий кафедрой теории и методики Днепропетровского ОИППО Л. М. Зламанюк; доктор химических наук, профессор Института химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины, член-корреспондент НАН Украины Н. Т. Картель; кандидат химических наук, учитель Донецкого лицея «Коллеж» И. Ю. Старовойтова; заведующий УМК химии Кировоградского ОИППО им. В. Сухомлинского В. П. Ш евчук; кандидат педагогических наук, заведующий лабораторией дидактики Института педагогики АПН Украины В. И. Кизенко Ответственные за подготовку учебника к изданию:

главный специалист МОН Украины С. С. Фицайло; заведующая сектором Института инновационных технологий и содержания образования Е. А. Дубовик

1БВМ 978-966-580-299-0

Дорогие девятиклассники!

На уроках химии в 8 классе вы узнали много нового и интересного о химических элементах и различных веществах. Вам стало известно, что в химии порции веществ оценивают по количеству содержащихся в них частиц — атомов, молекул, ионов. Читая учебник и выполняя опыты, вы изучали свойства и способы получения важнейших неорганических соединений — оксидов, оснований, кислот, солей. Теперь вы знаете, как был открыт периодический закон — основной закон химии, устанавливающий зависимость химичес кого характера элементов, свойств их простых и сложных веществ от заряда ядер атомов. Все вещества существуют благодаря способности атомов, моле кул, ионов соединяться друг с другом. Такое взаимодействие частиц называют химической связью. Зная строение вещества, можно прогнозировать его свойства. В 9 классе продолжится ваше знакомство с основами химии. Вы узнаете о процессах, происходящ их в водных растворах раз личных веществ, о типах химических реакций и особенностях их протекания, а во втором семестре — о важнейш их органических соединениях, в том числе и о тех, которые содержатся в расте ниях, животных и организме человека. Как и раньше, вы будете выполнять различные опыты на уро ках химии, а также во внеурочное время и дома, предварительно получив разрешение родителей. При проведении химического эксперимента важно записы вать свои действия и наблюдения. Старайтесь всегда находить объяснение увиденному во время опытов и делать соответствую щие выводы. Напоминаем, что к практическим работам нужно готовиться заранее. Вариант практической работы, задания и опыты, которые вам следует выполнить, укажет учитель. В 9 классе вы также должны соблюдать правила работы и тех ники безопасности при выполнении химических опытов. Этот учебник поможет вам изучать химию. В начале каждого параграфа указано, какое значение имеет изложенный учебный материал, а в конце параграфа сформулированы выводы. Текст,

отмеченный слева вертикальной цветной линией, адресован уче никам, желающим расширить и углубить свои знания по химии. Дополнительная информация и интересные факты размещены на полях. Основные определения выделены цветом, а новые терми ны, важные утверждения и слова с логическим ударением — кур сивом. Текст к лабораторным опытам и практическим работам размещен на цветном фоне. После каждого параграфа приведены задания, упражнения и задачи различных типов; они расположены преимущественно по возрастанию сложности. В конце учебника имеются ответы к некоторым задачам и упражнениям, словарь основных терминов, а также предметный указатель. Он поможет быстро найти страни цу учебника, на которой идет речь об определенном термине, веществе, явлении и т. п. Кроме того, для учеников, которые инте ресуются химией, предлагается список соответствующей литера туры и названия интернет-сайтов. Вдумчивая работа с учебником поможет вам глубже осознать связи, которые существуют между составом, строением и свой ствами веществ, научиться прогнозировать и объяснять химичес кие превращения. Химию изучают для того, чтобы понимать, как устроен мир, по каким законам он развивается, чтобы использовать различные вещества, не нанося вреда себе и окружающей среде. Желаем вам успехов в изучении химии. Авторы

1 . раздел

Вода. Растворы Каждый из вас, услышав слово «раствор», наверное, представит себе прозрачную ж ид кость — бесцветную или окрашенную, а также вспомнит о воде, которая входит в состав мно гих растворов. Почему вода растворяет то или иное веще ство? Существует ли связь между способностью вещества растворяться и его строением? Что происходит при образовании раствора? Ответы на эти и другие вопросы вы найдете, вниматель но прочитав параграфы первого раздела учебни ка. Узнаете и о том, какие частицы существуют в растворах, поймете суть химических реакций с участием растворенных веществ. Кроме того, вы научитесь готовить растворы и проводить соответствующие вычисления.

Вода

Материал параграфа поможет вам: > узнать о распространенности воды в природе: выяснить строение молекулы воды; понять суть водородной связи.

Распространенность в природе. Вода — наи более распространенное соединение на нашей планете. Она покрывает свыше 2 /3 поверхности Земли (рис. 1). Приблизительно 97 % всей воды 5

Рис. X.

Вода на поверхности Земли

Рис. 2.

Вода — наше богатство

находится в морях и океанах. Такая вода содержит многие растворенные вещества. На пресную воду приходится 3 %. Почти вся она сконцентрирована в снегах и льдах Антарктиды, Арктики, регионах с вечной мерзлотой. Реки и озера содержат лишь 0,03 % всей воды, имеющейся на планете. Именно эту воду человек использует для своих потребностей. Поэтому охрана вод ных ресурсов планеты от загрязнений является одной из важных задач, стоящих перед человечеством (рис. 2). Вода в незначительном количестве содер жится в атмосфере, причем — в трех агре гатных состояниях: газообразном (водяной пар обуславливает влажность воздуха), жидком и твердом (туман, облака). Атмо сферные осадки (дождь, снег), выпадая на земную поверхность, захватывают с собой пыль, некоторые растворившиеся газы и тем самым очищают воздух. Вода содержится и в твердой оболочке плане ты — литосфере, причем как в «свободном» состоянии (подземные воды), так и в «химичес ки связанном» — в составе различных природ ных соединений и минералов. Массовая доля воды в живых организмах составляет от 50 до 99 %, а в организме взросло го человека — около 65 %. Природная вода всегда содержит примеси. Сравнительно чистую воду получают перегон кой. Ее называют дистиллированной и исполь зуют в научных исследованиях, некоторых про изводствах, для приготовления лекарств.

Строение молекулы. Химическая формула воды Н20 известна каждому из вас. Это — моле кулярное вещество. Электронная и графическая формулы молекулы воды Н :О:

Н-О

Н Н указывают на то, что два атома Гидрогена соеди нены с атомом Оксигена простыми ковалентны ми связями. ► Какую связь называют ковалентной? Какая особенность электронного строения атома «позволяет* ему образовывать такую связь с другим атомом? Обратим внимание на строение атомов Гидро гена и Оксигена (их электронные формулы вы составляли в 8 классе): 2р

,Н 1в‘;

1я[Т];

«о 1ї22«г2р4; ІяргХ]

Каждая связь в молекуле воды образована « электроном атома Гидрогена и одним р-электроном атома Оксигена. Два р-электрона атома Оксигена, участвующие в этих связях, являются неспаренными и находятся в разных орбиталях. Поскольку р-орбитали расположены перпенди кулярно друг другу, молекула воды имеет угло вое строение'. Правда, угол между прямыми, соединяющими центры атомов Гидрогена и Оксигена, составляет не 90°, а 104,5°:

На рисунке 3 изображены две модели молеку лы воды. В шаростержневой модели стержни имитируют простые ковалентные связи между ' Такое объяснение строения молекулы воды является упрощенным. 7

атомами, а в масштабной модели соблюдено соотношение размеров атомов и молекулы. Поскольку Оксиген — более электроотрица тельный элемент, чем Гидроген, то общие элек тронные пары смещены от двух атомов Гидроге на к атому Оксигена. Связи 0 -Н являются полярными. На атоме Оксигена сосредоточен небольшой отрицательный заряд, а на каждом из двух атомов Гидрогена — положительный:

б Рис. 3. Модели молекулы воды: а — шаро стержневая; б — масштаб ная. Белые шарики — атомы Гидрогена, красные — атомы Оксигена

Н Н 0 < 8 < 1 (6 = 0,17) Итак, молекула воды со стороны атома Оксиге на заряжена отрицательно, а с противоположной стороны, где размещены атомы Гидрогена, — положительно. Такую молекулу называют по лярной; она является диполем1, т. е. имеет два разноименно заряженных полюса. Ее условно изображают эллипсом, в который вписаны знаки «+» и «-» без указания величин зарядов: + Полярность молекулы воды существенно влияет на свойства этого вещества. Водородная связь. Молекулы-диполи воды могут притягиваться друг к другу, а именно, 8+

28-

атом Н одной молекулы воды — к атому О другой.

Электростатическое взаимодействие между молекула ми с участием атомов Гидрогена называют водородной связью. Водородную связь принято обозначать тремя точками: Н • • ■О. Эта связь значительно слабее ковалентной. Обязательное условие ее образова ния — наличие в молекуле атома Гидрогена, со единенного с атомом одного из наиболее элек троотрицательных элементов (Флуора, Оксиге на, Нитрогена). Водородные связи существуют и в жидкой воде, и во льду. Каждая молекула воды соедине' Термин происходит от греч. di(s) — дважды и polos — полюс. 8

Рис. 4. Водородные связи между молекулами воды

Р и с . 5. Снежинка

на водородными связями с четырьмя другими (рис. 4). Это является причиной характерной формы снежинок (рис. 5). В жидкой воде часть водородных связей постоянно разрушается, но одновременно образуются новые связи.

ВЫВОДЫ

Вода — одно из наиболее распространенных в природе соединений. Ее молекула содержит ковалентные полярные связи О -Н , имеет угло вую форму и является полярной. На каждом атоме Гидрогена молекулы воды сосредоточен небольшой положительный заряд, а на атоме Оксигена — небольшой отрицательный заряд. Молекулы воды притягиваются друг к другу вследствие электростатического взаимодей ствия между атомами Гидрогена и Оксигена разных молекул. Такое взаимодействие назы вают водородной связью.

9■12 1. Почему в природе нет чистой воды? Какие примеси могут быть в ней? 2. Как должен действовать каждый человек в быту, на отдыхе, чтобы лозунг -Берегите воду!» воплощался в жизнь?

3. Подготовьте по материалам Интернета небольшое сообщение на одну из таких тем: а) обеспеченность пресной водой различных регионов Украины; б) источники загрязнения природной воды; в) вода в народном творчестве (пословицы, поговорки и т. п.); г) интересное о воде. 4. Объясните, почему молекула воды имеет угловую форму. 5. Каково различие между шаростержневой и масштабной моделями молекулы?

6 . Что такое водородные связи? Почему они образуются между моле кулами воды? 7. Рассчитайте число атомов Гидрогена и число атомов Оксигена в 1 мг воды.

8 . Дейтерий — природный нуклид Гидрогена. Ядро атома этого нукли да состоит из одного протона и одного нейтрона. Найдите массо вую долю Дейтерия в тяжелой воде 0 20. 9. Вычислите массу молекулы воды в граммах.

Свойства воды

Материал параграфа поможет вам: выяснить и объяснить физические свойства воды; вспомнить, с какими веществами реагирует вода.

Физические свойства. Каждому известно, что вода — бесцветная жидкость без вкуса и запаха, которая замерзает при температуре О°С, а заки пает при 100 °С (при давлении 760 мм рт. ст.). Вода имеет плотность 1,00 г/см3 (при 4 °С), не значительную теплопроводность, почти не про водит электрический ток. Температуры плавления льда и кипения воды значительно выше, чем, например, метана СН4 — сходного по составу соединения, молекула которого имеет почти такую же массу, что и молекула Н20. Причина — наличие водородных

связей между молекулами воды'. Чтобы разру шить эти связи, нужно израсходовать энергию, т. е. нагреть вещество.

Рис. 6. В реке, покрытой льдом, жизнь продолжается

Лед немного легче воды; его плотность составляет 0,92 г/см3. (Другие вещества в твердом состоянии имеют большую плот ность, чем в жидком.) Все молекулы во льду соединены водородными связями (§ 1). Это вещество имеет ажурную структуру со многими пустотами. При плавлении льда некоторые водородные связи разрываются, и «освободившиеся* молекулы воды запол няют пустоты. Вследствие этого вещество «уплотняется*. Лед не тонет в воде, и зимой водоемы обычно не промерзают до дна. Это спасает рыбу, других обитателей рек и озер от гибе ли (рис. 6). Химические свойства. Вода проявляет достаточную химическую активность. Она реагирует со многими веществами — и про стыми, и сложными. Реакции с простыми веществами. Вам известно, что вода взаимодействует с наи более активными металлами — щелочны ми (рис. 7) и щелочноземельными. Продук тами каждой реакции является основание (щелочь) и водород: 2 № + 2Н20 - 2ЫаОН + Н2Т. С магнием вода реагирует при нагрева нии. ► Напишите уравнение реакции магния с водой.

Рис. 7. Реакция натрия с водой

С водой взаимодействуют и некоторые менее активные металлы, но при достаточ-1

1 Водородные связи между молекулами метана СН4 не образуются, поскольку ковалентная связь С-Н почти неполярна. Поэтому в обыч ных условиях метан является газом. Он превращается в жидкость при охлаждении до -164 °С (при нормальном давлении). 11

но высокой температуре (реагентом является водяной пар). При этом вместо гидроксидов металлических элементов образуются оксиды:

гп +н2о =гпо +н2. Вода реагирует и с некоторыми неметаллами. Взаимодействием водяного пара с раскаленным углем получают смесь газов, которую используют как топливо:

с +Н20 =со +н2.

Это интересно Водяной пар в особых условиях реагирует с несоле образующим оксидом СО: Н20 + СО -* = Н2 + с о 2.

Реакции со сложными веществами. Среди соединений, с которыми реагирует вода, — нема ло оксидов и солей. Вода взаимодействует с некоторыми основ ными оксидами и почти со всеми кислотными. Такие химические превращения вы изучали в 8 классе. Все они являются реакциями соедине ния. Кислотные оксиды, взаимодействуя с водой, образуют соответствующие оксигенсодержащие кислоты, а оксиды щелочных и щелочноземельных элементов — основания (щелочи): в 0 3 + Н20 = Н^О*; СаО + Н20 - Са(ОН)2. Из известных вам кислотных оксидов лишь один не вступает в реакцию с водой; его форму ла — вЮ2. Инертны по отношению к воде все амфотерные оксиды и многие основные оксиды. Вода реагирует с некоторыми солями. Часть этих химических превращений, которые явля ются реакциями соединения, рассмотрим в сле дующем параграфе. Разложение воды. Вода — термически устой чивое вещество. Ее молекулы начинают разру шаться при очень высокой температуре. При 2500 °С разлагается приблизительно 11 % всех молекул, а при 1000 °С — лишь 0,03 %. Продук ты разложения воды — водород и кислород: 2Н20 = 2Н2 + Ог. Воду можно разложить и с помощью электри ческого тока.

► Учитывая уравнение реакции разложения воды, укажите, в какой пробирке на рисунке 8 накапливается водород, а в какой — кислород.

Рис. 8. Разложение воды постоянным электрическим током

выводы Вола при обычных условиях — бесцветная жидкость с плотностью 1,00 г/см3, не имеющая вкуса и запаха, которая кипит при 100 °С и замерзает при О°С. Лед немного легче воды. Вода взаимодействует со щелочными и щелоч ноземельными металлами, оксидами щелочных н щелочноземельных элементов, кислотными оксидами. При очень высокой температуре или действии постоянного электрического тока вода разлагается на водород и кислород.

9■ 10. Охарактеризуйте физические свойства воды. 11. Допишите схемы реакций и превратите их в химические уравне ния: а) ЗОз + Н2О —х ...| в) 12О5 + Н20 —х ...) б) № 20 + Н20 - х ...; г) 1У^0 + Н20 - х .... Укажите среди реагентов кислотные и основные оксиды, а среди продуктов реакций — кислоты и основания. 12. Какие из приведенных оксидов реагируют с водой: и 20. ГеО, М20 3, ЗЮ2, А120 3? Ответ обоснуйте. 13. Напишите уравнения реакций оксидов с водой, в результате кото рых образуются такие соединения: а) стронций гидроксид 5г(ОН)2:

в) перхлоратная кислота НСЮ4;

б) селенатная кислота Н25е04;

г) лантан гидроксид 1_а(ОН)3.

14. Происходят ли реакции между водой и такими веществами: лити ем, золотом, кислородом, барий оксидом, никель(И) оксидом, фосфор(У) оксидом, аргентум хлоридом? Составьте уравнения тех реакций, которые возможны. 15. Какие объемы водорода и кислорода образуются в нормальных условиях при полном разложении 1 л воды постоянным электриче ским током? 16. Достаточно ли для гашения определенной массы негашеной извести взять такую же массу воды? (Считайте, что негашеная известь — это кальций оксид, не содержащий примесей.) Ответ обоснуйте.

Кристаллогидраты

Материал параграфа поможет вам: выяснить, какие соединения называют кристал логидратами; решать задачи, в которых речь идет о кристалло гидратах.

Вода вступает в реакции соединения с неко торыми солями. При этом образуются веще ства (тоже — соли), которые, кроме соответ ствующих катионов и анионов, содержат моле кулы воды.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 1 Реакция купрум(Н) сульфата с водой В маленькую фарфоровую чашку поместите немного порош ка купрум(П) сульфата (соединение белого цвета) и добавьте несколько капель воды. Что наблюдаете? Добавляйте к веществу воду (небольшими порциями) при перемешивании до его полного растворения.

Поставьте фарфоровую чашку на кольцо лабораторного шта тива, зажгите спиртовку и осторожно выпаривайте из раствора воду до появления мелких голубых кристаллов1.

В этом опыте купрум(П) сульфат превращает ся в новое вещество. Его химическая формула — СивО., • 5Н20 (читается «кугтрум-эс-о-четыре-напять-аш-два-о»). Тривиальное название соеди нения — медный купорос12, а химическое — купрум(Н) сульфат, пентагидрат. В названиях таких веществ к слову «гидрат* добавляют при ставку, которая происходит от греческого наз вания числа: моно- (1), ди- (2), три- (3), тетра(4), пента- (5), гекса- (6), гепта- (7), окта- (8), нона- (9)3, дека- (10) и т. д. Точка в химической формуле означает, что медный купорос являет ся соединением купрум(Н) сульфата и воды, а не смесью этих веществ и не водным раствором купрум(Н) сульфата. В соединении на каждую пару ионов — Си2* и — приходится 5 моле кул воды. Уравнение реакции образования медного купо роса: Сив04 + 5НгО - Си!304 • 5Н20 . купрум(Н) сульфат купрум(И) сульфат, (безводная соль) пентагидрат

Кристаллические вещества, в состав которых входят молекулы воды, называют кристаллогидратами. Кристаллогидрат Сив04 • 5Н20

Известно много кристаллогидратов. Среди них — гипс Сав04 • 2Н20 (рис. 9), железный купорос Ее£Ю4 • 7Н20 , горькая соль Ь^БО,, • • 7Н20 , кристаллическая сода Ка2С03 • 10Н20 .

1 Выпаривание можно проводить на предметном стекле. Необхо димо нанести на него 2—3 капли раствора и держать стекло над пла менем. 2 Соединение применяют в сельском хозяйстве для борьбы с вреди телями и болезнями растений. 3 Эта приставка происходит от латинского названия числа. 15

► Дайте химические названия кристалло гидратам, указанным выше. Воду, которая содержится в кристалло гидратах, называют кристаллизационной. Часто кристаллогидраты и соответст вующие безводные соединения имеют раз личную окраску (рис. 10). Рис. 9. Природные кристаллы гипса

Рис. 10. Некоторые кристаллогидраты и безводные соли

При нагревании кристаллогидраты разлага ются с выделением воды: СиБО., • 5Н20 = Сив04 + 5Н2ОТ. Решение задач. При использовании кристал логидратов нередко возникает потребность в различных расчетах. ЗАДАЧА 1. Найт массовую долю воды в медном купоросе. Дано: Решение СиБО,, •5Н20 1-й способ12 и(Н20 ) — ? 1. Вычисляем молярную массу медного купороса: М(Си80., - 5Н20 ) = М(СиЭ04) + 5М(Н20) = = 160 + 5 • 1 8 = 160 + 90 = 250 (г/моль). 2. Составляем пропорцию и находим массовую долю воды в кристаллогидрате: 250 г (масса 1 моль кристаллогидрата) — 1 (или 100 %), 90 г (масса 5 моль воды) — х; 90 - 1 х = и(Н20 ) ---------- = 0,36 250 90-100 % (или х = и»(Н20 ) = ---------------= 36 %). 250 16

2 й способ 1. Вычисляем молярную массу медного купороса: М(Си304 • 5Н20 ) = М(Си804) + 5М(НгО) = = 160 + 5 • 18 = 160 + 90 = 250 (г/моль). 2. Находим массовую долю воды в кристаллогидра те по соответствующей формуле: 5М(Н„0) 90 «<Н20) = *0,36, или 36 %. М(Си804 • 5НгО) 250 Ответ: в’(Н20) = 0,36, или 36 %. ЗАДАЧА 2. Какие массы кристаллизационной воды и безводной соли содержатся в 25 г медного купороса? Дано:

Решение

т(С и80, • 1 -й способ • 5Н20 ) = 25 г 1. Вычислив молярную массу медного купороса*234 (см. задачу 1), находим массу кристаллизацион т(Н 20 ) — ? ной воды: т(Си80.,) — ? в 250 г СивО,, • 5Н20 содержится 90 г Н20 , в 25 г Сив04 • 5Н20 — х г Н20; х = /л(Н20 ) = 9 г. 2. Рассчитываем массу безводной соли: т(Си£50.,) = т(Си£304 • 5Н20 ) - т(Н 20 ) = = 2 5 - 9 = 16(г). 2 й способ

1. Вычисляем количество вещества кристалло гидрата: т(Си804 • 5Н20) л(Сн80., ■5Н20 ) = М(Си804 ■5Н20) = 25 0,1 (моль). 250 2. Находим количество вещества кристаллиза ционной воды в 0,1 моль кристаллогидрата: л(Н20 ) = 5 • л(СиВ04 • 5Н20 ) = = 5 • 0,1 = 0,5 (моль). 3. Рассчитываем массу кристаллизационной воды: т (Н 20 ) = л(Н20 ) • М(Н20 ) = = 0 , 5 1 8 = 9 (г). 4. Вычисляем массу безводной соли: т(СиБ04) = т(СиЭ04 - 5Н20) - т(Н 20) = = 25 - 9 = 16 (г). Ответ: т ( Н 20) = 9 г; т( С и Э 0 4) = 16 г.

вы воды Кристаллические вещества, в состав которых входят молекулы воды, называют кристаллогид ратами. При нагревании они разлагаются с образованием безводных соединений и воды.

9 ■

17. Что такое кристаллогидрат? Приведите примеры таких соединений. 18. Запишите формулу кристаллогидрата, формульная единица кото рого состоит из одного иона Ве2*, двух ионов С1' и четырех молекул воды. Назовите этот кристаллогидрат. 19. Выполните расчеты для соединения СиС12 •2Н30 и заполните таблицу; М(СиС12)

2М(Н 20)

М(СиС12 • 2Н 20)

и<СиС12)

и-(Н20)

20. Какая масса барий гидроксида содержится в его кристаллогидра те массой 6.3 г? Примите во внимание, что в составе формульной единицы кристаллогидрата — восемь молекул воды. 21. Вычислите приблизительное соотношение масс воды и безводной соли в кристаллогидрате А1(М03)3 • 9Н 20. 22. Кристаллическая сода № 2С0 3 - 10Н20 при нагревании разлагается на кальцинированную соду № 2С0 3 и воду, которая выделяется в виде пара. Какая масса кристаллической соды разложилась, если масса твердого вещества в результате реакции уменьшилась на 9 г? 23. Массовая доля воды в кристаллогидрате гпЭО,, • хН20 составляет 43,9 %. Выведите формулу этого соединения. 24. Определите щелочной элемент, образующий соединение МОН • Н20, если массовая доля Гидрогена в кристаллогидрате составляет 7,14 %.

Растворы. Образование раствора М атериал параграфа помож ет вам: понять, что происходит при образовании раствора;

объяснять тепловые эффекты, наблюдаемые при растворении различных веществ; выяснить, какие растворы называют коллбидными.

Смеси веществ. Что общего у воздуха, мор ской воды, нефти, гранита, молока, ювелирного сплава, зубной пасты? Это — смеси веществ. Вам известно, что смеси бывают однородными и неоднородными. В неоднородной смеси можно увидеть невоору женным глазом или с помощью микроскопа твер дые частицы, капельки отдельных веществ, пузырьки газов. Некоторые смеси этого типа имеют, общие названия. Неоднородную смесь жидкости и газа называют пеной. Она образуется, например, когда в стакан наливают из бутылки газированный напиток. Хорошо взболтанную смесь двух жидкостей, которые не растворяются друг в друге, называют эмульсией. Примером эмульсии является молоко; его главные компо ненты — вода и жидкие жиры. Если перемешать жидкость с нерастворимым в ней, хорошо измельченным твердым веществом, получим сус пензию. Суспензиями являются смеси воды с порошком мела, мукой, некоторые лекарствен ные препараты. Растворы. Однородные смеси отличаются от неоднородных тем, что в них равномерно распре делены мельчайшие частицы веществ — атомы, молекулы, ионы. Эти частицы нельзя обнару жить даже с помощью мощного микроскопа.

Однородные смеси веществ называют раст ворами. Наверное, каждый из вас полагает, что раствор — это жидкость. Но, кроме жидких растворов, существуют твердые и газообразные растворы (рис. 11). Раствор содержит по меньшей мере два веще ства. Это — его компоненты. Один из них назы вают растворителем, а остальные — раст во ренными веществами. Растворителем считают вещество, которое находится в таком ж е агре гатном состоянии, что и раствор. 19

► Назовите растворитель и растворенное вещество в таких однородных смесях: а) водный раствор сахара; б) хлоридная кислота.

Рис. 11. Растворы (однородные смеси): а — водный

р а ст о о р ТеС! *; б — воздух; в — сплав меди и алюминия

Если агрегатное состояние всех веществ, образовавших раствор, одинаково, то рас творителем считают вещество, масса кото рого наибольшая. Правда, для водных растворов существует традиция именно воду называть растворителем. Вода растворяет многие вещества; это — лучший растворитель. Различают концентрированные и разбавлен ные растворы. Разбавленный раствор содержит значительно больше растворителя, чем растворен ного вещества, а концентрированный — наоборот. Свойства раствора отличаются от свойств его компонентов. Например, водный раствор пова ренной соли замерзает при температуре не сколько ниже О °С, закипает при температуре, превышающей 100 °С, и, в отличие от воды и кристаллов натрий хлорида, хорошо проводит электрический ток. Образование раствора. Процесс образования раствора часто сопровождается не только физи ческими явлениями, но и химическими. Рассмотрим, как происходит растворение в воде ионного вещества. При попадании кристалла такого вещества в воду к каждому иону, находя щемуся на его поверхности, притягиваются моле кулы воды своими противоположно заряженны ми частями (рис. 12). Если силы такого взаимо действия преобладают над силами притяжения между катионами и анионами в кристалле, ионы постепенно отделяются друг от друга и переходят в воду. Кристалл растворяется. В образовавшемся растворе находятся ионы растворенного веще ства, соединенные с молекулами воды. Такие частицы называют гидратированными1.

1 Растворение натрий хлорида в воде можно проиллюстрировать такой схемой: ПаС1 + ( т + л)Н20 - N8* ■т Н 20 + С1 • лН 20 . 20

С1-

С1'№а* -

С1- №* 01- N3*”

_ “ _ + №* _ + _ +

N8* С | - , М а 0 ;

“

№♦

С1-) +

гидратированный ион Натрия

— _ + -

—‘ +

* ' + _

гидратированный ион Хлора

— молекула-диполь воды

Рис. 12.

Растворение ионного кристалла в воде

► Изобразите в тетради гидратированные ка тион Бария и гидроксид-ион. Образование гидратированных ионов обуслав ливает существование кристаллогидратов. Растворение молекулярных веществ в воде может происходить по-разному. Если, напри мер, молекулы кислорода, спирта, сахара, попа дая в воду, остаются неизменными, то молекулы хлороводорода, сульфатной кислоты рас падаются на ионы (§ 8). А растворение углекислого газа в воде сопровождается химической реакцией — образованием карбонатной кислоты. Правда, с водой реа гирует лишь незначительная часть карбон(1У) оксида. Процесс образования водного раствора можно разделить на три стадии: 1. Взаимодействие частиц вещества и молекул воды. 2. Отделение частиц вещества (молекул, ионов) друг от друга под действием моле кул воды. Рис. 13. 3. Взаимная диффузия вещества и воды, Диффузия т. е. проникновение частиц одного веще окрашенных ионов ства между частицами другого (рис. 13). МпО; в воде при При растворении газа в воде вторая ста растворении калий дия отсутствует. перманганата 21

Для того чтобы твердое вещество растворя лось быстрее, его измельчают, увеличивая таким образом поверхность будущего контакта частиц вещества с растворителем. Кроме того, растворение проводят при перемешивании, а иногда и при нагревании. Тепловой эффект при растворении. Образова ние раствора сопровождается выделением или поглощением теплоты.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 2 Тепловой эффект при растворении вещества В пробирку поместите приблизительно 1/2 чайной ложки натрий нитрата и добавьте 5 мл воды. Содержимое пробирки пере мешивайте стеклянной палочкой для ускорения процесса раство рения. Прикоснитесь рукой ко дну пробирки. Что ощущаете?

Рис. 14. Правильное приготовление разбавленного раствора сульфатной кислоты

Появление теплового эффекта при растворении можно объяснить следующим образом. Взаимо действие частиц вещества и молекул воды (это — первая стадия растворения) происходит с выделе нием теплоты, а разъединение молекул или ионов вещества (вторая стадия растворения) — с поглощением теплоты. Если на первой ста дии растворения выделяется больше тепло ты, чем ее поглощается на второй, то происходит разогревание раствора. А если наоборот — раствор охлаждается. Смешав спирт или сульфатную кислоту с водой, мы зафиксируем повышение темпе ратуры раствора (во втором случае — очень сильное). Причина состоит в том, что на второй стадии растворения этих веществ поглощается мало теплоты, так как взаи модействие между молекулами спирта или кислоты является довольно слабым. Существует правило приготовления разбав ленного раствора сульфатной кислоты из кон центрированного. Концентрированный раствор добавляют в воду (рис. 14), причем медленно,

небольшими порциями, постоянно перемеш и вая и охлаждая сосуд водопроводной водой. Если ж е добавлять воду в концентрированную кислоту, то образующийся раствор м ож ет даж е закипеть, а брызги кислоты — попасть на кожу и вызвать сильные ожоги.

Иногда при образовании раствора обнаружить тепловой эффект не удается (например, при растворении поваренной соли в воде). На самом деле он есть, но незначительный. Коллбидные растворы. Водные растворы крахмала и натрий хлорида внешне не отлича ются друг от друга, они бесцветны и прозрачны. Но если на каждый раствор направить пучок света, то лишь в растворе крахмала мы увидим его «путь» (рис. 15). Свет рассеивают очень боль шие молекулы этого вещества; каждая из них содержит тысячи соединенных атомов1. Подоб ное явление наблюдается при прохождении сол нечных лучей сквозь туман (рис. 16) или запы ленный воздух. В первом случае свет отражают мелкие капельки воды, во втором — пылинки.

Рис. 15. Прохождение света через раствор крахмала

Рис. 16. Солнечные лучи в лесу

Растворы, содержащ ие большие частицы растворенных веществ, скопления многих ато мов или молекул, называют коллоидными, а те, в которых находятся мельчайшие частицы веществ (отдельные атомы, молекулы, ионы), — истинными. 1О крахмале пойдет речь в § 31. 23

Это интересно Размер молекулы воды — 0,25 нм.

Размеры частиц растворенных веществ в коллоидных растворах составляют от 1 до 100 нм (1 нм = 10 9 м), тогда как в истинных растворах они не превышают 1 нм. Коллоидные растворы довольно устойчивы; частицы растворенных веществ в них длитель ное время не оседают. Одна из причин этого — наличие на их поверхности одноименных заря дов (частицы отталкиваются друг от друга и не «слипаются»). Вызвать осаждение частиц можно нагреванием коллоидного раствора или растворением в нем какой-либо соли (например, натрий хлорида). Коллоидные растворы очень распространены в живой природе. Ими являются кровь, плазма крови, межклеточные жидкости, соки растений. Общее научное название неоднородных смесей и коллоидных растворов — дисперсные системы. Значение растворов. Вещества, растворяясь в природной воде, «путешествуют* по планете, попадают на земную поверхность, участвуют в химических реакциях с образованием минера лов, компонентов почвы. Растворы поступают в растения через корни и листву, а в организмы животных и человека — вместе с пищевыми про дуктами, поставляя необходимые вещества. Химические реакции в живых организмах про текают только в водных растворах (в основном, — коллоидных). В процессе пищеварения принима ют участие слюна, желудочный сок, желчь. Вме сте с мочой и потом из организма выводятся про дукты жизнедеятельности, а иногда — и токсич ные вещества. Вода, которую мы пьем, в действительности является очень разбавленным раствором. В ней растворены ничтожно малые количества раз личных веществ1, которые придают воде едва ощутимый вкус. При наличии в природной воде некоторых веществ и ионов она может иметь лечебные свойства, восстанавливать солевой

1 Пить только чистую (дистиллированную) воду нельзя, так как организм не будет получать некоторые элементы и из него будут «вымываться» нужные вещества. 24

баланс в организме. Жидкие лекарства в основ ном являются водными растворами. Живые существа дышат кислородом, входя щим в состав воздуха. А воздух — это природ ный газовый раствор. Если бы мы дышали чистым кислородом, то процессы окисления в организме происходили очень интенсивно, а этого наш организм не выдержал бы. Без растворов не могут работать металлурги ческие и химические заводы, предприятия лег кой и пищевой промышленности, бытового обслуживания, медицинские учреждения.

вы воды Смеси веществ бывают однородными и не однородными. В однородных смесях (растворах) равномерно распределены атомы, молекулы или ионы веществ. При образовании раствора происходят физи ческие и химические явления. Химические явления обусловлены взаимодействием частиц растворенного вещества и растворителя. Процесс растворения вещества сопровожда ется выделением или поглощением теплоты. Коллоидные растворы отличаются от обыч ных (истинных) тем, что содержат очень большие молекулы или скопления частиц растворенного вещества.

9 ■

25. В пять стаканов налили небольшие порции воды. В первый стакан добавили немного глины, во второй — спирта, в третий — фрукто вого сиропа, в четвертый — керосина и в пятый — питьевой соды. Каждую смесь хорошо перемешали. В каких стаканах образовались растворы? 26. В строительстве применяют так называемый цементный раствор. Его компонентами являются цемент, песок и вода. Можно ли назы вать эту смесь раствором с научной точки зрения? Почему?

27. Какое вещество следует назвать растворителем, если раствор образуют: а) расплавленные металлы — медь массой З г и золото массой 7 г; б) вода объемом 1 л и хлороводород (газ) объемом 300 л; в) спирт массой 10 г и ацетон массой 25 г; г) вода массой 8 г и сульфатная кислота массой 92 г? Ответы обоснуйте. 28. Можно ли утверждать, что соки клубники, черной смородины явля ются растворами и содержат несколько растворенных веществ? 29. Раствор, который состоит из 100 г спирта и 10 г воды, один ученик назвал концентрированным, а другой — разбавленным. Кто, на ваш взгляд, прав? Почему? 30. Назовите частицы, которые содержатся в водном растворе пова ренной соли. 31. Какие явления происходят при растворении вещества в воде? Оха рактеризуйте каждое из них. 32. В двух сосудах без этикеток находятся вода и раствор поваренной соли. Как экспериментально различить эти жидкости, не используя других веществ или растворов? 33. Объясните, в чем состоит различие между растворением сахара в воде и цинка в хлоридной кислоте. 34. В каком случае при растворении вещества происходит: а) выделе ние теплоты; б) поглощение теплоты? Должен ли зависеть тепло вой эффект растворения вещества от его агрегатного состояния? Ответ поясните. 35. Какие растворы называют коллоидными? Чем они отличаются от истинных растворов?

ЭКСПЕРИМЕНТИРУЕМ ДОМА

Тепловой эф ф ект при р астворении ве щ е ства в воде

Насыпьте в пластмассовый стаканчик чайную ложку кальциниро ванной соды. Долейте к веществу приблизительно 10 мл воды и сразу перемешивайте смесь деревянной или пластмассовой палочкой в течение 15— 20 секунд. Взяв стаканчик в ладонь, определите, повыша ется или понижается температура смеси при растворении соединения. Аналогичный эксперимент проведите с аммиачной селитрой (мине ральное удобрение). Тепловой эф ф ект при об р азован и и кристаллогидрата

Насыпьте в пластмассовый стаканчик 2— 3 чайные ложки алеба стра. Добавьте 2 чайные ложки воды и сразу хорошо перемешайте

смесь деревянной или пластмассовой палочкой. Нагревается или охлаждается смесь веществ? Заметим, что во время эксперимента происходит превращение одного кристаллогидрата в другой: 2Са504 • Н20 + ЗН20 = 2(СаЗО„ •2Н20). алебастр гипс

Растворимость веществ

М атер и ал параграф а п о м о ж е т вам:

понять, что такое растворимость вещества: выяснить, от каких факторов зависит раствори мость веществ в воде.

Растворимость. Характеризуя физические свойства какого-либо вещества, обычно указы вают, растворяется ли оно в воде, спирте, других растворителях.

Свойство вещества образовывать с другим веществом раствор называют растворимостью. Сульфатная и нитратная кислоты, этиловый спирт, ацетон смешиваются с водой в любых соотношениях с образованием растворов. Эти вещества имеют неограниченную растворимость в воде. Но для многих других веществ существу ет предел растворения.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 3 Обнаружение ограниченной растворимости вещества в воде Налейте в пробирку 2 мл воды и растворяйте в ней калий нитрат небольшими порциями при перемешивании стеклянной 27

палочкой. Каждую порцию вещества добавляйте после полного растворения предыдущей. Зафиксируйте момент, когда раство рение соли прекращается. Оставьте пробирку со смесью веществ для следующего опыта.

Раствор, в котором при данных условиях вещество больше не растворяется, называют насыщенным (рис. 17), а тот, в котором еще можно растворить определенную порцию вещества, — ненасыщенным. ► Для каких растворимых веществ не суще ствует насыщенных растворов? Рис. 17. Насыщенный раствор калий бромата КВг03 в воде

Растворимость большинства веществ можно оценить количественно. Для этого указывают максимальную массу вещества, которая может раствориться в 100 г раствори теля при определенной температуре1. Соот ветствующую физическую величину принято обозначать буквой S (от латинского слова sol vere — растворять). Сведения о растворимости многих соединений в воде имеются в таблице, размещенной на фор заце И. Веществ, абсолютно нерастворимых в воде, не существует. Если в серебряный сосуд налить воды, то ничтожное количество металла со вре менем растворится. Полученная -серебряная» вода имеет антимикробные свойства и, в отли чие от обычной, может храниться неограничен ное время.

Способность вещества растворяться в воде зависит от его строения, т. е. от типа частиц, из которых состоит вещество, а также от внешних условий — температуры, давления. 1Для газа обычно указывают его максимальный объем, растворяю щийся в 100 г или 1 л растворителя при определенных температуре и давлении. 28

Рис. 18. Выделение пузырьков растворенного воздуха из нагретой водопроводной воды

Зависимость растворимости веществ от их строения. Большинство ионных веществ хо рошо растворяется в воде. Таким свойством обладают и вещества, которые, как и вода, состоят из полярных молекул. Вещества с неполярными молекулами, например азот N 2 , метан СН4, имеют небольшую раствори мость в воде либо нерастворимы в ней. Со вре мен алхимиков существует правило: подобное растворяется в подобном. Это правило используют и сейчас, хотя известны исключе ния из него. Зависимость растворимости веществ от температуры. Влияние температуры на раст воримость вещества большей частью опреде ляется его агрегатным состоянием. Если в стакан налить холодной водопровод ной воды и оставить в теплом месте, то «густя некоторое время на его стенках появятся пузырьки воздуха, который был растворен в воде (рис. 18). В теплой воде растворимость газов меньше, и «лишний» воздух выделяет ся из нее.

Растворимость газов в воде с повышением температуры уменьшается. Определим с помощью эксперимента, как влияет температура на растворимость твердого вещества в воде.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 4 Влияние температуры на растворимость твердого вещества Осторожно нагревайте пробирку со смесью калий нитрата и его насыщенного раствора (эта смесь осталась после лаборатор ного опыта № 3). Содержимое пробирки периодически переме шивайте. Что наблюдаете? Сделайте вывод относительно влияния температуры на растворимость калий нитрата в воде.

Растворимость большинства твердых веществ в воде с повышением температуры увеличивается. Некоторые соединения, в частности кальций гидроксид Са(ОН)2, кальций сульфат СаБО*, литий сульфат 1й28 0 4, при нагревании уменьша ют свою растворимость в воде. Зависимость растворимости вещества от темпе ратуры часто представляют графически — в виде кривой растворимости (рис. 19). На горизон тальной оси такого графика обозначают темпера туру, а на вертикальной — растворимость, т. е. максимальную массу вещества, которая раство ряется при данной температуре в 100 г воды. Точки на кривой растворимости отвечают составу насыщенных растворов, а область под кривой — ненасыщенным растворам.

Рис. 19.

Кривые растворимости некоторых солей в воде

(. °С

► Согласуется ли результат лабораторного опыта № 4 с характером кривой растворимо сти для калий нитрата? 30

► Воспользовавшись рисунком 19, определите растворимость калий нитрата при температу ре 60 °С. Зависимость растворимости газов от давле ния. Если открыть бутылку с газированным напитком, то углекислый газ, который был растворен в жидкости при повышенном давле нии, начнет из нее быстро выделяться; жид кость вспенивается. Причина этого состоит в том, что раствор попадает в условия обычного давления, при котором растворимость газа на много меньше. Растворимость газов в воде с повы ш ением д авл ен и я уве личивается. Растворимость большинства газов в воде прямо пропорциональна давлению; соответ ствующий график является прямой линией. Если давление увеличить в несколько раз, то растворимость газа в воде возрастет во столько же раз (рис. 20).

На растворимость в воде твердых и жидких веществ давление не влияет.

ВЫВОДЫ

Свойство вещества образовывать с другим веществом раствор называют растворимостью. Большинство веществ имеет ограниченную растворимость в воде. Ее выражают максималь 31

ной массой вещества, которая может раство риться при определенной температуре (для газов — еще и при определенном давлении) в 100 г воды. Раствор, в котором содержится мак симально возможное количество растворенного вещества, называют насыщенным. Растворимость большинства твердых веществ в воде с повышением температуры возрастает, а от давления не зависит. Газы увеличивают растворимость в воде с понижением температу ры и повышением давления.

9 ■

36. Что такое растворимость вещества? От каких факторов зависит растворимость веществ в воде? 37. После постепенного добавления в воду нескольких порций соли образовалась неоднородная смесь. Что представляет собой жид кость над кристаллами соли? Как превратить эту смесь о однород ную, т. е. в раствор? 38. Предложите эксперимент, с помощью которого можно различить насыщенный и ненасыщенный растворы натрий хлорида. 39. Определите растворимость литий хлорида при температуре 40 °С, воспользовавшись кривой растворимости соединения (рис. 19). 40. В 10 мл воды при 20 °С растворили 20 г аргентум нитрата AgN0з. Какой раствор был приготовлен — разбавленный или концентри рованный, насыщенный или ненасыщенный? Для ответа восполь зуйтесь кривой растворимости соединения (рис. 19). 41. Какой объем азота растворяется при нормальных условиях в 1 л воды, если растворимость газа в этих условиях составляет 2,8 мг в 100 г воды? 42. В 20 г воды при 80 °С растворили 22 г калий карбоната К2С03. Растворится ли в приготовленном растворе при указанной темпе ратуре дополнительная порция соединения? Если да, то вычислите ее максимальную массу. Воспользуйтесь кривой растворимости соединения (рис. 19). 43. По кривой растворимости (рис. 19) определите: а) минимальную массу воды, в которой растворится калий нитрат К1Ч03 массой 20 г при 70 °С; б) максимальную массу калий нитрата, которую можно растворить в 80 г воды при 50 °С.

44. Какая масса натрий иодида выделился из 100 г насыщенного при 70 °С раствора соединения после охлаждения его до 10 °С? Вос пользуйтесь кривой растворимости натрий иодида (рис. 19).

45. Постройте в тетради кривую растворимости для калий хлорида по таким данным: Г, °С Б (масса КСІ в граммах /100 г воды)

27,6

34,0

40,0

60 45,5

80 51.1

Составьте условие задачи с использованием кривой растворимо сти соединения.

ЭКСПЕРИМЕНТИРУЕМ ДОМА

С р авнение растворим ости вещ еств в воде

Насыпьте в небольшой стакан полную чайную ложку сахара, а в дру гой стакан — столько же соли. (Будем считать, что чайная ложка содержит одинаковые массы этих веществ.) Добавляйте но очереди в каждый стакан по столовой ложке воды, перемешивая смеси. Какое вещество растворилось первым? Что лучше растворяется в воде — сахар или соль?

ВНЕУРОЧНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Вы ращ ивание кристаллов м едного купороса1

Приготовьте насыщенный раствор медного купороса. Для этого насыпьте в стеклянный сосуд чайную ложку соединения и доливайте небольшими порциями, постоянно перемешивая, горячую воду до растворения кристаллов. В случае необходимости горячий раствор профильтруйте. Накройте сосуд листом бумаги и оставьте раствор охлаждаться до комнатной температуры. На следующий день вы увидите на дне сосуда кристаллы вещества; над ними будет насыщенный раствор. Достаньте пластмассовым пин цетом кристалл правильной формы, без дефектов, и положите его на

1 Можно также выращивать кристаллы алюмокалиевых квасцов КА1(804)2 12Н20.

бумагу. Слейте насыщенный раствор с оставшихся кристаллов в другой сосуд и осторожно положите на дно этого сосуда отобранный кристалл. Его можно подве сить на тонкой нити (рис. 21). Сосуд ничем не накрывайте и оставьте на несколько дней. Вода будет постепенно испаряться из насыщенного раствора, на дне стакана появятся новые кристаллы вещества и вырастет тот. который был помещен в раствор. Удаляя мелкие кристаллы и переворачивая отобранный на разные грани для равномерного роста (делайте это с интервалом в несколько дней), можно вырастить красивый кристалл величиной в несколько сантиметров. Периодически добавляйте в сосуд новые порции холодного насыщенного раствора

Рис. 21.

Выращивание кристалла медного купороса из насыщенного раствора

соединения.

Если мелкие кристаллы из сосуда не удалять, то образуются друзы — группы кристаллов, сросшихся друг с другом (рис. 22 ).

Рис. 22.

Друзы кристаллов различных солей

Количественный состав раствора. Массовая доля растворенного вещества Материал параграфа поможет вам: выяснить, что такое массовая доля растворенно го вещества; научиться вычислять массовую долю растворен ного вещества.

Человек использует в своей жизни много растворов. Среди них — спиртовый раствор иода, водные растворы аммиака и перекиси 34

водорода, столовый уксус и уксусная эссенция (рис. 23). Обратите внимание на этикетки, имею щиеся на бутылках с этими растворами. Вы заме тите возле названия растворенного вещества цифру и знак процента (%). Это — значение мас совой доли растворенного вещества в растворе. Оно соответствует массе вещества ( в граммах), которая содержится в 100 г раствора.

Рис. 23.

Водные растворы, используемые

ь быту

Столовый уксус является водным раствором уксусной кислоты. Согласно этикетке на бутыл ке1, в каждых 100 г уксуса содержится 9 г уксус ной кислоты. Масса воды в 100 г уксуса состав ляет 100 г - 9 г = 91 г. ► Назовите массу растворенного вещества и массу воды, которые содержатся в 1 0 0 г каждо го из растворов, приведенных на рисунке 23.

и<р. в-ва)

Для обозначения массовой доли растворенно го вещества в растворе, как и массовой доли элемента в соединении, используют латинскую букву и>(дубль-ве). Вам известно, что массовую долю выражают не только в процентах, но и положительным числом, которое меньше единицы. Формула для вычисления массовой доли растворенного вещества в растворе: т (р . в-ва) т(р. в-ва) (• 1 0 0 %) = (• 1 0 0 %), т(р-ра) т(р. в-ва) + т(р-ля) где т (р . в-ва) — масса растворенного вещества, т(р-ра) — масса раствора, т(р-ля) — масса растворителя.

' Если растворителем является вода, то на этикетках обычно не указывают слова «водный раствор». 35

Массовая доля растворенного вещества в растворе — это| отношение массы вещества к массе раствора. Решение задач. В повседневной жизни (напри мер, при консервировании) нередко возникает необходимость приготовить водный раствор с определенной массовой долей растворенного вещества. Для этого обычно используют вещество и воду. Иногда разбавляют водой концентриро ванный раствор вещества, в частности уксусную эссенцию. В любом случае перед приготовлением раствора проводят необходимые расчеты. Рассмотрим, как решают задачи на вычисле ние массовой доли растворенного вещества в растворе, а также задачи, в которых используют эту величину. Один из способов решения осно ван на составлении пропорции, другой пред полагает расчет по соответствующей математи ческой формуле. ЗАДАЧА 1. В 144 г воды растворили 6 г щелочи. Рассчитать массовую долю щелочи в растворе. Дано:

Решение

1-й способ т(воды) —144 г 1. Находим массу раствора: т(щел.) = 6 г т(р-ра) = т (Н 20 ) + т(щ ел.) = «(вдел.) — ? = 144 г + 6 г = 150 г. 2. Определяем массу щелочи, которая содержит ся в 100 г раствора. Для этого составляем про порцию и решаем ее: в 150 г раствора содержится 6 г щелочи, в 1 0 0 г раствора — х г щелочи; ж - т ^ е л .Н - ^ - Ш г = 4 г. 150 г Отсюда и(щел.) = 4 %, или 0,04. 2-й способ Вычисляем массовую долю щелочи в растворе по соответствующей формуле: т(щ ел.)____________ 6 г и<щел.)= . . . . т(щ ел.) + т(воды) ( 6 + 144) г = 0,04,

или 0 ,0 4 -1 0 0 % = 4 %. О тв ет:

н>(щел.) = 0 ,0 4 , и л и 4 % .

ЗАДАЧА 2. Какие массы соли и воды нужно взять для приготовления 400 г раствора соли с массовой долей растворенного веще ства 0,2? Дано:

Решение

т(рра) = 400 г н<соли) —0 , 2

1. Вычисляем массу соли, воспользовавшись формулой для массовой доли растворенного вещества: т<соли) . и<соли)= т(р-ра) ’ т(соли) —в<соли) • т(р-ра) = = 0,2 • 400 г —80 г. 2. Находим массу воды: т(воды) = т(р-ра) - т(соли)« = 400 г - 80 г = 320 г.

т(соли) — ? т ( воды) — ?

О тв ет: т ( с о л и ) = 8 0

г, т ( в о д ы )

= 3 2 0 г.

ЗАДАЧА 3. К 200 г водного раствора сахара с массовой долей растворен ного вещества 10 % добавили 50 г воды. Вычислить массо вую долю сахара в образовавшемся растворе. Дано:

т(р-ра) = 2 0 0 г »<сах.) = 1 0 %, или 0 , 1 т(воды) = 50 г

Решение

Условие задачи проиллюстрируем рисунком:

У'

т (Н О )-

50г

»,(сах.) — ?

□

т(р-ра) = 200 г и<сах.) ■= 10 %

м'ясах.) —?

1. Вычисляем массу сахара в 200 г раствора: т(сах.) —в<сах.) • т(р-ра) = = 0 , 1 - 2 0 0 г = 2 0 г. 2. Находим массу образовавшегося раствора: т(обр. р-ра) = т(р-ра) + т(воды) = = 200 г + 50 г = 250 г. 3. Рассчитываем массовую долю сахара в образо вавшемся растворе по соответствующей фор муле: т(сах.) 20 г „ „„ »>,(сах.) = -------------------—--------- —0,08, т(обр. р-ра) 250 г или 0,08-100% = 8 %. О тв ет:

и>1(с а х .) = 0 ,0 8 , и ли 8 % . 37

ЗАДАЧА 4. Какой объем воды нужно добавить к 45 г уксусной эссенции (раствор с массовой долей уксусной кислоты 80 %), чтобы приготовить 9 %-й р а с т в о р уксусной кислоты? Дано:

Решение

т (8 0 %-го р-ра) —45 г и{к-ты) = 80 % и ,(к-ты) = 9 %

1. Рассчитываем массу уксусной кислоты в 45 г уксусной эссенции: т(к-ты) = н/к-ты) • т(р-ра) = 0,8 • 45 г = 36 г. 2. Вычисляем массу 9 %-го раствора, в котором будут находиться 36 г кислоты: в 100 г раствора содержится 9 г кислоты, в а: г раствора — 36 г кислоты; 36 г 100% ■400 г. х = т(9 %-го р-ра) = 9% 3. Рассчитываем массу воды, которую нужно добавить к уксусной эссенции: т(воды) = т (9 %-го р-ра) - т (8 0 %-го р-ра) = = 400 г - 4 5 г = 355 г.

Р(воды) — ?

4. Н аходим объем воды:

Р(воды) = Ответ: ЗАДАЧА

т(воды) р(воды)

355 г >355 мл. г/мл

Ц в о д ы ) = 3 5 5 мл.

Какие массы медного купороса Си504 ■ 5Н20 и воды необхо димо взять для приготовления 200 г раствора с массовой долей купрум(П) сульфата Си304 0,05?

Дано:

Решение

т( р-ра) = 2 0 0 г и(Си£>04) = 0,05

1. Находим массу купрум(Н) сульфата, которая будет находиться в 2 0 0 г раствора: т(Си!304) = и>(Си£504) • т(р-ра) = = 0,05 • 200 г - 10 г. 2. Вычисляем массу медного купороса, в которой содержатся 10 г СиБ04: М(Сив04) = 1 6 0 г/моль; М(Сив04 • 5Н20) = 250 г/моль; 160 г СиБ04 содержатся в 250 г СиБ04 • 5Н20 , 10 г СиБ04 — в г г СиБ04 • 5Н20; х - т(Си804 • 5Н20 ) = 1 0 г ~250 г = 1 5 6 г 4 160 г 3. Рассчитываем массу воды: т(воды) = т(р-ра) - т(СиВ0 4 • 5Н20 ) = = 200 г - 1 5 ,6 г = 1 8 4 ,4 г.

т(СиБ0 4 • ■5Н20 ) — ? т( воды) — ?

О тв е т:

т ( С и Э 0 4 ■5НгО ) = 1 5 ,6 г; т ( в о д ы ) = 1 8 4 ,4 г.

Состав раствора, образованного двумя жид костями, часто представляют соотношением их объемов. В химической лаборатории на бутыл ках с растворами кислот можно увидеть надпи си *1:2 »*, « 1 : 4». Они свидетельствуют о том, что растворы приготовлены смешиванием одного объема кислоты с двумя или четырьмя объема ми воды.

выводы

Количественный состав раствора характери зуют массовой долей растворенного вещества. Массовая доля растворенного вещества явля ется отношением массы вещества к массе раствора. Значение массовой доли, выраженное в процентах, численно равно массе растворен ного вещества (в граммах), которая содержится в 1 0 0 г раствора.

9■ 46. Как вы понимаете термин «количественный состав раствора»? 47. Что такое массовая доля растворенного вещества? Имеет ли раз мерность эта величина? 48. Какая масса вещества содержится в 300 г его раствора с массо вой долей вещества 0,02? (Устно.) 49. Порцию сахара массой 50 г растворили в 200 г воды. Вычислите массовую долю сахара в приготовленном растворе. (Устно.) 50. Сделайте (устно) соответствующие расчеты и заполните таблицу: т(р-ра). г 400 500

т(р . в-ва), г

т(воды), г

и<р. в-ва). %

8 460

51. В какой массе воды необходимо растворить 6 г калий нитрата, чтобы приготовить раствор с массовой долей растворенного веще ства 0,05? 52. Раствор натрий хлорида с массовой долей соли 0,9 % (так называ емый физиологический раствор) используют в медицине. Какую 39

массу соли и какой объем дистиллированной воды нужно взять для приготовления 2 кг такого раствора? 53.

К 200 г раствора соли с ее массовой долей 0.2 сначала добавили 30 мл воды, а затем растворили еще 20 г соли. Вычислите массо вую долю соли в полученном растворе.

54. Составьте условие задачи, отвечающее приведенным рисункам, и решите ее.

Вода (V = 60 мл)

Натрий хлорид ( т = 10 г)

Раствор 1

Раствор 2 ( т = 40 г)

55. Какая масса натрий гидроксида содержится в 20 мл раствора с массовой долей щелочи 32 %, если плотность раствора составляет 1,25 г/см3? 56. Кристаллогидрат и 2304 • Н20 массой 16 г растворили в 94 г воды. Вычислите массовую долю литий сульфата и 2Э0 4 в приготовлен ном растворе. 57. По кривой растворимости купрум(П) сульфата (рис. 19) определите массовую долю соли в ее насыщенном растворе при 60 °С.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1 П р и го то в л е н и е в о д н ого р а с тв о р а соли с определенной м ассовой долей р аство р ен н ого вещ ества

ВАРИАНТ I Задание. Приготовить 40 г водного раствора калий хлорида с массовой долей соли 0,05. ВАРИАНТ II Задание. Приготовить водный раствор натрий нитрата с мас совой долей соли 4 % из 2 г соединения. Перед выполнением работы сделайте необходимые расчеты. Их результаты, а также исходные данные запишите в таблицу: 40

Вариант т(р-ра), г и<соли) т(солн), г т(воды), г К(воды), мл Для приготовления водного раствора соли необходимо взять: т(солп) = ... г, К(воды) = ... мл Взвесьте на весах необходимую массу соли (рис. 24) и поместите ее в химический стакан (колбу). Наберите в мерный цилиндр рассчи танный объем воды и вылейте в сосуд с солью. Перемешивайте смесь до полного растворения соли. При необходимости раствор профильт руйте. Рис. 24

Порция соли, взвешенная на электронных весах

9 ■

58. Как из 5 г медного купороса приготовить водный раствор, в котором массовая доля купрум(П) сульфата составит 8 %? 59. Ученик, выполняя вариант I практической работы, вместо 40 г раствора с массовой долей калий хлорида 0,05 приготовил такую же массу 4 %-го раствора. Какую массу соли необходимо доба вить в этот раствор, чтобы ее массовая доля стала равной 0,05? 60. Ученик, выполняя вариант II практической работы, вместо 4 %-го раствора приготовил из 2 г натрий нитрата раствор с массовой долей соли 0.05. Как ему исправить свою ошибку, используя приготовленный раствор?

Электролиты и неэлектролиты Материал параграфа поможет вам: > понять, почему растворы и расплавы некоторых веществ проводят электрический ток; >- узнать о том, как можно обнаружить ионы в растворе. 41

Общеизвестно, что металлы проводят электри ческий ток. Такое их свойство обусловлено нали чием в металлах электронов, которые не удержи ваются «своими» атомами и свободно перемеща ются в веществе. Если соединить металлическую проволоку или пластину с батарейкой (аккуму лятором), то эти электроны начнут перемещать ся к положительно заряженному полюсу бата рейки. В веществе возникнет электрический ток. Соли, основания, основные и амфотерные оксиды содержат заряженные частицы иного типа — ионы. Выясним с помощью эксперимента, способны ли вещества ионного строения прово дить электрический ток. Перед проведением опытов соберем прибор, состоящий из стакана, двух электродов1, лампоч ки и батарейки (рис. 25). Будем погружать элек троды в твердые вещества, их расплавы, водные растворы. Обнаружим, что лампочка горит лишь тогда, когда электроды находятся в жидкости — расплаве или растворе ионною вещества (рис. 26).

Рис. 25.

Рис. 26.

Прибор для исследования электропроводности веществ, растворов, расплавов

Обнаружение способности водных растворов и воды проводить электрический ток

Объясним результаты опытов. В твердом веществе ионы соединены друг с другом. Поэтому вещество не проводит электри ческий ток. В жидкости (расплаве, растворе) ионы движутся хаотически (рис. 27). Если в нее погрузить электроды, соединенные с источником 1 Электродом может служить стержень или пластина из электро проводящего материала — металла или графита.

постоянного тока, движение ионов станет напра вленным. Положительно заряженные ионы (катионы) будут перемещаться к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицатель но заряженные (анионы) — к положительно заряженному электроду (аноду) (рис. 28). катод (-) *ч

\ — ► + т

- +

Э / «- + —

Рис. 27. Хаотическое движение ионов в расплаве или растворе ионного соединения

анод (+)

-► *"+

«- + <-+ <-+

Рис 28. Направленное движение ионов к электродам в расплаве или растворе ионного соединения

Электропроводными являются не только рас плавы и водные растворы ионных веществ, но и водные растворы некоторых молекулярных веществ — кислот. Причина состоит в том, что во время растворения кислоты в воде часть ее молекул разрушается с образованием ионов. Этот процесс рассмотрим в следующем пара графе.

Соединения, водные растворы и расплавы которых про водят электрический ток, называют элект ролит ами1. Электролиты (в водном растворе): соли, щелочи, кислоты 1

Общее название веществ, растворы и расплавы которых не проводят ток, — неэлектролиты. К ним относятся многие молекулярные вещества, а также все вещества атомного строения. Значительный вклад в исследование электро проводности водных растворов сделал в начале XIX в. английский ученый Майкл Фарадей.

Термин происходит от греческого слова 1уЮ8 — разлагаемый. 43

Майкл Фарадей (1791— 1867) Выдающийся английский физик и химик, член Лондонского королевского общества (Английской академии наук), почетный член Петербургской академии наук. Открыл зако ны, устанавливающие зависимость между количеством электричества и массами ве ществ, разлагающихся или образующихся при действии электрического тока (1833— 1834). Усовершенствовал способ сжижения г а з о в и получил в жидком состоянии хлор, сероводород, аммиак, карбон(1У) оксид, нитроген(1У) оксид. Одним из пер в ы х на чал и з у ч а т ь реакции, происходящие в присут ствии катализаторов. Выполнил фундамен тальные исследования по электричеству, магнетизму, сделал немало открытий в физи ке. Не имел в ы с ш е го образования.

Электролиты (в расплав ленном состоянии): соли, щелочи, ионные оксиды

То, что ионы в растворе движутся к электро дам, соединенным с батарейкой, можно дока зать с помощью такого эксперимента. Лист фильтровальной бумаги помещают на стеклян ную или полимерную пластину и смачивают бес цветным раствором электролита (например, натрий хлорида). Затем в центр листа наносят несколько капель раствора соли, которая содер жит окрашенные катионы (купрум(Н) сульфат СивО.,, никель(И) сульфат ШвО,,, кобальт нитрат Со(М03)2, феррум(Ш) хлорид ГеС13) или анионы (калий перманганат КМп04, калий дихромат К2Сг20 7). На бумагу с обеих сторон от центра кладут два электрода и соединяют их проволочками с бата рейкой (рис. 29). Цветное пятно начинает смещаться к одному из электродов.

Опыт по обнаружению движения ионов в растворе к электродам

►к какому электроду — положительно или отрицательно заряженному —

будут перемещаться катионы Си2', Ж2', Со2', Ге3', анионы Мп04, Сг20 2 ?

ВЫВОДЫ

Соединения, водные растворы и расплавы которых проводят электрический ток, называ ют электролитами. К электролитам относятся все ионные вещества — щелочи, соли, основные и амфотерные оксиды, а также часть молеку лярных веществ — кислоты (они проводят ток только в водном растворе). Другие вещества являются неэлектролитами.

9■ 61. Какие вещества в твердом состоянии проводят электрический ток? Назовите частицы, которые обуславливают электропровод ность этих веществ. 62. Какие вещества называют электролитами? Приведите несколько примеров. 63. Объясните, почему водный раствор натрий хлорида проводит элек трический ток. 64. Назовите все классы соединений, которые являются электроли тами: а) только в водных растворах: б) в водных растворах и в жидком (расплавленном) состоянии. 65. Водопроводная вода, в отличие от дистиллированной, проводит электрический ток. Как это объяснить?

66 . Электропроводность какой воды выше — морской или речной? Почему? 67. В списке веществ укажите те, которые проводят электрический ток в жидком (расплавленном) состоянии: барий оксид, сера, хлороводород, магний хлорид, калий гидроксид, сульфур(\/1) оксид. Объяс ните свой выбор.

68 . Рассчитайте суммарное число ионов: а) в 11,7 г натрий хлорида; б) в 20,4 г алюминий оксида; в) в 41 г кальций нитрата. 45

Электролитическая диссоциация М а те р и а л па р а гр а ф а п о м о ж е т вам :

выяснить, какой процесс называют электролити ческой диссоциацией: понять, как образуются ионы в растворах кислот; узнать о ступенчатой диссоциации кислот: выяснить причину изменения окраски индикато ров в водных растворах кислот и щелочей.

Способность растворов или расплавов неко торых веществ проводить электрический ток обусловлена наличием ионов в этих жидкостях.

Распад вещества на ионы при его растворении или плав лении называют электролитической диссоциацией1. Теорию электролитической диссоциации веществ в растворах создал шведский ученый Сванте-Август Аррениус в 1887 году. Вы уже знаете, что вещества, которые распа даются в растворе или расплаве на ионы, назы вают электролитами. Среди них есть соединения ионного и молекулярного строения. Электролитическая диссоциация ионных веществ. О сути процесса растворения ионного вещества в воде шла речь в § 4. Молекулы воды благодаря электростатическому взаимодей ствию с ионами, расположенными на поверхно сти кристаллов, постепенно извлекают эти частицы из вещества (рис. 12). Кристаллы раз рушаются, вещество растворяется. Оставаясь соединенными с молекулами воды, катионы и анионы электролита вместе с другими молеку лами воды образуют раствор. Электролитическую диссоциацию вещества, как и химическую реакцию, можно отобразить 1

Термин происходит от латинского слова бгваосгаНо — разъединение.

Выдающийся шведский ученый, академик Коро академии наук Швеции, почетный член Петербургской академии, академий наук СССР и многих других стран. Один из основателей физи ческой химии. Сделал значительный вклад в исследования растворов и химических реакций. Автор теории электролитической диссоциации (1887), за создание которой ученому была при суждена Нобелевская премия (1903). Объяснил зависимость скорости реакции от температуры, выдвинув представление об «активных молеку лах• (1889). Математическая формула это й зависимости названа уравнением Аррениуса. Автор многих научных работ по химии, биологии, геологии, физике. л ев ско й

с помощью химического уравнения. Запишем уравнения электролитической диссоциации натрий хлорида и алюминий сульфата в водном растворе: N801 = N8 * + СГ; А12(8 0 4»3 = 2А13* + ЗБ042\ Водные растворы солей содержат ионы, из которых состоят эти вещества.

Соли — электролиты, которые диссоциируют в водных растворах или расплавах на катионы металлических элементов и анионы кислотных остатков. В водных растворах щелочей содержатся катионы металлических элементов и гидроксидионы ОН". Уравнения электролитической диссо циации калий гидроксида и барий гидроксида:

кон =к* +он-; Ва(ОН)2 = Ва2* + 2 0 Н \

Основании — электролиты, которые диссоциируют в вод ных растворах или расплавах с образованием анионов одного типа — гидроксид-ионов ОН'. 47

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 5 О б н а р у ж е н и е г и д р о к с и д -и о н о в в р а с тв о р а х щ елочей с п о м о щ ь ю и н д и к а то р а

В двух пробирках находятся разбавленные растворы натрий гидроксида и барий гидроксида. Нанесите с помощью пипетки или стеклянной палочки каплю раствора из каждой пробирки на полоску универсальной индикаторной бумаги'. Что наблю даете? Сделайте соответствующий вывод.

Наличие гидроксид-ионов в водных растворах щелочей обуславливает общие химические свой ства этих соединений. Так, щелочи одинаково действуют на определенный индикатор: фенол фталеин окрашивается в малиновый цвет, метил оранж — в желтый, лакмус — в синий, универ сальный индикатор — в сине-зеленый. Таким образом, с помощью индикатора можно обнару жить в водном растворе щелочи ионы ОН , но не само вещество. Нерастворимые основания на индикаторы не действуют. В химии часто используют словосочетание «щелочная среда». Оно указывает на присут ствие в растворе гидроксид-ионов. Электролитическая диссоциация молекуляр ных веществ. В электролитах молекулярного строения — кислотах — ионы отсутствуют. Они образуются только при растворении веществ в воде. Рассмотрим, как происходит этот процесс в водном растворе хлороводорода НС1 — хлоридной кислоте. В молекуле НС1 существует полярная кова лентная связь. Общая электронная пара смеще на к более электроотрицательному атому Хлора (Н '.С1). На атоме Хлора сосредотачивается небольшой отрицательный заряд (8 -), а на атоме1 1

Учитель может предложить другой индикатор.

Э то и н т е р е с н о

Заряд на атоме Гндрогена в молекуле НС1 равен + 0 , 2 , а на атоме Хлора -0 ,2 .

Гидрогена — положительный заряд (8 +). Таким образом, молекула хлороводорода является 8+ 5-

диполем: Н-С1. При растворении хлороводорода молекулы НС1 и Н20 притягиваются друг к другу своими противоположно заряженными частями (рис. 30). Вследствие этого ковалентные связи во многих молекулах НС1 разрываются, и они распадают ся, но не на атомы, а на ионы. Общая электрон ная пара, которая была смещена к атому Хлора, при разрушении молекулы НС1 переходит в его ♦собственность*; атом Хлора превращается в ион СГ. Атом Гидрогена теряет свой единствен ный электрон и становится ионом Н \ Образо вавшиеся ионы остаются окруженными молеку лами воды, т. е. гидратированными.

— молекула-диполь воды

Рис. 30.

Образование ионов из молекулы НС1 в водном растворе

Некоторые ионы и СГ вследствие электро статического притяжения снова соединяются в молекулы. Поэтому уравнение электролитичес кой диссоциации хлороводорода в водном раст воре имеет такой вид1:

НС1++1Г +СГ. Знак обратимости *+ указывает на одновремен ное протекание двух процессов — прямого (слева направо) и обратного (справа налево). Эти процессы при неизменных концентрации раство-1 1 Участие воды в процессе электролитической диссоциации можно проиллюстрировать такой схемой: НС1 + лН20*+ Н" • Н20 + С1 ■(л - 1)Н20.

ра и температуре происходят с одинаковой ско ростью. Поэтому число молекул и ионов в раство ре со временем не изменяется. В хлоридной кислоте и водных растворах дру гих кислот содержатся, кроме молекул воды, катионы Гидрогена Н+, анионы кислотных остатков, а также молекулы кислот.

Кислоты — электролиты, которые диссоциируют в вод ных растворах с образованием катионов одного типа — ионов Гидрогена Н‘. Наличие ионов Н+ в водных растворах обуслав ливает общие химические свойства кислот, например, одинаковое действие на индикатор.

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 6 О б н а р у ж е н и е к а т и о н о в Г и д р о ге н а в р а с т в о р а х к и с л о т с п о м о щ ь ю и н д и к а то р а

В двух пробирках находятся разбавленные хлоридная и суль фатная кислоты. Нанесите с помощью пипетки или стеклянной палочки каплю раствора из каждой пробирки на полоску уни версальной индикаторной бумаги1. Что наблюдаете? Сделайте соответствующий вывод. Таким образом, с помощью индикатора можно обнаружить в водном растворе ионы Н+, но не определенную кислоту. Нерастворимые кислоты на индикаторы не действуют. Выражение «кислая среда* означает, что в растворе присутствуют катионы Гидрогена. Диссоциация многооснбвных кислот имеет ступенчатый характер; она происходит в не сколько стадий. Рассмотрим этот процесс на примере трехосновной ортофосфатной кислоты Н3Р 04. Молекула этой кислоты содержит три атома Гидрогена. Сначала от молекулы отделя ется один из них, превращаясь в ион Н+: 1

Учитель может предложить другой индикатор.

Н3Р 0 4 Н* + Н2Р 04; (1-я стадия) затем, уже от иона Н2Р 04, — второй: Н2Р 04"<=>Н‘ + НР04 ; (2-я стадия) и, наконец, — третий (от иона НРО| ): НР0 4 Н* + Р 04 . (3-я стадия) Обратите внимание: заряд иона в левой части второго (или третьего) уравнения равен сумме зарядов ионов в правой части. На каждой стадии диссоциирует только часть молекул или ионов. Водный раствор ортофос фатной кислоты содержит, кроме молекул воды, молекулы Н3Р 0 4, катионы Гидрогена и различ ное количество анионов трех видов. ► Из скольких стадий состоит процесс диссоци ации сульфатной кислоты? Напишите соот ветствующие уравнения. Щелочи и соли, в отличие от кислот, диссоци ируют не ступенчато [Ва(ОН) 2 ВаОН+ + 0Н “; ВаОН+ Ва2+ + ОН ], а в одну стадию и полно стью: Ва(ОН)2 = Ва2* + 20Н -. В раствор переходят ионы, из которых состоят эти соединения. Названия ионов. Название каждого иона состоит из двух слов. Почти все катионы являются простыми (одноатомными)1. Их образуют металлические элементы, а также Гидроген. Первое слово в названии катиона — «ион* (или «катион»), а второе — название элемента в родительном падеже: Иа* — ион Натрия; Н1 — катион Гидрогена2; Ге3> — ион Феррума(Ш).12 Существуют и сложные катионы, например ион аммония ЫН4. Название «ион Гидрогена* неоднозначно, так как Гидроген — единственный элемент, образующий и катион, и анион. В то же время название «ион Натрия» соответствует только катиону; Натрий как металлический элемент анионов не образует. 1

Э то и н те р е сн о

Известны простые анионы, содержащие по два или три одинаковых атома, —

ог, бГ, N3.

Примеры соответствую щих ионных соединений: Ва02, N 8 3 8 3 , РЬ(К3)2.

Анионы бывают простыми и сложными. Про стые анионы образуют только неметаллические элементы. Один из вариантов составления на звания простого аниона — такой же, как и для катиона: СГ — ион Хлора; Н — анион Гидрогена. В другом варианте первое слово названия аниона состоит из корня названия элемента и суффикса «ид*; второе слово «ион* пишут после дефиса: СГ — хлорид-ион; Н — гидрид-ион; О2- — оксид-ион; в2" — сульфид-ион. Названия сложных (многоатомных) анионов происходят от химических названий соответ ствующих кислот: БО!- — сульфит-ион; Н2Р 0 4 — дигидрогенортофосфат-ион. Название аниона ОН" — гидроксид-ион.

ВЫВОДЫ

Распад вещества на ионы при его растворении или плавлении называют электролитической диссоциацией. В случае растворения ионного вещества (щелочи, соли) этот процесс заключа ется в переходе ионов из вещества в раствор. Электролитическая диссоциация молекулярно го вещества (кислоты) происходит вследствие распада молекул на ионы. Соли диссоциируют на катионы металличе ских элементов и анионы кислотных остатков, основания — с образованием гидроксид-ионов, а кислоты — с образованием катионов Гидрогена. Не все молекулы кислоты распадаются в растворе на ионы. Электролитическая диссо циация многооснбвных кислот происходит в не сколько стадий. Индикаторы обнаруживают в растворе ионы ОН" и Н+, но не конкретное вещество — щелочь или кислоту. 52

9■ 69. Дайте определение соли, щелочи и кислоты как электролитов. 70. Могут ли быть электролитами простые вещества? Ответ обоснуйте. 71. Составьте формулу соли и запишите уравнение ее электролити ческой диссоциации, если в растворе соединения присутствуют такие ионы: а) К* и С0|~; б) Ре3' и N0^; в) Mg2* и СГ. 72. Запишите уравнения электролитической диссоциации в водном растворе соединений с такими формулами: ЫОН, НМ03, Си304, Ыа2Б, К3Р04. Назовите ионы, которые образуются при диссоци ации каждого соединения. 73. Какая кислота диссоциирует ступенчато — НВг, Н23 или НИ02? Напишите уравнения ее электролитической диссоциации. 74. Почему, на ваш взгляд, кальций хлорид диссоциирует в одну стадию и полностью (СаС12 = Са2* + 2СГ), а не ступенчато — в две стадии? 75. Рассчитайте число катионов и число анионов в растворе, содержа щем 2,9 г калий сульфата. 76. По данным химического анализа в 1 л минеральной воды содер жится 60 мг ионов Са2* и 36 мг ионов Mg2*. Сопоставьте количе ства этих ионов (попробуйте это сделать на основании устных вычислений) и выберите правильный ответ: а) ионов Са2* и Mg2* — одинаковое количество: б) ионов Са2* больше, чем ионов Mg2*; в) ионов Mg2* больше, чем ионов Са2*. 77. Газ хлороводород объемом 560 мл (н. у.) растворили в 100 мл воды. Предположив, что соединение диссоциирует полностью, рас считайте массовые доли ионов в растворе. 78. В 800 г воды растворили 1 моль натрий сульфата и 2 моль натрий гидроксида. Вычислите массовую долю каждого иона в растворе.

Степень электролитической диссоциации. Вода как электролит Материал параграфа поможет вам: выяснить, что называют степенью электролити ческой диссоциации; > понять, как происходит электролитическая дис социация воды. 53

Степень электролитической диссоциации. Ионные вещества диссоциируют в водном растворе полностью, а молекулярные — частич но. Во втором случае для количественной харак теристики этого процесса используют величину, которую называют степенью электролитичес кой диссоциации. (Для упрощения второе слово в названии термина далее указывать не будем.)

Степень диссоциации — это отношение числа молекул электролита, распавшихся на ионы, к общему числу его молекул до диссоциации. Степень диссоциации обозначают греческой буквой а (альфа). Эту физическую величину выражают долей от единицы или в процентах: _ ЛГ(дис.) . 1У(дис.) 1 0 0 %. “ ЛГ(общ.) ’ “ /«/(общ.) В приведенных формулах # ( дис.) — число молекул электролита, распавшихся на ионы; Л^общ.) — число молекул электролита до диссо циации. Интервалы значений степени диссоциации: 0 < а < 1 , или 0 % < а < 1 0 0 %. Чему равна степень диссоциации фторидной кислоты в растворе, если из каждых восьми молекул НГ одна распалась на ионы? В приведенных выше формулах число продиссоциировавших молекул можно заменить числом образовавшихся катионов или анионов. Учитывая, например, что каждая молекула нитратной кислоты при диссоциации дает один ион Н* и один ион N0^ 1Ш0 3 ^ Н* + К 03, получаем: * (дис-> = - Т О _ = Т О Ю . . 3 ЛЧобщ.) /Добщ.) Щобщ.) В формулу для степени диссоциации можно записать и количество вещества электролита (то, которое продиссоциировало, — в числителе, и общее, т. е. до диссоциации, — в знаменателе): а (Н Ж )з) -

п(дис.) (■ 1 0 0 %). п(общ.)

► Обоснуйте эту формулу. ЗАДАЧА В растворе кислоты НА на каждую пару ионов Н' и А приходится четыре молекулы соединения. Вычислить степень диссоциации кислоты. Решение

Дано:

Л'(Н') =

ЩА) =

ЛГ(НА) -- 4 «(НА) - ?

1 Пара ионов (Н* и А ) образовалась из одной

молекулы кислоты:*4 НА = Н* + А“. Значит, до диссоциации молекул кислоты НА было 4 + 1 = 5.

Вычисляем степень диссоциации кислоты: Лг(общ.) 5 или 0 ,2 -1 0 0 % - 20 %. Ответ: а(НА) = 0,2, или 20 %.

Слабые и сильные электролиты. Если значе ние степени диссоциации равно, например, 0,01 или 0,001 (1 % или 0,1 %), то соединение незна чительно распадается на ионы в растворе. Его называют слабым электролитом. Если же зна чение а приближается к единице, или к 100 % (составляет, скажем, 90 % или 99 %), то соеди нение почти полностью диссоциирует. Это — сильный электролит. Вам известно, что ионные вещества — щелочи и соли — находятся в растворах только в виде соответствующих ионов. Для этих соединений а = 1 (100 %), и все они относятся к сильным электролитам. Что касается кислот (молекулярных веществ), то некоторые из них распадаются на ионы в растворах почти полностью, а другие — незна чительно. Первые называют сильными кислота ми, вторые — слабыми. Существуют и кислоты средней силы. 55

Приводим примеры важнейших кислот каж дого типа; их формулы записаны в порядке умень шения степени диссоциации соединений в растворах (см. также форзац И): НЫОз а НС1 а Нгво, > Н-ЗОз > Н3Р 0 4 > НР > Н2С03 > ----------- V----------- ' 4----------- V------------' сильные кислоты кислоты средней силы

> Н^Ю.,

------------V------------' слабые кислоты

В 8 классе мы назвали сильными кислотами те, которые активно взаимодействуют со многими веществами. Теперь вы знаете, что в растворах таких кислот содержится наибольшее количе ство катионов Гидрогена. Значит, химическая активность кислоты зависит от количества ионов Н' в ее растворе. В предыдущем параграфе отмечалось, что многоосновные кислоты диссоциируют в несколько стадий. Каждую стадию можно охарактеризовать соответствующей степенью диссоциации: Н2в 0 4 ё ^ Н Ч НБ04 «] — степень диссоциации по первой стадии; Нв04 Н+ + а 2 — степень диссоциации по второй стадии. Кислота диссоциирует по первой стадии пол нее, чем по второй: а 4 > а 2. Это обусловлено двумя причинами: • иону Н*■легче отделиться от электронейтральной частицы — молекулы Н2в04 (Х-я стадия диссоциации), чем от противоположно заря женной — иона ИБО, (2-я стадия); • двухзарядный ион БО| прочнее соединяется с катионом Н* (это уменьшает диссоциацию по 2-й стадии), чем однозарядный ион Н!504. Вода как электролит. Результаты опытов сви детельствуют о том, что чистая вода (например, дистиллированная, в которой нет растворенных электролитов) имеет чрезвычайно низкую элек тропроводимость. Это объясняется наличием в воде ничтожно малого количества ионов Н* и ОН . Такие ионы образуются вследствие разры ва одной из полярных ковалентных связей в молекуле Н20 (§ 1). Итак, вода — очень слабый электролит. Она диссоциирует согласно уравнению 56

Н20 * ± 1 Г + 0Н . Ученые выяснили, что при температуре 25 °С только одна молекула воды из каждых 555 мил лионов молекул распадается на ионы. Степень электролитической диссоциации воды составляет а(Н20 ) =

^ * 1,8 • 10 ”, или 1,8 ■10'7 %. 555 000 000

ВЫВОДЫ

Степень диссоциации — это отношение числа молекул электролита, распавшихся на ионы, к общему числу его молекул. Степень диссоци ации также выражают в процентах. Если электролит распадается на ионы в не значительной мере, его называют слабым, а если полностью или почти полностью, — силь ным. Среди кислот имеются электролиты всех типов, а щелочи и соли являются сильными электролитами, поскольку состоят из ионов. Вода — очень слабый электролит.

9■ 79. Что такое степень электролитической диссоциации? На какие груп пы делят электролиты в зависимости от значений этой физической величины? 80. Среди приведенных слов и словосочетания выберите то, которое пропущено в предложении •Вещества, состоящие из ионов, про являют свойства... электролитов»: а) сильных; б) слабых; в) как сильных, так и слабых. 81. Среди приведенных слов и словосочетаний выберите то, которым следует закончить предложение «Вещества, проявляющие в вод ных растворах свойства сильных электролитов, состоят и з ... •: а) ионов; б) молекул; в) ионов, а иногда — из молекул; г) молекул, а иногда — из ионов. 57

82. Запишите различные математические выражения для расчета сте пени диссоциации хлоридной кислоты. 83. Вычислите степень диссоциации кислоты НА, если известно, что в ее растворе из каждых 20 молекул не распались на ионы 13 молекул. 84. Раствор нитритной кислоты НГ\Ю2 содержит столько молекул кисло ты, сколько и всех ионов. Какова степень диссоциации соединения? 85. Степень диссоциации цианидной кислоты НСИ в растворе соста вляет 0,2 %. Сколько молекул кислоты, которые не подверглись диссоциации, приходится в растворе на одну пару ионов Н* и С1\Г?

86 . Каких частиц растворенного вещества в водном растворе сульфат ной кислоты больше всего, а каких — меньше всего: молекул Н2504, и о н о в БО Г, ИБО,,, Н*? Ответ обоснуйте. 87. Рассчитайте число ионов Н* и число ионов ОН" в капле воды объе мом 0,1 мл.

88 . Вычислите массовые доли ионов Н* и ионов ОН в воде.

Ионно-молекулярные уравнения. Реакции обмена между электролитами в растворе Материал параграфа поможет вам: выяснить, какие химические уравнения называ ют ионно-молекулярными; составлять ионно-молекулярные уравнения; прогнозировать возможность протекания реак ции обмена.

Ионно-молекулярные уравнения. Уравнения реакций с участием растворов электролитов — щелочей, кислот, солей, которые вы составляли в 8 классе, не передают сути химических превра щений, поскольку в них записаны формулы веществ, а не формулы ионов. Что же происходит на самом деле при взаимо действии электролитов в растворе? Выясним это, рассмотрев реакцию между растворами маг ний хлорида М§С12 и натрий гидроксида ЫаОН: 58

М ^12 + 2КаОН - Мё(ОН)24. + 2ЫаС1. Раствор исходной соли содержит катионы Магния и анионы Хлора МвС12 = Мй2' + 2С1 , а раствор щелочи — катионы Натрия и гидрок сид-ионы: ШОН = Иа* + ОН . В результате реакции ионы Мг2* и ОН", со единяясь, образуют осадок малорастворимого основания Mg(OH)!, а ионы N8* и С1 остаются в растворе. Изменим приведенное выше химическое урав нение с учетом состояния (диссоциированного, недиссоциированного) каждого реагента и про дукта. Вместо формул обоих реагентов записы ваем формулы ионов, находившихся в растворах соединений до реакции, вместе с соответствую щими коэффициентами (учитываем индекс 2 в формуле соли Магния и коэффициент 2 перед формулой щелочи): Мв2< + 2СГ + 2Иа* + 20Н ‘ - ... . В правой части уравнения оставляем формулу Mg(OH)2, а вместо формулы натрий хлорида записываем формулы соответствующих ионов с учетом коэффициента 2, который был в предыду щем уравнении: Mg2+ + 2СГ + 2Ш + + 20Н = Мй(ОН)21 + 2Ш* + 2СГ. В обеих частях нового уравнения имеются одинаковые ионы — N8* и СГ, причем каждый — в одинаковом количестве. Изъяв их, получаем запись, которую называют ионно молекулярным уравнением': Mg2, + 20Н~ - Mg(OH)2l . И онно-м олекулярное уравнение — это уравн ение, с о д ер ж ащ ее ф орм улы вещ еств и ф орм улы ионов. Ионно-молекулярное уравнение указывает на то, что именно происходит при химическом пре-1 1Иногда используют сокращенный термин — «ионное уравнение*. 59

вращении, какие частицы взаимодействуют в растворе и какие образуются. При составлении такого уравнения каждое вещество представляют в той форме (диссоциированной, недиссоциированной), которая преобладает в реакционной смеси или является в ней единственно возможной. При составлении ионно-молекулярного урав нения придерживаются такой последовательно сти действий: 1. Записывают «обычное» химическое уравнение (его называют молекулярным1). 2. По таблице растворимости определяют, какие реагенты и продукты реакции растворяются в воде, а какие — не растворяются. 3. Выясняют, какие реагенты и продукты реак ции являются сильными электролитами, а какие — слабыми электролитами или неэлек тролитами. 4. В молекулярном уравнении формулы раство римых сильных электролитов заменяют фор мулами соответствующих ионов, учитывая при этом индексы и коэффициенты. Сначала записывают катионы, затем — анионы. 5. Из обеих частей полученного уравне Молекулярное ния удаляют одинаковые ионы (в слу уравнение чае их наличия) в одинаковых количе Н1 + КОН = К1 + н2о ствах. Ионно-молекулярное 6. Если все коэффициенты окажутся уравнение кратными, их делят на соответствую Н' +ОН = Н 20 щее число. ► Составьте ионно-молекулярное уравнение реакции между барий нитратом и натрий карбонатом в растворе. Теперь рассмотрим, как выполняют обратное задание. Составим молекулярное уравнение, которое отвечает ионно-молекулярному уравне нию Н+ + ОН = Н20 . 1 1 Такое название условное, поскольку молекул оснований и солей не существует: это — ионные вещества. 60

В левой части уравнения записаны только формулы ионов. Значит, соединения, которые взаимодействуют, должны быть растворимыми и сильными электролитами. Ионы Н+образуются в растворе при диссоци ации сильной кислоты (например, НС1 <+ Н+ + + СГ), а ионы ОН' — при диссоциации щелочи (например, NaOH = Na+ + ОН"). Выбрав в каче стве реагентов хлоридную кислоту и натрий гидроксид, допишем в левую часть ионно-моле кулярного уравнения ионы С1 и Na+: f f + СГ + Na* + ОН = Н20 + ... . Ионы Н* и ОН" соединяются в молекулы сла бого электролита — воды, а ионы Na+ и СГ оста ются в растворе. Допишем их в правую часть уравнения: f f + СГ + Na+ + ОН" = Н20 + Na* + СГ. «Соединив» ионы в формулы соответствующих

Это интересно

В некоторых ионно-моле кулярных уравнениях (например, СОЗ + Н* = - НС03)

имеются лишь формулы ионов. Такие уравнения можно называть ионными.

веществ, получаем молекулярное уравнение: HCI + NaOH = NaCl + Н20 . Таким образом, чтобы составить молекуляр ное уравнение к данному ионномолекулярному уравнению, необходимо заменить каждый ион формулой соответствующего сильного и раство римого электролита, а затем дописать формулы других реагентов (продуктов) — растворимых сильных электролитов. Очевидно, что ионно-молекулярному уравне нию Н* + O ff = Н20 отвечают несколько молеку лярных уравнений, так как реагентами могут быть другие щелочи и сильные кислоты. Среди этих уравнений есть и такие: 2 КОН + HjSO* = KjSO, + 2Н20; Ва(ОН)2 + 2HN03 = Ba(NO.,)2 + 2Н20 . Отметим, что пара реагентов Ва(ОН)2 и HjSO,, не удовлетворяет условие задачи. Хотя барий гидроксид и сульфатная кислота — раствори мые и сильные электролиты, однако при их взаимодействии образуется нерастворимая соль BaS04, формула которой должна быть в правой части ионно-молекулярного уравнения. 61

► Составьте молекулярное уравнение, которое отвечает ионно-молекулярному уравнению 2 A g t + СОз' = A gгCO зi.

Реакции обмена между электролитами в растворе. Рассмотренные в параграфе реакции относятся к реакциям обмена. В них соедине ния обмениваются своими составляющими — ионами. Не все реакции обмена возможны. В 8 классе вы узнали, что реакция такого типа происходит, если ее продукт является малорастворимым, нерастворимым (он выделяется в виде осадка), газом или слабой кислотой. Теперь добавим, что реакция происходит и тогда, когда образуется слабый электролит, в том числе вода. Таким образом, для выяснения возможности реакции обмена нужно иметь сведения о раство римости и силе электролитов. Напоминаем, что ряд кислот по их способности к диссоциации размещен на форзаце И. Необходимо также знать, что фторидная кислота НР, хлоридная НС1, иодидная Н1, сульфидная Куз, нитратная НЖ>з — летучие кислоты, а карбонатная Н2С03 и сульфитная Н^Оз — неустойчивые.

Л АБОРАТОРН Ы Й ОП Ы Т № 7 Реакция обм ен а с об р азован и ем о садк а

В пробирку налейте немного раствора феррум(Ш) хлорида и добавьте такой же объем раствора натрий гидроксида. Что наблюдаете? Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения. Л АБОРАТОРН Ы Й ОПЫ Т № 8 Р еакц и я о б м е н а с вы д ел ен и ем газа

В пробирку налейте немного раствора натрий карбоната и добавляйте к нему небольшими порциями разбавленную нитратную кислоту. Что происходит? Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения. 62

Л АБОРАТОРН Ы Й ОП Ы Т № 9 Р еакц и я об м ен а с о б р а з о в а н и е м воды

В пробирку налейте 1 мл раствора натрий гидроксида, внесите 1 каплю раствора фенолфталеина и добавляйте неболь шими порциями с помощью пипетки разбавленную нитратную кислоту, пока не исчезнет окраска индикатора. Содержимое пробирки периодически перемешивайте стеклянной палочкой или встряхиванием. Объясните результаты наблюдений. Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения.

Обратите внимание на ионно-молекулярные уравнения, приведенные в параграфе и состав ленные вами после выполнения опытов. Каждое из них указывает на то, что в результате реак ции обмена количество ионов в растворе умень шается. Рассмотрим случай, когда реакция обмена между электролитами не происходит. Если слить, например, растворы натрий гидроксида (щелочь) и калий хлорида (соль), то никаких изменений или внешних эффектов не заметим. Раствор останется бесцветным; из него не будут выделяться ни осадок, ни газ. Составляя ионно-молекулярное уравнение, обнаружим, что его левая и правая части одинаковы: № 0 Н + КС/ = КОН + ИаС1; N3* + О Н + К * + С Г = К* + ОН- + На* + СГ. Полученный раствор содержит все ионы, кото рые были в растворах натрий гидроксида и калий хлорида. Следовательно, реакция между этими соединениями не происходит.

Изложенный выше материал касается реак ций обмена, в которых оба реагента — раствори мые и сильные электролиты. Если же, напри мер, исходная соль нерастворима или исходная кислота — слабая, то вывод о возможности реак ции делают после проведения соответствующего химического эксперимента. 63

выводы Суть реакции, происходящей между электро литами в растворе, передает ионно-молекуляр ное уравнение; оно содержит формулы веществ и формулы ионов. Ионно-молекулярное уравнение составляют, представляя растворимые сильные электроли ты в диссоциированной форме, т. е. записывая формулы соответствующих ионов, а остальные вещества — в недиссоциированной форме. Реакция обмена между электролитами в растворе происходит тогда, когда среди ее воз можных продуктов имеется нерастворимое либо малорастворимое соединение, газ или сла бый электролит. В результате реакции обмена количество ионов в растворе уменьшается.

9■ 89. Чем отличается ионно-молекулярное уравнение от молекулярного? 90. В каких случаях реакция обмена происходит? 91. Какие ионы не могут одновременно находиться в водном растворе: а) S 0 J' и СҐ; г) Na* и Ва2*; б) Са2* и Р0|"; д) РЬ2* и N03? в) AI3’ и 0Н~; 92. Укажите соединения, с которыми взаимодействует в водном растворе феррум(И) сульфат: а) хлоридная кислота; г) барий нитрат; б) калий гидроксид; д) карбонатная кислота. в) натрий сульфид; 93. Составьте ионно-молекулярные уравнения реакций, которые соответствуют таким молекулярным уравнениям: а) Mn(N03)2 + Ва(0Н)2 = Mn(0H)2! + Ba(N03)2; б) Na2S + H2S04 = Na2S04 + H2St; в) 2K0H + C02 = К2С03 + H20; г) Ni(0H)2 + 2НСІ = NiCI2 +‘2Н20. 94. Составьте молекулярные уравнения, которые соответствуют таким ионно-молекулярным уравнениям: а) Ag‘ + СГ = AgCIi; б) ЗРЬ2' + 2Р04 = РЬ3(Р04)21; 64

в) Си2' + 20Н = Си(ОН)2Х; г) Н25 + 20Н- = Б2’ + 2Н 20; д) ЭО!* + 2Н ' = 5 0 2 + Н20; е) гп(он )2 + 2 н ' = гп 2' + 2 н 2о . 95. Составьте ионно-молекулярные уравнения реакций, которые происходят в растворе между такими электролитами: а) феррум(Ш) нитратом и барий гидроксидом; б) натрий фторидом и хлоридной кислотой; в) литий гидроксидом и сульфатной кислотой. 96. Возможна ли реакция в водном растворе между соединениями с такими формулами: а) Ва(М03)2 и Н^; б) и НВг;

иОН

в) НС1 и КМ03; г) К 2С0 3 и Ва(ОН)2?

Ответы обоснуйте. Напишите молекулярные и ионно-молекуляр ные уравнения тех реакций, которые происходят. 97. Подберите по две пары различных электролитов, которые реаги руют в растворе с образованием: а) алюминий гидроксида; б) силикатной кислоты. Примите во внимание, что среди силикатов растворимы лишь соли Натрия и Калия. Напишите соответствующие молекулярные и ионно-молекулярные уравнения.

98. Составьте молекулярное и ионно-молекулярное уравнения реак ции между растворами щелочи и соли, в результате которой образуются: а) нерастворимое основание и растворимая соль; б) щелочь и нерастворимая соль; в) нерастворимое основание и нерастворимая соль. 99. Допишите схемы реакций, составьте молекулярные и ионно-мо лекулярные уравнения:

100.

а) Ва(1М03)2 + ... -► НМ03 + ...;

в) К2 С03 + ... -> К2304 + ...;

б) МС12 + ... -> М|(ОН)24 + ...;

г) КАЮ2 + ... -» ... + А1С13 + Н20.

Допишите ионно-молекулярные уравнения и составьте соответ ствующие молекулярные уравнения: а)

Н3Р0 4 +... = РО| + ЗН 20;

б) Сг(ОН)3 + ... = Сг3' + ЗН 20.

ДЛЯ ЛЮ БОЗНАТЕЛЬНЫ Х

Гидролиз солей Если в р а с т в о р к а л ь ц и н и р о в а н н о й соды , или н а тр и й к а р б о н а та , № 2С 0 3 д о б а в и т ь кап л ю р а с т в о р а ф е н о л ф та л е и н а , т о п о я в л я е тс я

малиновая окраска. Это указывает на наличие в растворе ионов ОН \ Поскольку в соли таких ионов нет. делаем вывод: натрий карбонат взаимодействует с водой, и одним из продуктов этой реакции являет ся натрий гидроксид: № 2С 0 3 + Н20 = № ОН + .... Можно предположить, что второй продукт — карбонатная кислота. Вы знаете, что эта кислота неустойчива и разлагается с образованием углекислого газа. Но выделения газа из раствора соды мы не наблюда ем. Значит, вторым продуктом реакции является другое вещество. Простое сопоставление количества атомов каждого элемента в формулах двух реагентов и натрий гидроксида указывает на образо вание наряду со щелочью кислой соли1 № НС03: Ма2С 0 3 + Н20 = ИаОН + № НС03. Известно, что с водой реагирует лишь незначительная часть соды. Одновременно происходит обратная реакция — между соединениями ПаОН и МаНСО, (ее продукты — № ?С0 3 и вода). Учитывая это, записы ваем в химическом уравнении знак : № 2С 0 3 + Н20 # № ОН + № НС03. Рассмотренная реакция является реакцией обмена. Правда, обмен веществ своими частицами является неполным: лишь половина ионов Натрия в исходной соли обменивается на атомы Гидрогена. Реакцию обмена между солью и водой называют реакцией гидро лиза1 2. Установлено, что с водой могут взаимодействовать соли, образо ванные слабыми основаниями или слабыми кислотами (сода образо вана слабой карбонатной кислотой). Среду раствора соли обуславли вает сильный электролит (в нашем случае — натрий гидроксид), от которого происходит соль; он образуется при ее гидролизе. Так, растворы солей К2в. № 25Ю 3 имеют щелочную среду, а растворы солей 2пС12, Си304 — кислую. Теперь вы сможете объяснить, почему в клетках таблицы раствори мости, которые отвечают некоторым солям, имеются обозначения #. Каждая из этих солей происходит от слабого основания и слабой кислоты и поэтому подвергается полному гидролизу: А12$ з + 6Н20 = 2А1(0Н)31 + ЗН 2$Т.

1 Кислая соль — продукт неполного замещения атомов Гидрогена в молекуле кислоты на атомы (точнее, ионы) металлического элемента. 2Термин происходит от греческих слов hydor — вода и lysis — раз ложение.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2 Р е а к ц и и и о н н о го о б м е н а в р а ств о р а х электр о лито в

Вам выданы растворы магний нитрата, калий карбоната, натрий гидроксида и разбавленная сульфатная кислота. Воспользовавшись таблицей растворимости и рядом кислот по силе (см. форзац П учебника), выясните, какие реакции будут происходить в растворе: а) между двумя солями; б) между солью и щелочью; в) между солью и кислотой. Осуществите эти реакции, а также реакцию щелочи с кисло той. Запишите в клетках представленной ниже таблицы формулы реагентов и одного из продуктов каждой реакции, свойства которого делают возможным ее протекание. После формул про дуктов поставьте стрелки 4 (если в результате реакции соедине ние выпадает в осадок), Т (если оно выделяется в виде газа), пометку «сл.* (если вещество — слабый электролит). Реагенты (соль 1 ) (соль 2 ) (щелочь)

(соль 1 )

(соль 2 ►

(щелочь)

(кислота)

— — —

Напишите молекулярные и ионно-молекулярные уравнения реакций. Объясните, почему реакции обмена с участием некоторых выданных растворов не происходят.

101.

Какую реакцию, которая в практической работе не происходит, можно осуществить в других условиях? Укажите эти условия, напишите химическое уравнение и дайте названия продуктам реакции.

102.

Какими были бы результаты практической работы, если бы вместо раствора натрий гидроксида был выдан раствор барий гидроксида? Заполните соответствующую таблицу и составьте молекулярные и ионно-молекулярные уравнения.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3 Р аспозн авани е н еор ган и чески х со ед и н ен и й

Вам выданы раствор натрий гидроксида, разбавленная суль фатная кислота, а также промывалка с водой, штатив с пробир ками, стеклянные палочки. ВАРИ АН Т I

Задание 1. Распознавание твердых соединений. В трех произвольно пронумерованных пробирках находятся белые порошки калий нитрата, натрий карбоната и кальций карбоната. Установите содержимое каждой пробирки. Задание 2. Распознавание растворов соединений. В трех произвольно пронумерованных пробирках содержатся бесцветные растворы натрий хлорида, магний хлорида и цинк сульфата. Установите содержимое каждой пробирки. ВАРИ АН Т II

Задание 1. Распознавание твердых соединений. В трех произвольно пронумерованных пробирках содержатся белые порошки натрий нитрата, магний карбоната и барий сульфата. Установите содержимое каждой пробирки. Задание 2. Распознавание растворов соединений. В трех произвольно пронумерованных пробирках содержатся бесцветные растворы калий нитрата, барий хлорида и алюми ний нитрата. Установите содержимое каждой пробирки. Результаты эксперимента по заданию 1 запишите в таблицу: № Растворимость Формула Наблюдения Вывод пробирки реактива вещества (формула в воде вещества)

Уравнение реакции (в молекулярной и ионно-молекулярной формах):

Результаты эксперимента по заданию 2 запишите в таблицу: № Формула Наблю про реактива 1 дения бирки

Наблю Формула Вывод дения (формула реактива 2 или вещества) реактива 1 , взятого в избытке

Уравнения реакций (в молекулярной и ионно-молекулярной формах):

9я 103. Можно ли выполнить задания 1 и 2 обоих вариантов, если вме сто раствора сульфатной кислоты выдана хлоридная кислота? Ответ обоснуйте. 104. Можно ли распознать соединения в задании 1 каждого вари анта с помощью нагревания? В случае положительного ответа расскажите, как вы выполните эти задания. Напишите соответ ствующие уравнения реакций.

тяА раздел

Химические реакции

В этом разделе обобщена информация об известных вам типах химических реакций. Будут также рассмотрены реакции, которые вы еще не изучали. Обратим внимание на их харак терные признаки и особенности протекания. Выполняя упражнения, вы приобретете новые навыки по составлению химических уравнений.

Классификация химических реакций М а те р и а л па р агр а ф а п ом ож ет вам :

выяснить, по каким признакам классифицируют химические реакции: пополнить свои знания о типах химических реак ций; вспомнить, в каких случаях возможны реакции разложения, замещения и обмена; узнать об обратимых и необратимых реакциях.

Признаки, по которым классифицируют хими ческие реакции. Превращения одних веществ в другие постоянно происходят в природе. Без них невозможно развитие живых организмов. Изуче70

ниєм химических реакций и получением новых веществ занимаются ученые в исследовательских лабораториях. Различные реакции осуществляют инженеры и технологи на заводах, школьники и студенты при выполнении практических работ. Химические реакции могут протекать мед ленно или мгновенно, в обычных условиях или при нагревании, с добавлением катализатора или без него. Они могут сопровождаться различ ными внешними эффектами — образованием осадка или газа, изменением цвета, выделением теплоты и т. д. Чтобы установить порядок во множестве химических реакций, осуществлена их класси фикация. При этом были учтены определенные признаки и особенности реакций. Важнейшие из них приведены ниже: • число реагентов и продуктов реакции; • возможные направления протекания реакции; • изменение или неизменность степеней окис ления элементов в результате реакции; • выделение или поглощение теплоты во время реакции. В этом параграфе обобщены ваши знания о реакциях соединения, разложения, замещения и обмена, а также рассмотрены реакции, которые могут протекать в различных направлениях. О других типах реакций речь пойдет позже. Реакции соединения и разложения. В 7 клас се вы узнали о реакциях, в каждой из которых число реагентов и продуктов неодинаково. Реакции), в результате которой из нескольких веществ о б р а зу ет ся одно вещество, называют реакцией соеди нения. Вам известны реакции соединения, в которые вступают • два простых вещества (рис. 31) 2А1 + ЗВг2 = 2А1Вг3, Реакция соединения металл неметалл Л + В (+ ...)-» С н 2 + С12 = 2НС1; неметалл неметалл 71

• два оксида ВаО + Н20 = Ва(ОН)2, основный щелочь оксид К 20 5 + Н20 = 2НЖ)3, кислотный кислота оксид ЗСаО + Р20 5 = Са8(Р 04)2. основный кислотный соль оксид оксид Не все такие реакции возможны. Например, инертные газы — гелий, неон и аргон не взаимодействуют ни с одним веществом. Не происходят реакции кисло рода с галогенами, водорода с бором и силицием. Золото реагирует только с наи более активными неметаллами — галоге нами, а также с некоторыми соединения ми. Оксиды вступают в реакции друг с дру гом, если они отличаются по химическим свойствам. Так, основные оксиды взаимо действуют с кислотными и амфотерными оксидами.

Рис. 31. Реакция алюминия с бромом

► Составьте уравнения реакций между такими веществами: а) натрием и водородом; б) окси дами Лития и Сульфура(УІ).

Реакцию, в результате которой из одного вещества образуется несколько веществ, называют реакцией раз ложения. Разлагаться могут только сложные вещества. Среди них — основания, амфотерные гидрокси ды, оксигенсодержащие кислоты и их соли, некоторые оксиды (рис. 32): Ге(ОН) 2 = КеО + Н2ОТ; основание Реакция разложения А -> В + С (+ ...)

Н-ЙЮз = 8Ю2 + Н2ОТ; кислота СаС03 = СаО + С0 2Т; СОЛЬ

2НйО = 2Нг + 0 2Т. ОКСИД

Реакции разложения происходят, как правило, при нагревании. Карбо натная и сульфитная кислоты разла гаются в обычных условиях в момент образования: С02 + Н20 Н2СОя. Продуктами разложения основа ний, оксигенсодержащих кислот и большинства их солей являются Рис. 32. оксиды. Не разлагаются при нагре Разложение вании гидроксиды, карбонаты и меркурий(И) оксида сульфаты Натрия и Калия, а также оксигенсодержащие соли, каждая из которых образована двумя нелетучими оксидами (фосфа ты, силикаты, цинкаты, алюминаты и др.). ► Составьте уравнения реакций разложения: а) цинк карбоната; б) алюминий гидроксида. Реакции замещения и обмена. Изучая в классе химические превращения неорганичес ких соединений, вы узнали о реакциях, в каж дой из которых — два реагента и два продукта. 8

Реакцию между простым и сложным веществом, в результате которой образуются другие простое и сложное вещества, называют реакцией замещения. Реакция замещения Реакции замещения с участием металА + ВС —> В + АС лов вам хорошо известны. Щелочные и щелочноземельные метал лы реагируют с водой: + 2Н20 = 2ЫаОН + Н2Т. В этой реакции один из двух атомов Гидроге на в каждой молекуле воды замещается на атом (точнее — на ион) металлического элемента. Почти все металлы реагируют с кислотами. Часть этих реакций происходит с выделением водорода: 2А1 + 6НС1 = 2А1С13 + ЗН2Т. Так взаимодействуют с металлами хлоридная и разбавленная сульфатная кислоты. Реакция 73

возможна, если металл находится в ряду активности левее водорода. Металлы могут взаимодействовать с растворами солей. Продуктами такой реак ции являются другой металл и новая соль: Mg + СиБО., = Си + МйвО,. Подобные реакции происходят, если ме талл-реагент размещен в ряду активности слева от металла-продукта.

Рис. 33. Реакция алюминия с водным раствором щелочи

► Напишите уравнение реакции меди с раствором аргентум нитрата. Цинк, алюминий (рис. 33), олово, другие активные металлы, которым соответству ют элементы, образующие амфотерные оксиды и гидроксиды, взаимодействуют со щелочами: 2А1 + бИаОН = 2Ыа3А103 + ЗН2Т. В реакции замещения могут вступать и неме таллы. Например, более активный галоген вытесняет менее активный из водного раство ра галогеноводорода, т. е. безоксигеновой кислоты, или соли (галогенида): Вг2 + 2Н1 = 12 + 2НВг; С12 + 2КВг = Вг2 + 2КС1. Напоминаем, что химическая активность галогенов возрастает в группе периодической системы снизу вверх.

Реакцию между двумя сложными веществами, в резуль тате которой они обмениваются своими составляющими (атомами, группами атомов, ионами), называют реак цией обмена. Реакция обмена + СО —» АО + С В

ЛВ

Реакции обмена происходят преимущественно в водном растворе. В них участву ют электролиты — основания, кислоты, соли. Случаи, когда эти реакции возможны, вам известны. Это — выделение осадка (рис. 34), образование газа или слабого электролита (в том числе и воды):

(МС12 + Шив - сав4 + 2 ЫаС1; Н2в0 4 + МцС03 = МйБО, + Н2С03; н 2о КОН + НС1 = КС1 + Н 20 .

С02Т

► Составьте ионно-молекулярные уравне ния этих реакций.

Рис. 34.

Осаждение кадмий сульфида

Обратимые и необратимые реакции. Многие химические реакции протекают только «в одном направлении». Их продук ты при любых температуре и давлении не могут взаимодействовать с образованием веществ, которые ранее были реагентами. Такие реакции называют необратимыми. Натрий реагирует с водой согласно урав нению 2Иа + 2Н20 = 2КаОН + Н2Т. Это — необратимая реакция, поскольку про тивоположное превращение невозможно: МаОН + Н2* Известны и реакции другого типа. Кальций оксид в обычных условиях медленно взаимодей ствует с углекислым газом: СаО + 0О2 = СаС03. Если продукт этой реакции — кальций карбо нат — сильно нагреть, то он начнет разлагаться на кальций оксид и углекислый газ, т. е. будет происходить реакция СаС03 - СаО + С02Т. В определенном температурном интервале воз можно как образование кальций карбоната, так и его разложение. В этих условиях обе реакции не происходят до конца, и в закрытом сосуде можно обнаружить смесь трех соединений — кальций оксида, карбон(ГУ) оксида и кальций карбоната.

Химические реакции, которые могут протекать в проти воположных направлениях, называют обратимыми. 75

Некоторые реакции являются обратимыми в обычных условиях. Среди них — взаимодействие угле |К‘» к ц н я кисло™ и сернисто™ газов с водой. Реакцию, которая происходит меж ду веществами, записанными в левой части химического уравнения, называют прямой, а противоположную реакцию — обратной. Одно временное протекание этих реакций показывают в уравнении с помощью знака обратимости <=? : Б0 2 + Н20 Н-ЗОз.

Обратимая реакция А+В

прямая реакция

(Діратны й

=»с + о

Обратимыми бывают и физические явления. Среди них — изменения агрегатного состояния вещества. Если сосуд, в котором кипит вода, накрыт крышкой, то в нем одновременно проис ходят два противоположных процесса — пре вращение воды в пар и конденсация водяного пара с образованием жидкой воды.

ВЫВОДЫ

Для классификации химических реакций используют различные признаки. Сопоставляя число продуктов и реагентов, а также учитывая, простым или сложным явля ется каждое вещество, различают реакции со единения, разложения, замещения и обмена. В зависимости от направления протекания химические реакции делят на обратимые (они могут происходить в прямом и обратном направ лениях) и необратимые (возможна лишь пря мая реакция).

9■ 105. Назовите признаки, по которым классифицируют химические реакции. 106. Дайте определения реакциям соединения, разложения, замещ е ния и обмена. 76

107. Найдите соответствие: Уравнение реакции

108. 109. 110. 111.

112.

113.

Тип р е а к ц и и

1) 2ИН3 + ЗМ£ = М&М2 + ЗН2; а) реакция обмена; 2) НР03 + Н20 = Н3Р04; б) реакция разложения; 3) 4На2503 = ЗМа2Э04 + № 25; в) реакция замещения; 4) 2КОН + М$2 = МДОН)24 + 2К1; г) реакция соединения. Запишите уравнения двух реакций — соединения и разложения, при которых образуется алюминий оксид. Составьте два молекулярных уравнения реакций обмена, кото рые отвечают ионно-молекулярному уравнению Аё* + СГ = АдС|4. Напишите уравнение обратимой реакции образования аммиака 1МН3 из простых веществ. Укажите прямую и обратную реакции. Какая масса соли образовалась при полной нейтрализации маг ний гидроксидом 800 г раствора нитратной кислоты с массовой долей кислоты 25,2 %? Сульфур(УІ) оксид при сильном нагревании разлагается на суль фур(1У) оксид и кислород. Легче или тяжелее воздуха смесь обра зовавшихся газов и во сколько раз? При нагревании кальций карбоната потеря массы составила 11 %. Найдите массовые доли веществ в твердом остатке.

Окислительновосстановительные реакции Материал параграфа поможет вам: выяснить, что такое окислительно-восстанови тельная реакция; различать процессы окисления и восстановле ния, окислители и восстановители; понять значение окислительно-восстановитель ных реакций. О кислительно-восстановительны е реак ц и и .

Сравним два химических превращения: Мй(ОН)2 = М0 О + Н 20; (1) 21У^ + Ог = гМДО. (2 ) Учитывая число реагентов и продуктов в каж дой реакции, делаем вывод: реакция ( 1 ) являет 77

ся реакцией разложения, а реакция (2 ) — реак цией соединения. Эти реакции различаются и по другому при знаку. Обратим внимание на степени окисления элементов в реагентах и продуктах. ►Что называют степенью окисления элемента? Определите степени окисления элементов в веществах, формулы которых записаны в урав нениях ( 1 ) и (2 ). Запишем степени окисления элементов над формулами веществ: +

2 (1

+2 -2

+1 -2

Ме(ОН)2 + Н20; О О +2 - 2 2Mg + 0 2 = 2М(?0. В результате первой реакции степени окисле ния элементов остались прежними, а во второй реакции изменились.

Реакции, протекающие с изменением степеней окисле ния элементов, называют окислительно-восстанови тельными реакциями. Процессы окисления н восстановления. Выясним происхождение термина «окислитель но-восстановительная реакция». Характеризуя реакции с участием кислорода в 7 классе, мы утверждали, что вещество, которое взаимодей ствует с кислородом, подвергается окислению. В реакции (2 ) таким веществом является магний. Каждый атом этого металла превращается в катион,теряя 2 электрона: Ме - 2 е' = Мг2'. Элемент Магний повышает степень окисления от 0 до + 2 ; он окисляется. С магнием взаимодействует кислород. Каж дый атом Оксигена, который входит в состав молекулы 0 2, превращается в анион, присоеди няя 2 электрона: 0 + 2 е = Ог . Степень окисления этого элемента понижается от 0 до -2; Оксиген восстанавливается. 78

Лев Владимирович Писаржевский (1874—1938) У краин ский химик,

академик

АН

СССР

А Н УС СР. Р а з р а б о та л те о р и ю о ки сл и те ль н о во сста н о в и те л ь н ы х реакц ий , в о с н о в е ко то р о й — пр е д ста в л е н и е о п е р е х о д е э л е к тр о н о в о т одних частиц к д р у г и м (1914 ). З а л о ж и л фун д а м е н т э л е к тр о н н о й те о р и и к а тали за. П р о ф е с с о р К и ев ского п о л и те хн и ч еско го институ

— учебных заведе

та ( 1 9 0 8 — 1911), ек ате р и н о сл а в ск и х (н ы н е д н е п р о п е тр о в ск и е ) вы сш и х

ний —

гор н ого и нститута и у ни в е р си те та . С

1 9 2 7 г. — д и р е к то р с о зд а н н о го п о е г о и н и ц и а тиве

Укр аи н ско го

и н ститута

ф изической

х и м и и (ны не — И н сти тут ф и зи ч е ск о й х и м и и Н А Н У к р а и н ы и м е н и Л. В. П и сар ж е вско го ).

Процесс окисления О

Мд —2 е = Мё

Процесс восстановления О

-2

0 2 + 4е —20

Окисление — отдача электронов частицей вещества, а восстановление — присоединение ею электронов. Процессы окисления и восстановления всегда сопровождают друг друга. Электроны не возникают из ничего и не накапливаются в пробирке. Сколько электронов теряют одни частицы, столько же их присоединяют дру гие. Убедимся в этом, обратившись к уравне нию

2Мг +о2=гмго. Два атома Магния теряют 4 электрона: 2Мё - 4с' = г м е 2' , а два атома Оксигена, которые имеются в молекуле 0 2, присоединяют 4 электрона: 0 2 + 4е~ = 2 0 г . Теорию окислительно-восстановитель Окислительно ных реакций, которую назвали электрон восстановительная но-ионной теорией, предложил в 1914 г. реакция отечественный ученый Л. В. Писаржев | ский. О О +2 - 2 Окислители и восстановители. По 2Мё + 02= 2Мё0 / \ окислитель отношению к веществам — участникам / восста повитель окислительно-восстановительной реак79

ции используют термины «окислитель* и «вос становитель». Запомните: окислитель восстанавливается (им в реакции 2 Мй + 0 2 = 2 Л^О является кисло род), он присоединяет электроны. А восстанови тель (это — магний) окисляется, он теряет элек троны.

Л А БО РА ТО РН Ы Й О П Ы Т № 10 Реакция цинка с р а ств о р ом иода

Талейте в пробирку 1 мл воды и добавьте несколько капель спютового раствора иода (йодной настойки). Перемешайте жи.кость и поместите в нее немного порошка цинка. Периодичес:и взбалтывайте содержимое пробирки. вменяется ли окраска жидкости? Почему? Тапишите соответствующее химическое уравнение. Какое вепество в этой реакции является окислителем, а какое — восстаювителем?

Окислителями и восстановителями могут быть не только простые вещества, но и сложные. ► Назовите окислитель и восстановитель в реак ции СиО + Н2 = Си + Н20 . На основании изложенного материала сдела ем вывод: если в реакции принимает участие простое вещество, то такая реакция всегда является окислительно восстановительной. Действительно, степень окисления элемента в простом веществе равна нулю, а в соединении (оно образуется в результате реакции) является положительным или отрицательным числом. В клетках табл и ц ы р а с тв о р и м о с ти , о тв е ч а ю щ их с о л я м

Ре/3 и Си/г, е с т ь

прочерки. Они св и д е

т е л ь с т в у ю т о т о м , ч то э ти х с о л е й н е су щ е ст в у е т. Ионы

Ре3* и Г, а также Си2* и

в о к и сл и те л ь н о -в о сста н о в и те л ьн ы е

реакции.

С о о тв е тств у ю щ и е ио н н о-м о л ек у л я р

н ы е уравнения:

Г вступаю т друг

с другом

2Ре3* + 2Г = 2Ре2* + 12; 2Си“ + 4Г = 2Со/4- + /2. К а т и о н ы м етал л и ч е ск и х э л е м е н т о в явл я ю тся о к и сл и те л я м и , а а н и о н И о да

— в о с с та н о в и те л е м .

Значение окислительно-восстановительных реакций. Окислительно-восстановительные реак ции постоянно происходят в природе. Они состав ляют основу таких важнейших процессов, как дыхание и фотосинтез. В этих процессах одним из элементов, которые изменяют степень окис ления, является Оксиген. В процессе дыхания его атомы (из них состоят молекулы кислорода) восстанавливаются, а при фотосинтезе (они входят в состав молекул оксигенсодержащих соединений) — окисляются: О

-2

Ог + 4е = 20

(дыхание);

-2

Рис. 35.

Корпус судна, поврежденный ржавчиной

2 0 - 4е = 0 2Т (фотосинтез). Окислительно-восстановительные реакции используют во многих отрас лях промышленности. Осуществляя химические превращения этого типа, из руд получают металлы. На тепло электростанциях сжигают различ ные виды топлива, а в двигателях автомобилей — бензин, дизельное горючее, природный газ. Некоторые окислительно-восстано вительные реакции являются причи ной негативных процессов: пожаров, ржавления железа (рис. 35), порчи пищевых продуктов и т. п.

ВЫВОДЫ

Реакции, происходящие с изменением степе ней окисления элементов, называют окисли тельно-восстановительными реакциями. Окис ление — процесс отдачи электронов частицами вещества, а восстановление — процесс присо 81

единения электронов. Вещество, которое оки сляется, называют восстановителем, а веще ство, которое восстанавливается, — окислите лем. Сколько электронов отдает восстановитель, столько их присоединяет окислитель. Окислительно-восстановительные реакции происходят в природе; их осуществляют в про мышленности, теплоэнергетике, транспортных средствах.

9■ 114. Какие реакции называют окислительно восстановительными? 115. Найдите соответствие: Ф орм ула ве щ е ства

С те п е н ь о к и сл е н и я Х л о р а

1) С120; 2) FeCI2; 3) НСЮ4; 4 ) С12;

116.

117. 118.

119.

а) 0; б)+2; в)+1; г)-1 ; с , Д) +7. Что такое окисление, восстановление, окислитель, восстанови тель? Используя эти термины, прокомментируйте реакцию нат рия с хлором. Почему реакции, с помощью которых из металлических руд полу чают металлы, являются окислительно-восстановительными? Определите степени окисления элементов в веществах с такими формулами: AICI3, Br2, КСЮ, B2S3, Н4Р20 7, Ca3N2, l20 5, Ti(0H)4, Fe2(S04)3. Выберите среди приведенных схем те, которые отвечают окисли тельно-восстановительным реакциям, и объясните свой выбор: а) Li + Н2 4 LiH;

в) КОН + H2S -> K2S + Н20;

б) СаО + С02 -> СаС03; г) NaCI03 NaCI + 0 2t . 120. Запишите в таблицу по одному химическому уравнению (не исполь зуйте приведенных в параграфе и предыдущем упражнении): Тип реакции Реакция соединения Реакция разложения 82

Степени окисления элементов изменяются не изменяются

121. Укажите вещество-окислитель и вещество-восстановитель в каждой реакции: а) А1 + Б —> А1253; в ) Рв20 3 + СО — > Ре + С02! б) и20 + 4 и + Э 0 2; г) МН3 + СиО -►Си + 1\|2 + Н20. 122. Какие частицы — атом К, ион 1Ч3 . атом С, ион Са2*, ион Ре2*, атом Ре, атом Р — могут быть в химических реакциях: а) только окислителями; б) только восстановителями; в) и окислителями, и восстановителями? Ответы обоснуйте. 123. Установите последовательность простых веществ по возраста нию их химической активности как окислителей (запишите буквы в соответствующем порядке): а) сера; б) фтор; в) фосфор; г) хлор. 124. Напишите вместо точек, сколько электронов присоединяют или отдают ионы, и укажите процессы окисления и восстановления: а) 2Н *...->Н 2; в) Ре2*... -> Ре3*; б) 2Р~... -х Р2; г) МпО^ ... -> М пО|\ 125. Сколько электронов присоединяет или отдает атом Сульфура в таких превращениях: а) сульфат-ион -> сульфит-ион; б) молекула сульфатной кислоты -» молекула сероводорода; в) молекула сульфур(1У) оксида -> сульфат-ион? 126. Какой объем водорода (н. у.) можно получить в результате реак ции 10 г лития с достаточным количеством воды?

Составление уравнений окислительно восстановительных реакций Материал параграфа поможет вам: научиться подбирать коэффициенты при состав лении уравнений окислительно-восстановитель ных реакций. 83

Прежде чем составить уравнение окислитель но-восстановительной реакции, необходимо за писать схему реакции с формулами всех реаген тов и продуктов. ► Допишите схемы реакций: а) Б0 2 + 0 2 -> б) А1 + НС1 —> ... . Определите в каждой реак ции окислитель и восстановитель. Надеемся, что вы справились с этим заданием. Однако при выполнении других заданий такого типа могут возникнуть определенные трудности. Прогнозирование продуктов многих окислитель но-восстановительных реакций невозможно без знания характерных степеней окисления элемен тов, химических свойств их соединений, другой важной информации. В этом параграфе ограничимся рассмотрени ем того, как превращают «готовые* схемы окис лительно-восстановительных реакций в хими ческие уравнения. Подбор коэффициентов в схемах таких реак ций можно осуществлять обычным способом. ► Превратите две только что составленные вами схемы реакций в химические уравнения.

Это интересно В реакции 4РеБ + 702 = = 2 Ре20 3 + + 4!302степени окисления изменяют три элемента. 84

Во многих случаях (например, когда взаимо действуют или образуются три вещества) на тра диционный подбор коэффициентов приходится тратить немало времени. Убедитесь в этом, попробовав превратить схему реакции КеС12 + 0 2 + НС1 -> ЕеС13 + Н20 в химическое уравнение. Существует универсальный и эффективный метод подбора коэффициентов в схемах окисли тельно-восстановительных реакций. Его назва ние — метод электронного баланса. Он основан на том, что число электронов, которые отдают одни частицы и присоединяют другие, всегда одинаково. Подберем коэффициенты методом электрон ного баланса в последней схеме окислительно восстановительной реакции.

Сначала определим степень окисления каждо го элемента в реагентах и продуктах реакции и подчеркнем элементы, которые изменили свои степени окисления: + 2 -1

+ 1 -1

+ 3 -1

+ 1 -2

ЕеСі2 + д2+неї -+ЕеС13 +

н2д.

Вы видите, что Феррум повысил степень окис ления от +2 до +*3, выступил восстановителем и окислился, а Оксиген понизил степень окисле ния от 0 до - 2 , выполнил функцию окислителя и восстановился: схема окисления схема восстановления Феррума Оксигена +2

-2

Ге (восстановитель) - 1е = Ре 0 2 (окислитель) + 4е = 20. Обратите внимание: в схеме восстановления перед атомом Оксигена поставлен коэффициент 2 , так как из одной молекулы кислорода образу ются два атома. Указано также, что молекула кислорода присоединяет 4 электрона, поскольку каждый атом Оксигена в ней присоединяет 2 электрона. Находим соотношение частиц окислителя и восстановителя, при котором число присоеди няемых и число отдаваемых ими электронов будет одинаковым. Для этого определяем наи меньшее общее кратное чисел 1 (один электрон +2

теряет атом Ге) и 4 (четыре электрона присоеди0

няет молекула 0 2); оно равно 4. Записываем схему окисления, под ней — схему восстановления, а после вертикальных линий — только что указанные количества элек тронов и наименьшее общее кратное: +2

Оо

Ге (восстановитель) - \е = Ге

процесс окисления

-2

процесс восстановления 2 (окислитель) + 4е = 2 0 Разделив число 4 на количество электронов, которые теряются (1) и присоединяются (4), получаем числа 4 и 1 для схем окисления и вос становления соответственно. Записываем их за третьей вертикальной линией: 85

о©

Ге (восстановитель) - 1е 2

Ге

4 процесс окисления

-2

(окислитель) + 4е 20 4 1 процесс восстановления Числа в последнем столбике — 4 и 1 — это коэффициенты в будущем уравнении. В самом +2

деле, каждые 4 атома Ре теряют 1 -4 = 4 электро на, и столько же электронов присоединяет каждая О молекула 0 2. Записываем коэффициенты 4 перед формула ми соединений Феррума.а коэффициент 1 перед формулой кислорода не указываем: + 2 -1

+ 1 -1

+ 3 -1

+ 1 -2

4РеС12 + 0 2 + НС1-> 4РеС13 + Н20 . Далее ставим коэффициент 2 перед формулой воды: + 2 -1

+ 1 -1

+ 3 -1

+ 1 -2

4РеС12 + 0 2 + НС1 -> 4РеС13 + 2Н20 . Наконец, определяем коэффициент перед формулой хлороводорода — соединения, в кото ром содержатся элементы, не изменившие сте пени окисления, и вместо стрелки записываем знак равенства: + 2 -1

+1 -1

+ 3 -1

+ 1 -2

4РеС12 + 0 2 + 4НС1= 4РеС13 + 2Н20 . ► Проверьте, одинаковое ли количество атомов каждого элемента содержится в левой и пра вой частях составленного уравнения. Примите во вниманиедва таких совета. 1. Найденные с учетом баланса электронов коэф фициенты перед формулами окислителя и восстановителя изменять не следует; они являются окончательными. 2. В некоторых реакциях окисляется или восста навливается лишь часть атомов определенно го элемента, поскольку один из реагентов при сутствует в избытке: 0 + 1 +1 + 1 о ^ 2Ыа + 2Н20 (изб.)= 2ЫаОН + Н2Т. Коэффициент перед формулой такого соеди нения подбирают последним. 86

выводы Уравнения окислительно-восстановитель ных реакций составляют, используя метод элек тронного баланса. Этот метод основан на том, что число электронов, отдаваемых частицами восстановителя и присоединяемых частицами окислителя, одинаково.

9■ 127.

Запишите вместо точек соответствующие цифры и слова: ...-2

+ 1-1

...-1

...

+ 1-2

М п0 2 + ...НВг -> МпВг2 + Вг2 + ...Н20 Мп (окислитель) + ...е = Мп

процесс ...

-1

...Вг (восстановитель) - 2е = Вг,

процесс...

128. Составьте уравнения окислительно-восстановительных реакций по приведенным схемам, использовав метод электронного баланса: а) 3 0 2 + Вг2 + Н20 -> Н2304 + НВг; б) А1 + NaOH -> № 3АЮ3 + Н2Т; в) Н23 + НМ03 -> 31 + N07 + Н20; г) М02 + 0 2 + Н20 -> NN03. 129. Допишите схемы реакций и превратите их в химические уравне ния методом электронного баланса: а) РеС13 + Н23 -» РеС12 + + ...;

б) Н2Э + С12 + Н20 -> Н23 0 4 + ...; в) NN3 + 02 ► N0 + ...; 130.

г) РеО + А1 Реакция между феррум(Ш) оксидом и карбон(И) оксидом может про исходить с образованием двух других оксидов. Укажите тип этой реакции и составьте соответствующее химическое уравнение.

131.

Какое число электронов в результате реакции кальция с кисло родом: а) теряет 1 моль металла; б) теряет 1 г металла; в) присоединяет 1 л кислорода (н. у.)?

132.

Вычислите массу цинка, которую необходимо взять для реакции с избытком хлоридной кислоты, чтобы полученным водородом восстановить 2 г купрум(Н) оксида. 87

0Ш М

Тепловой эффект химической реакции Материал параграфа помож ет вам: выяснить, как классифицируют реакции по их тепловому эффекту; понять причину теплового эффекта реакции; составлять термохимические уравнения; осуществлять простейшие термохимические вычисления.

Экзотермические и эндотермические реак ции. Вам известны реакции, которые происхо дят с выделением значительного количества теплоты. Это — реакции горения: 21 ^ + 0 2 = 2 М{гО; СН4 + 2 0 2 = С0 2 + 2НгО. Еще в далекие времена люди обогревали свои жилища, готовили пищу, сжигая древесину, растительные остатки, уголь. Ныне сфера при менения реакций горения значительно расши рилась. Их осуществляют на теплоэнергетичес ких предприятиях, металлургических заводах, в двигателях внутреннего сгорания, при запус ках ракет и космических кораблей, при созда нии фейерверков (рис. 36) и т. д. Теплота выделяется не только при горении веществ. Смешайте в пробирке небольшие порции растворов щелочи и сильной кислоты. Прикоснувшись к нижней части про бирки, вы почувствуете, что она стала теплой. Выделение теплоты является следствием реакции нейтрализации: ИаОН + НС1 = ЫаС1 + Н20 . Аналогичный эффект наблюдается при гашении извести СаО + Н20 = Са(ОН)2, взаимодействии металлов с кислотами Г № . О ». Праздничный фейерверк 2А1 + 6НС1 = 2А1С13 + ЗН2Т. 88

Реакции, при которых теплота выделяется, часто происходят самопроизвольно. Правда, в некоторых случаях их нужно инициировать (например, поджечь вещество). Существуют реакции, при которых теплота поглощается. Среди них — реакции разложения многих соединений (оксидов, гидроксидов, оксигенсодержагцих солей, кристаллогидратов): 2!ЗОз = 2!302 + 0 2; РЬ(ОН) 2 = РЬО + Н2ОТ; 2КЫ03 =2КЫОг + О2Т: СивО., ■5НгО = СиБ04 + 5Н2оТ. Для того чтобы такие реакции происходили, вещества нагревают. Если нагревание прекра тить, то прекращается и химическое превра щение.

Реакции, протекающие с выделением теплоты, называ ют экзотермическими1, а протекающие с поглощением теплоты — эндотермическими12. Тепловой эффект реакции. Выделение или поглощение теплоты при химической реакции называют тепловым эффектом реакции. Выяс ним причину его возникновения. Каждое вещество обладает внутренней энер гией (ее обозначают латинской буквой и ). Эта энергия состоит из энергий всех его частиц (ато мов, молекул, ионов) и энергий химических свя зей между ними3. Внутреннюю энергию веще ства измерить невозможно. Представим себе, что в случае некоторой реак ции общая внутренняя энергия реагентов боль ше внутренней энергии продуктов: {/(реагентов) > {/(продуктов). Термин происходит от греческого слова ехо — извне. Термин происходит от греческого слова еп<1оп — внутри. 3 Разрыв химических связей в веществе требует затрат энергии (вещество ее поглощает), а их образование происходит с выделением энергии. 1

Тогда в результате реакции вещества «отда ют» часть своей энергии; происходит выделение теплоты. Следовательно, данная реакция явля ется экзотермической. Уменьшение внутренней энергии веществ выразим математически, использовав специаль ный знак ДН (читается «дельта-аш»): АН = (/(продуктов) - (/(реагентов) < 0. Если общая внутренняя энергия реагентов меньше внутренней энергии продуктов (/(реагентов) < (/(продуктов), то в результате реакции вещества «потребляют* энергию и теплота поглощается. Такая реакция является эндотермической: АН = (/(продуктов) - (/(реагентов) > 0. В случае необходимости тепловой эффект ука зывают вместе с химическим уравнением: в + 0 2 = 8 0 2; АН < 0 (экзотермическая реакция) СаС03 = СаО + С0 2Т; АН > 0 (эндотермическая реакция) ► Укажите среди реакций, приведенных в начале параграфа, экзотермические и эндо термические. Запишите в тетрадь химические уравнения, добавив обозначения тепловых эффектов. Явление выделения (поглощения) теплоты при химической реакции согла суется с принципом сохранения энергии: энергия не возникает из ничего, не исче Эндотермическая зает бесследно, а лишь превращается из реакция одного вида в другой. С + ... = В + ...; АН > 0 Термохимическое уравнение. Количе ство выделяемой или поглощаемой теплоты в результате реакции можно определить экспери ментально, например с помощью калориметра — устройства, известного вам из уроков физики в 8 классе.

Экзотермическая реакция Л + ... = В + ...; АН < 0

Химическое уравнение с записью числового значения теплового эффекта реакции называют термо хим ичес ким уравнением. 90

Примеры термохимических уравнений: Н28 0 4 —БОз + Н20 ; Д Н -+ 1 7 7 к Д ж ;' + 2Н20 = 2Ш 0Н + Н2Т; АН = -283 кДж. Первое уравнение свидетельствует о том, что при разложении 1 моль сульфатной кислоты с образованием 1 моль сульфур(У1) оксида и 1 моль воды поглощается 1?7 кДж теплоты. Прокомментируйте второе термохимическое уравнение. Многие реакции являются обратимыми. Например, кальций карбонат при нагревании разлагается на соответствующие оксиды (это — эндотермическая реакция) СаС03 = СаО + С02Т; АН = +178 кДж, а в обычных условиях эта соль образуется из оксидов (экзотермическая реакция): СаО + С0 2 = СаС03; АН = -1 7 8 кДж. Тепловой эффект химической реакции равен тепловому эффекту обратной реакции, но имеет противоположный знак. Значения тепловых эффектов многих хими ческих реакций приведены в справочниках. Термохимические расчеты. Рассмотрим, как решают задачи на составление и использование термохимических уравнений. ЗАДАЧА 1. При сгорании 0,5 моль фосфора в избытке кислорода выде лилось 373 кДж теплоты. Составить термохимическое урав нение. Дано:

Решение

1. Составляем химическое уравнение: 4Р + 5 0 2 - 2Р 20 5. Термохимическое 2. Вычисляем тепловой эффект реакции. По условию задачи при сгорании уравнение — 7 0,5 моль фосфора виделяется 373 кДж теплоты,

л(Р) = 0,5 моль АН, = -3 7 3 кДж

' Знак «плюс» перед значением теплового эффекта не опускают. 91

согласно термохимическому уравнению при сгорании 4 моль фосфора — х кДж теплоты; _ 4 моль • 373 кДж 2984 кДж. 0,5 моль АН —-2984 кДж. 3. Записываем термохимическое уравнение: 4Р -Р 50 2 = 2Р 20 5; АН = -2 9 8 4 кДж. Ответ: 4 Р + 5 0 2 = 2Р 20 5; АН = -2 9 8 4 кДж. ЗАДАЧА 2. Исходя из термохимического уравнения СН4 + 20 2 = С02 + + 2Н20; АН = -802 кДж определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании 5,6 л метана (объем соответствует нормальным условиям). Дано:

Решение

АН —-802 кДж Р(СН4) = 5,6 л н- У-__________

1. Находим количество вещества метана:

АН, — ?

лГСШ ( 4>

К(СН<) 5’6Л Рм 22,4 л/моль *1 = 0,25 моль. 2. Вычисляем количество теплоты АН,. Согласно термохимическому уравнению при сгорании 1 моль метана выделяется 802 кДж теплоты, по условию задачи при сгорании 0,25 моль метана — х кДж теплоты; 0,25 моль • 802 кДж _ х = —------ ------------200,5 кДж; 1 моль АН, = -200,5 кДж. Ответ: при сгорании 5,6 л метана выделяется 200,5 кДж теплоты (АН, = -2 00 ,5 кДж).

ВЫВОДЫ

Все химические превращения происходят с определенным тепловым эффектом. Реакции, протекающие с выделением теплоты, называют экзотермическими, а протекающие с поглоще нием теплоты — эндотермическими. Химическое уравнение с записью числового значения теплового эффекта реакции называ ют термохимическим уравнением. 92

9 133. Что понимают под тепловым эффектом химической реакции? 134. Как классифицируют реакции в зависимости от их теплового эффекта? 135. При образовании 1 моль хлороводорода из простых веществ выделяется 92,2 кДж теплоты. Напишите соответствующее тер мохимическое уравнение. 136. Воспользовавшись термохимическим уравнением И2 + ЗН 2 = = 2ИН3; АН = -9 2 ,4 кДж, напишите термохимическое уравнение реакции разложения аммиака на простые вещества. 137. Сколько теплоты поглощается при превращении 4.2 г азота в нитроген(Н) оксид, которое происходит согласно термохими ческому уравнению И2 + 0 2 = 2И0; АН = +180 кДж? 138. Какой объем газа Г\120 (н. у.) разложился на кислород и азот, если при этом выделилось 32,8 кДж теплоты? Термохимическое урав нение реакции образования нитроген(1) оксида из простых веществ: 2И 2 + 0 2 = 2Г\120; АН = +164 кДж. 139. Какая масса серы должна прореагировать с кислородом, чтобы выделилось столько теплоты, сколько ее выделяется при сгора нии 24 г углерода? Термохимические уравнения соответствую щих реакций: Б + 0 2 = 3 0 2; АН = -2 9 7 кДж; С + 0 2 = С02; АН = = -3 9 3 кДж.

ДЛЯ ЛЮ БОЗНАТЕЛЬНЫ Х

К ал ор ийн ость пищ евы х продуктов Общеизвестно, что пища является источником веществ и элементов, необходимых для жизни животных и человека. Кроме того, это — I источник энергии для живых организмов. Реакции в организме с уча стием веществ, потребленных с пищей, преимущественно экзотерми ческие, т. е. происходят с выделением теплоты. Большинство этих пре вращений напоминает реакции горения. (Иногда, например, говорят о «сгорании жиров в организме».) Количество энергии, которое выделя ется при полном окислении пищевого продукта (условно — его реак ции с кислородом, в результате которой образуются углекислый газ, вода, азот, некоторые другие вещества), определяет калорийность1

' Слово происходит от названия устаревшей единицы измерения количества теплоты — калории (1 калория = 4,18 Дж). 93

продукта (рис. 37). Высвободившаяся тепловая энергия необходима живому организму для осуществления в нем реакций, протекающих с поглощением теплоты, а также для поддержания постоянной темпера туры тела.

| | — помидоры; ■ — яблоки; I | — молоко (жирность 3.2 %) 0 — картофель; Ц — рыба нежирная; ц — сыр (жирность 4 %); □ — говядина нежирная; 1 I — хлеб пшеничный; □ -р и с ; |— | — свинина жирная; □ -с а х а р ; | | — шоколад молочный; Ц — масло сливочное; ^ — сало; Л — масло растительное Рис. 37.

Средняя калорийность пищевых продуктов Существуют три основные группы питательных веществ в пищевых продуктах: белки, жиры и углеводы. Важнейшими жирами являются подсолнечное и кукурузное масло (растительные жиры), сало, сливочное масло (животные жиры), а углеводами — сахар и крахмал. Больше всего теплоты выделяется при окислении жиров — в среднем 3900 кДж в перерасчете на 100 г жира. Белки и углеводы имеют значительно более низкую и почти оди наковую калорийность — приблизительно 1700 кДж на 100 г веще ства. Если подсолнечное масло состоит практически из жиров, сахар — чистый углевод, то 100-процентной белковой пищи не суще ствует. Больше всего белков содержится в мясе, рыбе, яйцах, сыре.

орехах (10— 25 %от массы продукта). Белки — ценнейший •строитель ный» материал для организма, а углеводы и особенно жиры важны как источники энергии. Суточная энергетическая потребность человека составляет в сред нем 12 000 кДж и зависит от его возраста, физической и умственной нагрузки. Подсчитать, сколько человек должен потреблять белков, жиров, углеводов, тех или других пищевых продуктов, чтобы обеспе чить свой организм необходимым количеством энергии, нетрудно. Сложнее выбрать необходимое для организма соотношение, напри мер, животных и растительных жиров. Соответствующие рекоменда ции разрабатывают биологи, врачи, диетологи.

Скорость химической реакции Материал параграфа помож ет вам: объяснить зависимость скорости реакции от различных факторов: понять роль катализатора в химической реакции.

Скорость химической реакции. Выполнив немало лабораторных опытов, вы убедились в том, что одни химические реакции протекают мгновенно (например, реакции обмена с образо ванием осадка), другие — достаточно быстро (горение веществ), а некоторые — медленно (реакции разложения). Химические превраще ния минералов в природных условиях вообще не удается заметить, даже наблюдая за веществами в течение многих лет. Каждая реакция протекает с определенной скоростью. Знание скорости реакции, а также факторов, от которых она зависит, умение ее прогнозировать и вычислять необходимы инже нерам, технологам для того, чтобы регулировать протекание реакций, замедлять нежелательные и ускорять те, которые следует осуществить. 95

Скорость реакции, происходящей в однород ной смеси, определяют по изменению количе ства вещества реагента (продукта) в единице объема смеси за единицу времени:

Ал У Ут * В этой формуле и — скорость реакции, Ал — изменение количества вещества, V — объем смеси, т — промежуток времени.

Зависимость скорости реакции от различных факторов. На скорость реакции влияют хими ческая природа реагирующих веществ, их кон центрации (если реагируют газы или растворен ные вещества), площадь поверхности контакта веществ (в неоднородных смесях), температура, иногда — наличие посторонних веществ. Влияние химической природы реагентов на скорость реакции. Надеемся, что вы согласитесь с таким утверждением: скорость реакции опрсдс ляется химической активностью реагентов. Хорошо известно, что металлы неодинаково ведут себя в химических реакциях. Об этом свидетель ствует их ряд активности. Например, реакции щелочных металлов с водой происходят довольно быстро, иногда — со взрывом, а щелочноземель ные металлы взаимодействуют с ней медленнее. ► Одинакова или различна химическая актив ность кислот? Ответ объясните. Влияние концентрации реагентов на ско рость реакции. Под концентрацией1 вещества понимают его количественное содержание в растворе. Один из способов выражения концен трации вам известен. Это — массовая доля растворенного вещества. Для выяснения зависимости скорости реакции от концентрации реагента проведем опыт. 1 Слово «концентрация» происходит от латинского суффикса con (соответствует русскому предлогу с) и слова centrum — сосредоточе ние, накопление. 96

ЛА БО РА ТО РН Ы Й ОПЫ Т № 11 З а в и с и м о с т ь ско р ости р еакц ии о т ко н ц ен тр а ц и и р еаген та

В две пробирки поместите по одинаковой грануле цинка. В одну пробирку налейте 2 мл хлоридной кислоты с массовой долей НС1 5 %, а в другую — такой же объем хлоридной кисло ты с массовой долей НС1 20 %. Что наблюдаете? В какой пробирке взаимодействие металла с кислотой происходит быстрее? Пробирку с цинком и более разбавленной кислотой сохрани те для сравнения с результатом следующего опыта.

Скорость реакции с увеличением концентрации реагента возрастает.

Рис. 38. Реакция

кальций (мрамора) с хлоридной кислотой карбоната

Эту зависимость объясняют так. Увели чение концентрации реагента означает воз растание числа его частиц (атомов, моле кул, ионов) в реакционной смеси. Количе ство столкновений частиц этого вещества с частицами другого реагента увеличивает ся, и скорость реакции возрастает (рис. 38). В результате химической реакции исходные вещества расходуются; их кон центрации уменьшаются. Поэтому реак ция со временем замедляется. Влияние площади поверхности контак та реагентов на скорость реакции. Этот фактор имеет место, если взаимодействие веществ происходит в неоднородной смеси.

ЛА БО РА ТО РН Ы Й ОПЫТ № 12 З а в и с и м о с ть ско р ости р еакц ии в неодн ородн ой см еси от площ ади п о в е р хн о сти конта кта р е а ген то в

В пробирку насыпьте немного цинкового порошка и налейте 2 мл хлоридной кислоты с массовой долей НС1 5 %. Что наблю даете? 97

Сравните скорости реакции кислоты с порошком цинка и с гранулой этого металла (в пробирке из предыдущего опыта). Сделайте вывод о влиянии площади поверхности контакта реагентов на скорость реакции.

Вы увидели, что реакция кислоты с порошком металла происходит с большей скоростью. Объясним результат опыта. Согласно ионно молекулярному уравнению Ъп + 2Н* - Ъп2' + Н21\ в реакции принимают участие атомы Цинка и катионы Гидрогена. Взаимодействовать с ионами Н+ могут лишь атомы Цинка, находящиеся на поверхности металла. Общая площадь поверх ности всех частиц цинкового порошка значи тельно превышает площадь поверхности грану лы металла. Поэтому порошок цинка быстрее взаимодействует с кислотой.

Скорость реакции с увеличением площади поверхности контакта реагентов возрастает. Влияние температуры на скорость реак ции. Для того чтобы ускорить протекание неко торых реакций, вы нагревали вещества. Под твердите такое влияние температуры на хими ческие превращения, выполнив еще один опыт.

Л АБОРАТОРН Ы Й ОПЫ Т № 13 З а в и си м о с ть ско р ости реакц ии от те м п е р а тур ы

В две пробирки насыпьте по 0,5 г порошка купрум(Н) оксида и налейте в каждую по 2 —3 мл хлоридной кислоты с массовой долей НС1 5 %. Содержимое пробирок осторожно перемешайте. Одну пробирку поставьте в штатив, а другую нагрейте, но не до кипения. После того как осядет остаток оксида, сравните цвет растворов. Чем он обусловлен? В какой пробирке реакция происходит с большей скоростью? 98

коростъ реакции с повышением температуры возрастает. Влияние температуры на протекание реакции можно объяснить так. При нагревании жидко сти или газа увеличивается скорость движения молекул, а твердого вещества — интенсивность колебаний частиц в нем. В результате число столкновений частиц реагентов возрастает, а это приводит к увеличению скорости реакции. Влияние посторонних веществ на скорость реакции. В некоторых случаях скорость реак ции или возможность ее протекания зависит от наличия постороннего вещества. Известно, что гкдроген пероксид Н20 2 очень медленно и незаметно разлагается в разбавлен ном водном растворе1 согласно уравнению 2 Н А - 2Н20 + 0 2Т. Некоторые вещества ускоряют эту реакцию. Если к раствору гидроген пероксида добавить порошок манган(1\ ’) оксида, то сразу начинается интенсивное выделение кислорода (рис. 39).

Рис. 39. Разложение гидроген пероксида

в растворе Увеличивает скорость разложения гидроген пероксида и купрум(И) сульфат. В этом можно убедиться, добавив несколько капель голубого раствора этой соли к раствору гидроген перокси да. Вы заметите, что во время интенсивного выделения кислорода окраска жидкости не 1 Этот раствор под названием «перекись водорода» можно приобре сти в аптеке; его используют как дезинфицирующее средство.

изменяется. Значит, соль не расходуется (как, кстати, и манган(1У) оксид).

Вещество, которое увеличивает скорость реакции, оста ваясь неизменным, называют катализатором1.

Это интересно

Существуют вещества, замедляющие химические реакции. Их называют ингибиторами.

Это интересно

Вещества, предотвраща ющие порчу пищевых продуктов, называют кон сервантами.

100

Формулу катализатора записывают в химиче ском уравнении над знаком равенства: МпО, . 2Н20 2 = 2Н20 + 0 2Т. Казалось бы, соединение Мп0 2 или Си804, ускоряя разложение гидроген пероксида, играет роль «волшебной палочки». В действительно сти катализатор принимает участие в реакции как реагент, но одновременно протекает другая реакция, при которой он образуется вновь. В книжках по химии можно найти такую запись: А + К = АК\ АК + В = АВ + К. Она объясняет, как вещества А и В взаимодей ствуют с образованием соединения АВ в присут ствии катализатора К. Значение катализаторов для современной промышленности и техники очень велико. При участии этих веществ осуществляют почти 90 % всех химических превращений. Катализаторы используют в транспортных средствах с двигате лями внутреннего сгорания. Благодаря этим веществам угарный газ (продукт неполного окис ления бензина), реагируя с кислородом, превра щается в углекислый газ. С участием катализаторов происходят реак ции в живых организмах. Эти катализаторы называют ферментами; их вырабатывают живые клетки. Отсутствие или недостаток какого-либо фермента вызывает заболевание, иногда довольно тяжелое. Подробнее о фермен тах вы узнаете на уроках биологии в старших классах.

Термин происходит от греческого слова ка1а1ув18 — разрушение.

выводы

Каждая реакция происходит с определенной скоростью. Скорость реакции зависит от химической природы реагентов, возрастает с увеличением концентрации реагента, площади поверхности контакта реагентов и температуры. Вещество, которое увеличивает скорость реакции, участвуя в ней, но оставаясь после реакции неизменным, называют катализато ром. Катализаторы используют в промышлен ности, транспорте. Природные катализаторы регулируют химические превращения в живых организмах.

9 ■ 14 0 . П р и в е д и те пр и м е р ы хим ич еских р е а к ц и й

в пр ир о де, которы е

происходят:

а) чрезвычайно медленно: б) с заметной скоростью. 141. С какими реакциями, которые имеют различную скорость, вы сталкиваетесь в повседневной жизни? 142. От каких факторов зависит скорость химической реакции: а) в однородной смеси (жидкой, газообразной); б) в неоднородной смеси? 143. Назовите факторы, влияющие на скорость реакции: а) 5 + О2 = в 0 2; б) 2 И0 + 02 = 2 М0 2; в) Си(0Н)2 + Н250„ = Си304 + 2Н20. 144. Необходимо разложить при нагревании определенную массу мела. Напишите соответствующее химическое уравнение. Какие условия нужно создать, чтобы скорость этой реакции была мак симальной? 145. В какой смеси — однородной или неоднородной — скорость реакции зависит от площади поверхности контакта реагентов? Ответ объясните. 146. Какие вещества называют катализаторами? 147. Окисление жиров в лабораторных условиях происходит при тем пературе свыше 450 °С, а в организме человека — при темпера туре тела. Как это можно объяснить? 101

148.

Известно, что катализатором реакции угарного газа с кислоро дом при повышенной температуре является водяной пар. Составьте уравнение реакции между этими газами, а также двух других реакций — с участием катализатора и с его образо ванием.

ДЛЯ ЛЮ БО ЗНАТЕЛЬНЫ Х

О б условиях хр ан ен ия пи щ евы х продуктов

Вы знаете, что почти каждый пищевой продукт, находящийся на воздухе в обычных условиях, быстро портится. Причина — взаи модействие веществ, содержащихся в продукте, друг с другом и с веществами окружающей среды — кислородом, водой и др. Такие реакции желательно предотвращать или хотя бы замедлить. Самый простой путь — изолировать продукты от окружающей среды. Для этого их заворачивают в бумагу, полимерную пленку, алюминиевую фольгу, упаковывают в герметические емкости, а иногда из упаковки еще и откачивают воздух (рис. 40, а). Вы знаете, что скорость химической реакции зависит от темпе ратуры. В жару уже через два-три часа пища становится непригод ной к употреблению. Продукты сохраняются значительно дольше при низкой температуре, в охлажденном или зам о р о ж е н н о м состоянии. Последний способ хранения чаще всего используют для мяса, рыбы (рис. 40, б), некоторых фруктов и ягод. Поскольку скорость реакций возрастает с увеличением поверх ности контакта веществ, многие продукты брикетируют (рис. 40, в). Большинство реакций в неоднородных смесях происходят зна чительно медленнее, чем в однородных, т. е. растворах. Поэтому сроки хранения сухих молочных продуктов и различных концен тратов в десятки и сотни раз превыш ают таковые для свежего молока, жидких супов. Мука и крупы хранятся тем дольше, чем меньше их влажность. Рис. 4 0 . С п осо бы хранения пищ евых продуктов: а — в вакуумной упаковке; б — в за м о р о ж е н ном виде; в — в брикетах

102

я р аздел

Важнейшие органические соединения Развитие человечества неразрывно связано с органическими веществами, их получением и использованием. С незапамятных времен люди умели извлекать растительное масло из семян подсолнечника и некоторых других растений, позже научились получать сахар из тростника и сахарной свеклы, крахмал из картофеля. Они выпекали хлеб, варили пиво, изготовляли сыр, вино, уксус, неосознанно осуществляя химичес кие реакции с участием органических веществ. В этом разделе вы ознакомитесь с наиболее важными и распространенными органическими соединениями, узнаете о задачах, которые реша ют ученые-химики, убедитесь в том, что без мно гих органических веществ, производимых на химических заводах, невозможно представить жизнь современного человека.

Органические соединения. Органическая химия Материал параграфа поможет вам: > выяснить отличия органических веществ от неорганических: понять причины многочисленности органических соединений: 10 3

узнать о практическом значении достижений в области органической химии.

Органические вещества. Из курса химии 7 класса вам известно, что все вещества делят на органические и неорганические (схема 1 ). Схема 1 Тилы веществ ВЕЩЕСТВА неорганические простые (металлы, неметаллы)

сложные (оксиды, основания,

органические

соединения Карбона

кислоты, амфотерные гидроксиды, соли, другие соединения)

Неорганические вещества очень распростра нены в природе. Они входят в состав минералов, руд, горных пород, содержатся в воздухе, реках, морях и океанах. Многие соединения такого типа получены в лабораториях. Их образуют почти все химические элементы. Вещества, содержащиеся в растениях, орга низмах животных и человека, а также продуктах их жизнедеятельности, названы органически ми. Среди них — белки, жиры, сахар, глюкоза, крахмал, витамины, эфирные масла, красители (рис. 41).

Р и с. 41. О рганические ве щ ества , вы деляем ы е из растений

Сейчас мы знаем, что органические вещества есть не только в живой природе. Они составля104

ют основу горючих ископаемых — нефти, при родного газа, угля.

Органические вещества — это соединения Карбона1.

Элементыо р ган о ге н ы

Н О N в Р

В состав молекул органических соединений, кроме атомов Карбона, входят атомы Гидрогена, часто — еще и Оксигена, Нитрогена, иногда — Сульфура, Фосфора. Все эти элементы называют элементами-органогенами. Органических веществ известно намного больше, чем неорганических, — свыше 2 0 мил лионов. Их многочисленность и разнообразие обусловлены способностью атомов Карбона: • проявлять достаточно высокую валентность (ее значение равно 4); • соединяться друг с другом простыми (С-С) или кратными ковалентными связями — двойными (С=С), тройными (С=С); • образовывать неразветвленные, разветвлен ные и замкнутые цепи. Пример неразветвленной цепи из атомов Кар бона с простыми ковалентными связями: 1 1 1 1 1 1 1 1 1

-С -С -С -С -С -С -С -С -С 1 1 1 1 1 1 1 1 1

Рис. 42. Растительное м а сл о

не раств ор яется в воде

Почти все органические соединения со стоят из молекул. Поэтому они имеют невы сокие температуры плавления и кипения, а многие являются летучими. Не случайно цветы, фрукты, ягоды, овощи, пищевые продукты имеют разнообразные запахи. Значительное количество органических веществ растворяется в спирте, ацетоне, керосине, бензине, но не растворяется в воде (рис. 42). Это объясняется наличием в их молекулах неполярных или малополяр ных ковалентных связей. При нагревании многие органические вещества загораются или разлагаются, а некоторые — обугливаются12 (рис. 43).

Угарный и углекислый газы, карбонатная кислота и ее соли отно к неорганическим соединениям. 2 Уголь, как известно, состоит в основном из атомов Карбона. 1

сятся

105

Рис. 43. Обугливание ваты

Органическая химия. Долгое время счи талось, что получить органические вещества в лаборатории с помощью химических реак ций невозможно. Но в 1828 г. немецкий химик Ф. Вёлер доказал, что это не так. Он впервые получил из неорганического веще ства органическое — мочевину. Открытие ученого положило начало новому этапу развития химии. Извлечение органических соединений из природного сырья перестало быть для химиков главной целью. Сейчас ученые синтезируют все больше органичес ких веществ, «неизвестных» природе, изу чают их свойства, участвуют в подготовке этих веществ к практическому применению.

О бласть хи м и и , п р едм етом которой я в л я ет ся и зу ч ен и е органических соединений и их превращ ений, назы ваю т

органической химией. Благодаря достижениям органической химии

современная промышленность выпускает новые материалы, разнообразные полимеры и пластмас сы, лекарства, средства защиты растений, другие вещества, которые мы используем в нашей де ятельности и повседневной жизни (схема 2 ). Схема 2 Органическая химия — человеку

106

Исследования в области органической химии способствуют развитию медицины, химической технологии, пищевой и легкой промышленности. Знание возможностей взаимопревращений органических соединений помогает раскрывать тайны, связанные с возникновением и существо ванием жизни на нашей планете. Перед учеными, работающими в области орга нической химии, поставлено немало практичес ких задач. Среди них — прогнозирование мето дов получения новых органических соединений, создание на их основе материалов с полезными свойствами, синтетических тканей и красителей, эффективных лекарств, пищевых добавок, разработка различных тех нологических процессов и т. д. Достижения органической химии используют для решения таких важ ных экологических проблем, как очистка водоемов (рис. 44), умень шение загрязнения воздуха выброса ми промышленных предприятий и транспортных средств, утилизация Рис. 44. химического оружия, переработка Последствия загрязнения бытовых отходов. воды нефтью

ВЫВОДЫ

Органические вещества — соединения Карбо на. В состав их молекул, кроме атомов Карбона, входят атомы Гидрогена, Оксигена, Нитрогена, Сульфура, Фосфора. Эти элементы называют элементами-органогенами. Органические вещества плавятся и кипят при невысоких температурах, растворяются в орга нических растворителях. Многие из них горючи. Область химии, которая изучает органичес кие соединения и их превращения, называют органической химией. Она в значительной степе ни обеспечивает прогресс нашей цивилизации, помогает в осуществлении мер по охране окру жающей среды. 107

’

9 149. Какие соединения называют органическими? Назовите элемен ты-органогены. 150. Почему органических веществ намного больше, чем неоргани ческих? 151. Среди приведенных формул укажите те, которые относятся к органическим веществам: С, СН 3М-12, № 2С03, НС1, С 2Н50Н, С02, С 2Н6, СН 3С1. 152. Сравните органические и неорганические вещества, записав их характерные особенности в таблицу: Органические вещества

Неорганические вещества

1 . Качественный состав 2 . Строение 3. Физические свойства

153. Изобразите структурные формулы 1 молекул органических соеди нений с такими химическими формулами: СН4, СНС13, С 2Н4, СН 3МН2, (СН3)20. 154. Назовите новые материалы, появление которых связано, по вашему мнению, с достижениями органической химии. 155. Вычислите массовые доли элементов: а) в муравьиной кислоте НСООН; б) в метиловом спирте СН 30Н. 156. Выведите химическую формулу галогенсодержащего органическо го соединения с относительной молекулярной массой 1 2 1 , если его молекула содержит два атома Хлора и два атома другого гало гена. Изобразите структурную формулу молекулы соединения.

У глеводороды Углеводороды — соединения, от которых про исходят все органические вещества. Они широ ко распространены в природе; из них почти пол1 Так называют в органической химии графические формулы молекул.

108

ностью состоят нефть и природный газ. Эти полезные ископаемые и продукты их переработ ки используют в качестве топлива, горючего, сырья в производстве полимерных материалов, средств защиты растений, товаров бытовой химии, лекарств и т. п. Слово «углеводород* происходит от двух слов — «углерод* (общее название простых веществ Карбона) и «водород» (название про стого вещества Гидрогена). У гл еводор оды — со е д и н е н и я К а р б о н а с Г и др оген ом . Углеводороды С»Нга

Общая формула углеводородов — С „Н т . и у классе вы будете изучать насыщенные и ненасыщенные углеводороды1.

У гл ев одор оды , в м о л ек у л а х котор ы х атом ы К а р б о н а с о еди н ен ы др у г с др угом п р осты м и к ов ал ен тн ы м и св я зя м и , н а зы в а ю т н а с ы щ е н н ы м и , а и м е ю щ и е т а к ж е д в о й н ы е и /и л и т р ой н ы е св я зи — н е н а с ы щ е н н ы м и . Насыщенные углеводороды получили такое название потому, что каждый атом Карбона в их молекулах использует свои валентные возмож ности в полной мере, соединяясь с максималь ным числом других атомов.

Метан

Материал параграфа поможет вам: понять строение молекулы метана: выяснить свойства метана; узнать о применении метана.

1 Существуют и другие названия этих соединений — предельные углеводороды, непредельные углеводороды.

10 9

Это интересно

По утвержде ниям ученых метан входит в состав газовых оболочек и твердых частей Юпитера и Сатурна.

Простейшим насыщенным углеводородом является метан. Формула этого соединения — СН4. Распространенность в природе. Метан — основной компонент природного газа. Его объем ная доля в зависимости от месторождения со ставляет 85—99 %. Он также содержится в нефти, угольных залежах. В Украине имеются месторождения природного газа; ежегодно его добывают до 2 0 млрд м3. В природе метан образуется при разложении останков растений и животных без доступа воз духа. Поскольку метан нередко выделяется из болот, его иногда называют болотным газом. Строение молекулы. В молекуле метана, как и в молекулах других органических соедине ний, атом Карбона четырехвалентный. Чтобы проявлять такую валентность, он должен иметь четыре неспаренных электрона. Это достигает ся путем возбуждения атома и перехода одного электрона из 2 «-орбитали в вакантную 2 р-орбиталь: С с* Ъ г2^2рг 1в225'2р3

1в [ п ]

[тГ]

основное состояние

возбужденное состояние

Каждая внешняя орбиталь возбужденного атома Карбона содержит один электрон. За счет четырех неспаренных электронов атома Карбона и электронов четырех атомов Гидрогена в молекуле метана образуются четыре общих электронных пары: Н Н Н: С=Н Н -С -Н I

электронная формула 110

структурная формула

Рис. 45. 25-орбиталь и три 2р-орбитали атома Карбона

Приведенные формулы не отражают пространственного строения молекулы метана. В соответствии с ними все атомы в молекуле должны находиться в одной плоскости, а углы между соседними чер точками-связями — составлять 90°. На самом деле это не так. При образовании молекулы метана 2.ч-орбиталь и три 2р-орбитали атома Кар бона (рис. 45) превращаются в четыре оди наковые орбитали, имеющие вид объемных несимметричных восьмерок:

Рис. 46. Размещение орбиталей в молекуле метана

Изменившиеся орбитали размещаются в трехмерном пространстве на одинаковом удалении друг от друга под углами 109,5° (рис. 46). Больший «лепесток» каждой новой орбитали атома Карбона перекрывается со сферической орбиталью одного из атомов Гидрогена. Так образуются четы ре ковалентные связи С -Н . Перекрыва ние орбиталей атомов Карбона и Гидро гена происходит вдоль линий, которые соединяют центры атомов. Такую кова лентную связь называют простой, или о-связью. Если соединить линиями центры всех атомов Гидрогена, то получим геометри ческую фигуру — тетраэдр1 (рис. 46). По этому говорят, что молекула метана имеет тетраэдрическое строение.

1 Слово происходит от греческих слов 1е1га — четыре и Ьебга — поверхность. Тетраэдр имеет четыре одинаковые грани, которые являются правильными треугольниками.

111

Модели молекулы метана изображены 1 на рисунке 47. (Особенности шаростержневой и масштабной моделей описаны в § 1 .)

ЛАБО РАТО РН Ы Й О П Ы Т № 14 И згото вл е н и е ш ар о стер ж н ев о й м одели м олекулы м етана

Вам выдан набор для изготовления моделей молекул органи ческих соединений. Найдите в нем четыре одинаковых шарика (они будут имитировать атомы Гидрогена), один больший шарик другого цвета (атом Карбона) и четыре стержня или тру бочки. В каждом шарике есть отверстия для соединения со стержнями (или выступы для соединения с трубочками). Соберите шаростержневую модель молекулы метана. Поскольку электроотрицательности Карбона и Гидрогена отличаются мало, то ковалентная связь С-Н является малополярной. Однако сама молекула СН4 неполярна; ее невозможно разде лить на две части, одна из которых имела бы положительный заряд, а другая — отрицатель ный. Этим молекула метана отличается от полярной молекулы воды (§ 1 ). Физические свойства. Метан — бесцветный газ, не имеющий запаха. При охлаждении до температуры -1 6 2 °С (при нормальном давле нии) он превращается в жидкость. Метан легче воздуха; этот газ почти не растворяется в воде.

Рис. 47. Модели молекулы метана: а — шаростержневая; б — масштабная Белые шарики — атомы Гидрогена, черные — атомы Карбона 1 Существуют компьютерные программы, с помощью которых можно «построить» модель любой молекулы.

11 2

Химические св о йства. Метан СН4 химически пассивен. Он, например, не проявляет кислотных свойств, как хлороводород НС1 или сероводород Н 28 в вод ном растворе. Причиной этого является очень малая полярность связей С-Н. Метан не взаимодействует с водой (в обычных условиях), металлами, оксида ми, основаниями, кислотами, солями. Соединение реагирует с кислородом и галогенами — фтором, хлором, бромом. Реакция горения. Метан, как и боль шинство органических соединений, явля ется горючим веществом. На воздухе он горит голубоватым пламенем (рис. 48):

Рис. 48. Горение метана: а — в газовой горелке; б — в конфорке бытовой плиты

СН4 + 2 0 2 Л С 0 2 + 2 Н 20 . Обратите внимание: в уравнениях реак ций с участием органических соединений записывают стрелки, а не знаки равен ства. Определить продукты реакции горения мета на мож но с помощью опыта, изображенного на рисунке 49. Изменение белого цвета безводного купрум(И) сульфата на голубой свидетельствует об образовании при горении метана водяного пара, который взаимодействует с солью (продукт реакции — медный купорос). Помутнение изве стковой воды вызывает кальций карбонат, обра зующийся в результате реакции углекислого газа с раствором кальций гидроксида.

Рис. 49. Обнаружение продуктов горения метана 113

Если воздуха (кислорода) недостаточно, то при горении метана может образовываться угар ный газ или углерод: СН4 + 0 2 Л с 0 + Н 20;

сн4+ о2Л с+ н 2о. О недостатке кислорода при горении метана может свидетельствовать увеличение яркости пламени (оно становится желтым из-за раска ленных мелких частиц углерода) или появление копоти 1 на поверхности предмета (кастрюли, чайника), находящегося в пламени. Превратите две последние схемы реакций в химические уравнения. Смесь метана и воздуха (или кислорода) взры воопасна. Достаточно искры, чтобы произошел взрыв. Поэтому нужно быть очень осторожным, пользуясь природным газом в быту. Взрывы смесей метана с воздухом, несмотря на меры предосторожности, время от времени случаются в угольных шахтах. Они приводят к гибели шах теров. Реакции с галогенам и. Метан на свету, а при нагревании — и в темноте, взаимодействует с хлором. Это — реакция замещения12. Она заклю чается в последовательном замещении атомов Гидрогена в молекуле метана на атомы Хлора:

Н И - С - СІ + НС1; і Н хлорометан

Н ________ н Н -С ІН + С1+С1 АУИЛИ^ н _С_С1 + НС1; I -----------I С1 С1 дихлорометан 1 Копоть, или сажа, — вещество, которое почти полностью состоит из атомов Карбона. 2 Продуктами реакции замещения в органической химии являются два сложных вещества, а в неорганической химии — сложное и простое.

114

С1-С| н СІ

+ С1-І-С1 ^

С1 -С -С 1 + НС1; СІ трихлорометан

СІ_______________

СІ

сі-с|н + сьісі '1-1-ли|>сі-с-сі + неї. СІ

СІ тетрахлорометан

Реакцию между органическим соединением и хлором называют реакцией хлорирования, а ее продукты — хлоропроизводными этого со единения. Хлорирование метана можно проиллюстриро вать такой схемой: СН4 *С1* > СН3С1 <,С1* > СН2С12 * С1* > СНС13 * С1а > СС14. -НСІ

-НС1

-н а

В ней над каждой стрелкой указана формула реагента, а под стрелкой — формула «второсте пенного» продукта реакции (в данном случае — хлороводорода). Такую запись последователь ных реакций используют в органической химии довольно часто. Осуществить какую-либо одну стадию взаи модействия метана с хлором не удается; всегда одновременно образуются несколько хлоропро изводных этого углеводорода. Реакция метана с бромом происходит анало гично. Со фтором метан взрывается, а с иодом в обычных условиях не взаимодействует. Реакции с водяны м паром и углекислы м газом . Метан взаимодействует при высокой тем пературе в присутствии катализаторов с водя ным паром, а также с углекислым газом. Эти р е ак ц и и им ею т п р ак ти ч еск у ю зн ач и м ость. И х

осуществляют в промышленности для получе ния карбон(И) оксида, водорода, горючих газо вых смесей: СН4 + Н20 (пар) СН4 + С0 2

СО + ЗН2; 2СО + 2Н2. 11 5

Смесь СО и Н2 называют синтезгазом. Из нее на химических заводах производят жидкое горючее, некото рые органические вещества. Т ерм ическое разлож ение. При сильном нагревании без доступа воз духа метан разлагается на простые вещества: 1200 °С ,

СН4 »С + 2Н2. Осуществляя эту реакцию, в промышленности получают водород и сажу — наполнитель резины. Применение. Метан (природный газ) исполь зуют главным образом в качестве топлива — в теплоэнергетике, промышленности, быту. Иногда он служит горючим в автомобильных двигате лях. На транспортных средствах устанавливают баллоны с природным газом, находящимся в них под высоким давлением (рис. 50). Метан также является сырьем для производства важ ных органических веществ. Физиологическое действие. Метан при дли тельном вдыхании вызывает отравление, кото рое иногда приводит к смерти. Для легкости обнаружения утечки газа из газопровода, баллона или плиты к нему на газораспределительных станциях добавляют вещества с очень неприят ным запахом. Пользуясь газом в быту, нужно чаще проветривать помещение.

Рис. 50. Автобус, двигатель которого работает на природном газе

ВЫВОДЫ

Метан СН4 — простейший насыщенный углеводород. Он является основным компонен том природного газа. Молекула соединения имеет тетраэдрическое строение. Метан — бесцветный газ, не имеющий запаха, нерастворимый в воде. Это — химически пас сивное соединение, которое взаимодействует с кислородом, галогенами, а при высокой тем пературе — с водяным паром и углекислым газом. 116

Метан (природный газ) используют в каче стве топлива и горючего, а также как сырье в химической промышленности.

9 я 157. Почему метан называют углеводородом? К какой группе углево дородов он относится? 158. Охарактеризуйте строение молекулы метана. 159. Можно ли отличить метан от водорода или хлороводорода: а) по физическим свойствам; б) с помощью индикатора? Если можно, то как именно? 160. Название какой реакции с участием метана связано с названи ем второго реагента? Приведите соответствующее химическое уравнение. 161. Допишите схему последовательного бромирования метана: СН 4 - - вГ? >.... Что означают записи над и под каждой стрелкой?

—НВг

162. При взаимодействии алюминий карбида (соединение Алюминия с Карбоном) и воды образуются метан и алюминий гидроксид. Напишите соответствующее химическое уравнение. 163. Найдите массовые доли элементов в метане. (Устно.) 164. Легче или тяжелее метан; а) водорода; б) воздуха? Во сколько раз? 165. Какой объем хлора (в пересчете на нормальные условия) расхо дуется на полное хлорирование 1,5 моль метана? 166. Хватит ли 20 л воздуха для сжигания 1 л метана?

НА ДОСУГЕ

И з го то в л е н и е м а с ш та б н о й м од е ли м олекулы м е т а н а 1

Слепите из пластилина четыре одинаковых шарика одного цвета для атомов Гидрогена и один больший шарик другого цвета для атома Карбона. Заготовьте четыре палочки (из спичек); ими будете соеди нять шарики.

1 Если в химическом кабинете есть набор для изготовления мас штабных моделей молекул, учитель может предложить собрать такую модель на уроке.

117

Сделайте на "карбоновом- шарике четыре равноудаленные метки, вставьте в эти места палочки и закрепите на них -гидрогеновые» шарики так, чтобы палочек не было видно. -Гидрогеновые» шарики плотно прижмите к -карбоновому» до их небольшого сплющивания. Так вы сымитируете перекрывание орбиталей атомов Карбона и Гидрогена.

Гомологи метана (алканы)

Материал параграфа поможет вам: выяснить, что такое гомологический ряд соеди нений и какие углеводороды являются гомолога ми метана; называть гомологи метана (алканы); составлять формулы алканов.

Формулы соединений. В предыдущем парагра фе шла речь о простейшем насыщенном углеводо роде — метане СН4. Выведем формулы насыщен ных углеводородов, молекулы которых содержат два и три атома Карбона. Сначала соединим атомы Карбона черточками (как известно, чер точкой обозначают простую ковалентную связь): С-С С-С-С Затем от каждого атома Карбона проведем столько дополнительных черточек, чтобы их у него было всего четыре (атом Карбона четырех валентный): II I I I -С-С-с-с-сII I I I После этого допишем к каждой черточке атом Гидрогена и получим формулы соответствую щих углеводородов: Н Н ННН Н -С -С -Н (или С2Нв) Н -С -С -С -Н (или С3 Н8) Н Н ННН 118

Составленные структурные формулы моле кул можно записать в сокращенном виде, оста вив черточки только между атомами Карбона: СН3 -СН 3 СН3-СН 2-СН 3 Таким способом можно вывести структурные формулы молекул других углеводородов с про стыми ковалентными связями и открытой неразветвленной цепью из атомов Карбона. Углеводороды СН4, С2Н6, С3Н8 принадлежат к гомологическому ряду метана.

Гомологическим рядом называют ряд органических соединений, молекулы которых имею4' сходное строе ние и отличаются по составу на одну или нескольк: групп атомов СН2. Группа атомов СН2 получила название «гомо логическая разность*. Соединения С2Н6, С3Н8 и многие другие являются гомологами метана. ! .асьнценпы е углеводороды , в м олекулах которы х им еется пкры тая цепь из атомов К арбона, называют' а л к а н а м и .

Алканы СцН^+г

Для того чтобы составить химическую форму лу алкана с четырьмя атомами Карбона в моле куле, достаточно добавить к формуле С3Н8 груп пу атомов СН2. Получаем: С3Н8СН2 => С4Н10. Эту формулу можно также вывести из формулы метана: СН4(СН2)з —: С4Нщ. Если алкан содержит п атомов Карбона в молекуле, то его формула — СН4(СН2)„_1, или СдИгп+г. Вторая формула является общей для углеводородов этого типа. Названия. Для четырех простейших по составу алканов существуют такие названия: метан, этан, пропан, бутан. Названия осталь ных алканов происходят от иноязычных числительных (с. 15), которые соответствуют числу атомов Карбона в молекулах соединений (табл. 1). Все названия алканов имеют суффикс -а н , такой ж е, как и в общем названии этих углеводородов. 119

Таблица 1 Гомологи метана (алканы) Формула структурная (сокращенная)

Назвахимическая кие Метам

сн 4

сн .

Этам

СгНв

с н 3- с н 3

Пропан Бутам Пентам

с 3н 8 С4н,„ С5Н12

с н 3- с н 2- с н 3 с н 3- с н 2- с н 2- с н 3 с н 3- с н 2- с н 2- с н 2- с н 3

Гексам Гептам Октам Нонам Декам

СвНм

с н 3- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 3 с н 3- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 3 с н 3- с н 2- с н 3- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 3 с н 3- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 3 с н ,- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 2- с н 3

С7н 1в

СвН|8 СдНэд ^10^22

Строение молекул. Вам известно, что молекула метана имеет форму тетраэдра. Выясним про странственное строение молекул других алканов.

ЛАБО РАТО РН Ы Й ОПЫ Т № 15

Изготовление шаростержневых моделей молекул этана и пропана Найдите в наборе для составления моделей молекул одинако вые шарики с одним отверстием или выступом для атомов Гидрогена, большие шарики другого цвета с четырьмя отвер стиями или выступами для атомов Карбона, а также стержни или трубочки. Соберите модели молекул этана и пропана. Какую форму имеет цепь из атомов Карбона в изготовленной модели молекулы пропана?

В соответствии с моделями молекул этана (рис. 51) и пропана, все атомы в них размещены не на плоскости, а в трехмерном пространстве. В молекулах пропана, бутана (рис. 52), других гомологов метана центры атомов Карбона нахо дятся на ломаной, зигзагообразной линии. По-

120

Рис. 51. Ш аростержневая модель молекулы

этому сокращенные структурные формулы молекул пропана и бутана должны выгля деть так: СН2 СН2 СН3 / \ \ V СН3 СН3 , СН3 СН2 В школьном курсе химии для упрощения используют не зигзагообразные, а линей ные структурные формулы молекул углево дородов.

этана

Н Рис. 52. Зигзагообразная форма карбоновой цепи

Н—

® |

молекулы бутана

ВЫВОДЫ

Насыщенные углеводороды с открытой кар боновой цепью в молекулах называют алкана ми. Их общая формула — С„Н2п+2. Ряд органических соединений, имеющих сходные по строению молекулы, отличающиеся по составу на одну или несколько групп атомов СН2, называют гомологическим рядом. Названия большинства алканов состоят из соответствующих иноязычных числительных и суффикса -ан. Молекулы пропана и последующих гомоло гов метана имеют зигзагообразную карбоновую цепь.

9■ 167. Что такое гомологический ряд? Какие соединения называют гомологами? 168. Среди приведенных формул укажите те, которые принадлежат соединениям гомологического ряда метана: С3Н6, С5Н12, С6Н12, С 7Н16.

121

169. Установите последовательность алканов по уменьшению числа атомов Карбона в их молекулах: а) гептан; б) бутан; в) гексан; г) пентан; д) пропан. 170. Изобразите электронную формулу молекулы: а) этана; б) про пана. 171. Запишите формулу алкана, молекула которого содержит вдвое больше атомов Гидрогена, чем молекула бутана. 172. Укажите правильное окончание предложения «Отношение числа атомов Гчдрогена к числу атомов Карбона в молекулах алканов с возрастанием их молярной массы...»: а) уменьшается; б) увеличивается; в) изменяется хаотически. 173. Какова относительная молекулярная масса гомолога метана, в молекуле которого содержится четыре атома Карбона? (Устно.) 174. В каком соединении массовая доля Карбона наибольшая — в этане, пропане или бутане? Попробуйте дать ответ, не проводя расчетов. 175. Вычислите количество вещества: а) в 15 г этана; б) в 4,48 л бута на (н. у.). (Устно.) 176. Выведите формулу углеводорода гомологического ряда метана с массовой долей Карбона 80 %.

ДЛЯ ЛЮ БОЗНАТЕЛЬНЫ Х

И зом ер ия

Для молекулы С4Н10 можно построить не только «линейную» карбо1 1 1 1

I I I

новую ц е п ь - С - С - С - С - . но и р азв е тв л е н н ую : - С - С - С - .

-С Соответствующие структурные формулы и их сокращенные вариан ты имеют такой вид:

н1 1н 1н1 н н-с-с-с-с-н 1 1 1 1 ннн н

122

ннн н-с-с-с-н I I I н✓ сI \ н Инн

сн3-сн 2-сн 2-сн 3

сн3-сн -сн 3 СН 3

Каждая формула отвечает определенной молекуле. Таким образом, существуют два насыщенных углеводорода с одинаковыми химиче скими формулами С4Н10, но с молекулами разного строения — неразветвленного и разветвленного. Соединения, молекулы которых имеют одинаковый состав, но раз ное строение, называют изомерами, а явление существования таких соединений — изомерией. С увеличением числа атомов Карбона в молекулах углеводородов количество изомеров резко возрастает. Для соединений СН4, С 2Н6 и С3Н8 изомеров не существует. Одну и ту же формулу С4Н10 имеют два углеводорода, С 5Н12 — три, С6Н14 — пять, С7Н16 — девять и т. д. Явление изомерии — одна из причин разнообразия и многочислен ности органических соединений. Если молекула углеводорода имеет неразветвленное (•нормаль ное») строение, то перед его названием записывают букву н и дефис. Например, соединение с формулой СН 3- С Н 2- С Н 2- С Н 3 называют н-буганом. Изомер бутана СН 3- С Н - С Н 3 имеет название -изобутан». СН 3

НА ДОСУГЕ И зготовление м асш табны х моделей молекул этана и пропана1

Слепите из пластилина одинаковые шарики одного цвета для атомов Гидрогена и одинаковые ббльшие шарики другого цвета для атомов Карбона. Сделайте палочки(из спичек)для соединения шариков. Изготовьте масштабные модели молекул этана и пропана (рис. 53). воспользовавшись такими советами: 1) масштабную модель молекулы этана лучше собрать, сделав сначала масштабные модели двух групп атомов СН3, а затем со единив их палочкой и слегка прижав «атомы» Карбона друг к другу;

1 Учитель может предложить собрать эти модели на уроке, восполь зовавшись соответствующим набором.

123

Рис. 53. М асш табны е модели молекул: а — этана; б — пропана

2) масштабную модель молекулы пропана лучше собрать из мас штабных моделей двух групп атомов СН3 и одной группы атомов СН2.

Свойства и применение алканов Материал параграфа поможет вам: > выяснить свойства гомологов метана; > узнать о применении алканов.

Р ис. 54. С м е с ь гексана (верхний слой) с водой

124

Физические свойства. Этан, пропан и бутан в обычных условиях (при температу ре 20 °С) являются газами, следующие две надцать гомологов метана — жидкостями (они имеют характерный, «бензиновый» запах), а остальные — твердыми вещест вами. Температуры плавления и кипения алканов с увеличением числа атомов Кар бона в молекулах возрастают. Гомологи метана — бесцветные вещества. Поскольку их молекулы практически непо лярны, эти соединения нерастворимы в воде (рис. 54), но хорошо растворяются (во мно гих случаях — неограниченно) в органичес ких растворителях и друг в друге. Распространенность в природе. Неболь шие количества этана, пропана и бутана содержатся в природном газе, попутном нефтяном газе (он находится вместе с неф-

Рис. 55. Нефть —

природный

источник гомологов метана

тью в ее месторождениях), а также в газе, который выделяется в угольных шахтах. В состав нефти (рис. 55) входят преимуще ственно жидкие насыщенные углеводоро ды, а пчелиного воска и озокерита (горный воск) — твердые. Химические свойства. Как и метан, все его гомологи химически пассивны. Они взаимодействуют с галогенами, горят. Реакции с галогенами. На свету или при нагревании насыщенные углеводороды реагируют с хлором и бромом. Это — реак ции замещения. Хлорирование этана начинается в соот ветствии с таким уравнением: СН3 -СН 3 + С12 Ау-11Л"-( >СН3-СН 2С1 + НС1

(или С2Н6 + С12 Н— - ' > С2 Н6С1 + НС1). При дальнейшем взаимодействии веществ происходит замещение других атомов Гидрогена на атомы Хлора. Реакции алканов со фтором сопровождаются разрывом связей С-С и образованием карбон фторида СР4 и фтороводорода НК. Реакции с кислородом. Все гомологи метана, как и другие углеводороды, при поджигании горят с образованием углекислого газа и водяного пара. С увеличением молекулярной массы углево дорода пламя становится ярче. Парафиновая1 свеча, в отличие от природного газа, горит яркожелтым пламенем (рис. 56, а). Такой цвет обу словлен свечением раскаленных частиц сажи — одного из продуктов термического разложения углеводородов. Эти частицы быстро сгорают. Если воздуха (кислорода) недостаточно, часть атомов Карбона окисляется не полно стью, и образуется угарный газ или углерод. Такие условия можно создать, поместив в пламя свечи фарфоровую чашку. На ее поверх ности появляется копоть — очень мелкие частицы сажи (рис. 56, б). ' Парафин — смесь твердых углеводородов с количеством атомов Карбона в молекулах от 18 до 35. 125

Рис. 56.

Горение парафиновой свечи: а — в обычных условиях; б — при недостаточном доступе воздуха

Рис. 57.

Баллон с пропанбутановой смесью

Применение. Этан, пропан и бутан использу ют в значительно меньшей степени, чем метан. Смесью сжиженных пропана и бутана заполня ют баллоны различной емкости (рис. 57), кото рые используют в быту для газовых плит. Если вентиль баллона открыть, то из него будет выходить газ, но не жидкость. Пропан-бутановая смесь — один из видов горючего в двига телях внутреннего сгорания. Гомологи метана с количеством атомов Карбона в молекулах от 6 до 20 являются основными компонентами бензина и керо сина. Неполное сгорание автомобильного горюче го, а также выделение из двигателя угарного газа приводят к существенному загрязнению воздуха в городах и на автомагистралях. Для уменьшения вредных выбросов к выхлопной трубе автомобиля присоединяют ем кость с катализатором (рис. 58), который способствует превращению угарного газа и остатков горюче го в углекислый газ и водяной пар.

Смеси жидких углеводородов — уайтспирит, петролейный эфир — используют в качестве растворителей для лаков и красок. Разнообразное применение имеют вазелин (смесь жидких и твердых насыщенных углеводородов) и парафин. Гомологи метана являются сырьем для произ водства многих важных органических соедине126

Рис. 58. Н асадка с катализатором в разрезе

ний. Например, из бутана получают значитель ное количество уксусной кислоты.

выводы

Этан, пропан и бутан при обычных условиях являются газами, а насыщенные углеводоро ды с большими относительными молекуляр ными массами — жидкостями или твердыми веществами. Гомологи метана — бесцветные вещества, нерастворимые в воде, но растворя ются в органических растворителях и друг в друге. Этан, пропан, бутан содержатся в природном и попутном нефтяном газах. Многие алканы входят в состав нефти. Гомологи метана химически пассивны. Они вступают в реакции замещения с галогенами, горят. Алканы используют в качестве топлива, горючего, а также как сырье для производства органических веществ.

9 ■

177. Как изменяются физические свойства алканов с возрастанием их относительных молекулярных масс? 178. Допишите схемы реакций и превратите их в химические уравне ния: а) С3Н8 + ...02 (избыток) -» ...; б ) ... (алкан) + ...02 -> 5С02+ ...Н20; в) С3Н8 + С12 -> ... (первая стадия). 127

179. Вычислите плотность (при н. у.) и относительную плотность по водороду: а) этана; б) пропана. 180. Какой объем воздуха расходуется на сжигание 1 л этана? Счи тайте, что объемы газов отвечают нормальным условиям, а объемная доля кислорода в воздухе равна 20 %. 181. В баллоне содержится 20 кг смеси пропана и бутана с массовой долей пропана 22 %. Вычислите объемные доли газов в смеси, которая выходит из баллона. 182. Выведите формулу алкана с массовой долей Карбона 84 %.

Этилен

Материал параграфа поможет вам: понять строение молекулы этилена: выяснить свойства этилена; узнать о получении и применении этилена.

Вы знаете, что кроме насыщенных углеводо родов существуют ненасыщенные углеводоро ды. В их молекулах атомы Карбона соединены не только простыми связями, но и кратными (двойными, тройными). Простейшим углеводородом с двойной свя зью в молекуле является этилен. Его химиче ская формула — С2Н4, а электронная и струк турная формулы молекулы — Н : С ::С :Н

н н б Рис. 59. Модели молекулы этилена: а — шаростержневая; б — масштабная 128

Н -С = С -Н , или СН,=СН,.

нц

Другое название этого углеводорода — этен. Оно отличается от названия насыщенного углеводорода этана суффиксом ( ен). Строение молекулы. В соответствии с иссле дованиями ученых, все атомы молекулы этиле на С2Н4 расположены в одной плоскости, а углы между линиями, которые соединяют центры атомов, составляют по 120° (рис. 59).

К ак известно, ато м К арбона об р азу е т кова лен тн ы е

связи за счет четырех

неспаренны х

электронов 2-го эне р ге ти че ск ого уровня:

[Т]ШИШ Э то т ато м соединен в молекуле этилена с дру гим ато м ом Карбона и двум я ато м ам и Гидрогена. Он образует

с ними три о-связи, в которых прини

м аю т участие э-электрон и д в а р-электрона. Орби тали, в которых находятся эти электроны, изменя ю т свою форму и становятся одинаковыми:

О си

новых ор б итал ей

р аспо л агаю тся в одной

плоскости, а углы меж ду ни м и состав л я ю т по 120Р:

120“

Такие орбитали каж дого а то м а К ар б она п е р е крываю тся с аналогичной орбиталью другого ато м а К арбона и с о сф ер ич еск и м и орбиталями двух а то м о в Гидрогена:

Ч е тв е р т ы й

неспаренны й

электрон

Карбона, р-электрон, о б р а зу е т д р у го г о

я-связь.

атом а

Карбона

так

атом а

р-электроном назы ваем ую

О рбитали этих эл ектр оно в перпендику

лярны к плоскости, в которой находятся ц ентры

1 29

в с е х атомов молекулы. Они перекрываются на двух участках — над и под этой плоскостью:

Таким образом, между атом ам и Карбона в молекуле этилена существует двойная с в я з ь , которая состоит из ст- и п -с в я з и . Наличие п -с в я з и существенно влияет на харак теристики молекулы этилена. Эта связь обусла вливает уменьшение расстояния между центра ми атомов Карбонадо 0,134 нм (в случае простой ковалентной с в я з и оно составляет 0,154 нм).

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 16 И зготовл ен и е ш ар остер ж н ев ой м одели м олекулы эти л е н а

Найдите в наборе для составления моделей молекул четыре одинаковых шарика одного цвета для атомов Гидрогена и два больших шарика другого цвета для атомов Карбона, а также стержни или трубочки. Соберите шаростержневую модель молекулы этилена. «Атомы» Карбона соедините двумя стержнями (трубочками). Примите во внимание, что углы между линиями, соединяющи ми центры всех соседних атомов в молекуле, равны по 120°.

Физические свойства. Этилен по физическим свойствам похож на метан. Это бесцветный газ, немного легче воздуха, слабо растворяется в воде. При охлаждении до температуры -1 0 4 °С при нормальном давлении этилен превращается в жидкость. Химические свойства. Этилен химически активнее метана. Это обусловлено способностью двойной связи между атомами Карбона легко разрушаться и превращаться в простую связь. 130

Р е а к ц и и п р и с о е д и н е н и я 1. Этилен взаимодей ствует с простыми веществами — водородом, гало генами, и сложными веществами — галогеноводородами, водой. Продуктами этих реакций явля ются насыщенные органические соединения. С водородом этилен реагирует при нагревании и наличии катализатора. При этом двойная связь в молекуле С2Н4 превращается в простую с одновременным присоединением атома Гидроге на к каждому атому Карбона:

СН2=СН2 + Н2 этилен

Рис. 60.

Взаимодействие этилена с парами брома

СН3-СН3, этан

или С2Н4 + Н2 *' * > С2Н6. Реакции присоединения водорода к органическим соединениям называют реакциями гидрирования. Взаимодействие этилена с галогенами сопровождается различными внешними эффектами. Реагируя со фтором, этилен воспламеняется, а смесь хлора с этиленом на свету взрывается. Этилен взаимодей ствует с бромом (рис. 60) и с его водным раствором — так называемой бромной водой (жидкость бурого цвета): СН2=СН2 + Вг2 -* СН2-С Н 2. і I Вг Вг Обесцвечивание бромной воды при про пускании в нее этилена позволяет отличить этот газ от метана и других алканов, кото рые с растворенным бромом не реагируют. Этилен также взаимодействует с галогеноводородами: СН2=СН2 + Н -Вг -> СН3-СН2Вг. бромоэтан Присоединение этиленом воды (реакция г и д р а т а ц и и ) происходит в присутствии концен трированной сульфатной кислоты: СН2=СН2 + Н-ОН

Н^

(конц !> СН3-СН2-ОН.

этиловый спирт 'Так в органической химии называют реакции соединения. 131

Молекулы этилена могут соединяться друг с другом; при этом образуется известное вам вещество — полиэтилен. Эту реакцию, а также свойства ее продукта рассмотрим в следующем параграфе. Р е а к ц и и о к и сл е н и я . Этилен горит на воздухе более ярким пламенем, чем метан. Продукты полного сгорания этилена — углекислый газ и водяной пар. ► Напишите уравнение реакции горения эти лена.

Это интересно Водный раствор КМп04 со временем портится: в нем образуется осадок Мп02.

Химики, исследуя органические вещества, часто используют неорганическое соедине ние — калий перманганат, формула которого — КМп04. Это соединение известно вам как мар ганцовка. Калий перманганат является окис лителем. Этилен взаимодействует с водным раствором этой соли, выступая восстановите лем. В результате окислительно-восстанови тельной реакции (химическое уравнение не приводим) фиолетовый цвет раствора калий перманганата исчезает. Метан и другие алканы не взаимодействуют с этим соединением. Поэ тому реакцию с калий перманганатом, как и с бромной водой, используют для обнаружения этилена, а также других ненасыщенных углеводородов. Получение этилена. В лаборатории этилен получают из этилового спирта: сн2-с н 2

[н

170 °С. // ,8 0 ,г конц.)

сн2- с н 2+ Н20.

он|

Реакцию отщепления воды от соединения называют реакцией дегидратации. Применение. Этилен используют в большом количестве как сырье для производства поли этилена, а также для получения этилового спирта, органических растворителей, других важных веществ. Добавление небольшого коли чества этилена в воздух теплиц ускоряет созре вание овощей и фруктов. 132

Физиологическое действие. Продолжитель ное вдыхание воздуха, в котором содержится этилен, отрицательно влияет на нервную систему, приводит к нарушению кровообраще ния.

вы воды

Этилен (этее) — простейший ненасы щенный углеводород с двойной связью в моле куле. Все атомы молекулы находятся в одной плоскости. Этилен — бесцветный газ, который чуть легче воздуха, почти нерастворим в воде. Благодаря наличию в молекуле двойной связи, этилен вступает в реакции присоедине ния, взаимодействуя с водородом, галогенами, галогеноводородами, водой, а также окисляется калий перманганатом. Этилеп получают в лаборатории из этилового спирта. Из этилена производят полиэтилен, другие важные органические соединения.

9 ■ 183. Какие соединения называют ненасыщенными углеводородами? 184. Охарактеризуйте строение молекулы этилена. 185. Почему этилен вступает в реакции присоединения? 186. Сравните этан и этилен по составу, строению молекул, свойствам и заполните таблицу: Этан

Этилен

Формулы молекулы: химическая электронная структурная Физические свойства Химические свойства (уравнения реакций) 133

187. Напишите химические уравнения, соответствующие приведенным ниже превращениям, и укажите условия протекания реакций: С2Н(; <— С2Н4 С2Н5С 1.

С2Н4С12 188. Вычислите плотность этилена (при н. у.) и его относительную плотность по гелию. 189. При полном сгорании 1 моль газообразного углеводорода обра зовалось по 2 моль углекислого газа и водяного пара. Выведите формулу углеводорода. 190. После пропускания 1,12 л смеси метана, этана и этилена в бром ную воду, взятую в достаточном количестве, осталось 0,448 л газов. На сжигание этого остатка израсходовано 1,232 л кисло рода. Все объемы отвечают одинаковым условиям. Найдите объемы газов, которые были в первоначальной смеси.

НА ДОСУГЕ И згото влени е м асш таб но й м одели молекулы эти л е н а 1

Слепите из пластилина четыре одинаковых шарика одного цвета для атомов Гидрогена и два ббльших шарика другого цвета для атомов Карбона. Приготовьте палочки (из спичек) для соединения шариков. Изготовьте масштабную модель молекулы этилена. Советуем вна чале сделать две масштабные модели групп атомов СН2, затем соеди нить палочкой -атомы» Карбона и слегка прижать их друг к другу.

Полиэтилен

М атериал параграф а помож ет вам: понять, что такое полимер и реакция полимери зации; выяснить свойства полиэтилена; узнать о применении полиэтилена.

1 Учитель может предложить собрать модель молекулы на уроке, воспользовавшись соответствующим набором.

Полимеризация этилена. В определенных условиях молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрушения двойных связей между атомами Карбона с превращением их в простые связи. Представим это такой схемой: СН2=СН2 + СН2=СН2 + СН2=СН2 + ... -» -> [-СН2-СН2- + -СН2-СН2- + -СН2-СН2- +

->... -сн2-сн2-сн2-сн2-сн2-сн2- ....

Рис.

61.

Взаимодействовать могут сотни и тысячи молекул этилена. Продуктом реакции является п о л и э т и л е н . Его очень длинные молекулы обра зованы соединенными друг с другом группами атомов —СН2-СН2—(рис. 61).

Модели

фрагментов молекулы

********** стержневая;

б — масштабная

Реакцию соединения многих одинаковых молекул вследствие разрушения кратных связей называют р е ак ц и е й п о л и м е р и зац и и , исходное вещество — мономером, а продукт — полимером 12.

Полимер — соединение, молекулы которого состоят из большого числа одинаковых групп атомов. Сокращенная запись полимеризации этилена:

Реакция полимеризации л С Н 2= С Н 2- К - С Н 2- С Н 2- ) „

мономер

полимер

реакции

лСН2=СН2 (-СН2-СН2-)„. этилен полиэтилен В полиэтилене существуют моле кулы различной длины, т. е. с раз ными значениями п. Интервал зна чений п для образца полимера зависит от условий проведения реакции полимеризации — темпе ратуры, давления, катализатора.

1 В квадратных скобках показаны молекулы этилена с разрушен двойными связями. 2 Термины происходят от греческих слов poly — много, monos — о д и н , единственный, meros — часть, доля. ны м и

135

Свойства полиэтилена. Определим некоторые физические и химические свойства полиэтилена с помощью эксперимента. Л А Б О РА ТО РН Ы Й О П Ы Т № 17 С в о й с тв а по ли эти лен а

Рис. 62. Гранулы полиэтилена

Вам выдано несколько гранул полиэти лена1 (рис. 62). Опишите их внешний вид. Поместите гранулу полиэтилена в про бирку с водой. Легче или тяжелее воды этот полимер? Растворяется ли он в воде? Положите 2—3 гранулы полиэтилена в маленькую фарфоровую чашку, по ставьте ее на кольцо лабораторного шта тива и осторожно нагревайте. Что наблю даете? Плавится ли полиэтилен? Поместите в три пробирки по грануле

полиэтилена. В одну пробирку налейте 1 мл раствора натрий гидроксида, в другую — столько же раз бавленной сульфатной кислоты, а в третью — раствор калий перманганата. Происходят ли изменения в пробирках? Запишите наблюдения и выводы. Осуществив опыт, вы выяснили, что полиэти лен легче воды (он не тонет) и не растворяется в ней. При нагревании соединение плавится с образованием бесцветной жидкости12. Полиэтилен химически инертен; он не взаи модействует со щелочами, кислотами, не обес цвечивает раствор калий перманганата, а также бромную воду. Как и многие другие органичес кие вещества, это соединение горит на воздухе. Полиэтилен не растворяется в органических растворителях. Поэтому для их хранения ис пользуют полиэтиленовые емкости. Изделия из полиэтилена морозоустойчивы, но не выдерживают нагревания выше температур Вместо гранул можно взять кусочки полиэтиленовой пленки. Полиэтилен не имеет определенной температуры плавления. В зависимости от условий образования он плавится в интервале темпе ратур 103—110 °С или 124—137 "С. 1

136

60—100 °С. При высокой температуре соедине ние разлагается с образованием этилена: (-СН 2 -СН2-)„ А пСН2=СН2. полиэтилен этилен Применение полиэтилена. Полиэтилен явля ется важнейшим полимерным материалом. Изделия из него мы постоянно используем в по вседневной жизни. Это — пакеты, упаковочная пленка для пищевых продуктов, различные емкости, игрушки и т. п. (схема 3). Поскольку пленка из полиэтилена хорошо пропускает свет, ею покрывают теплицы для выращивания ран них овощей, цветов, тропических растений. Этот полимер используют в производстве про мышленных емкостей, труб, конструкционных деталей, медицинского оборудования, а также как электроизоляционный материал, антикор розионное покрытие. Полиэтилен — нетоксичное вещество. Схема 3 Применение полиэтилена

Молекулы этилена в определенных условиях могут соединяться друг с другом. Продуктом 137

такого взаимодействия является полиэтилен. Превращение этилена в полиэтилен — пример реакции полимеризации. Эта реакция происхо дит за счет разрушения двойных связей между атомами Карбона. Соединения, молекулы которых состоят из большого числа одинаковых групп атомов, называют полимерами. Полиэтилен — один из важнейших полиме ров. Он не растворяется в воде, химически инер тен. Из полиэтилена производят пленку, емко сти, различные изделия.

9■ 191. Что такое полимер, реакция полимеризации? 192. Укажите правильное окончание предложения -На к о н ц а х

моле

кул п о л и э т и л е н а н а х о д я тс я гр у п п ы атом ов...-:

а) СН; б) СН2; в) СН3. 193. Объясните, почему полиэтилен, в отличие от этилена, химически инертен. 194. Одна из молекул в образце полиэтилена тяжелее молекулы воды в 700 раз. Вычислите значение л для формулы этой молекулы. 195. Какой объем этилена образуется (в пересчете на нормальные усло вия) в результате термического разложения 3.5 г полиэтилена?

ДЛЯ ЛЮ БОЗНАТЕЛЬНЫХ

Тефлон В последнее время существенно расширяется область применения полимера, который является производным полиэтилена; в его моле кулах вместо атомов Гидрогена содержатся атомы Флуора. Этот поли мер имеет формулу (-СР2-СР2-)„. Его название — тефлон. Соедине ние образуется в результате реакции полимеризации: пСР2=СР2

138

-)„•

Тефлон внешне напоминает полиэтилен. Он не токсичен, имеет высокую химическую и термическую устойчивость, не поглощает воду, не горит, не разрушается концентрированными кислотами и их смесями, щелочами, окислителями, не растворяется и не набу хает ни в одном из растворителей. Изделия из тефлона можно исполь зовать в интервале температур от -2 6 0 д о +260 °С. Тефлон является основой химически и термически устойчивых пластмасс. Его применяют в протезировании, для покрытия поверхности посуды, пред назначенной для нагревания (рис. 63). Из тефлона изготовляют детали и фраг менты различного оборудования для Рис. 6 3 . П о суда с т е ф л о н о в ы м химической промышленности, научных покры тием исследований, военной и космической техники.

ДЛЯ ЛЮ БОЗНАТЕЛЬНЫХ

П ластм ассы

Многие полимеры являются основой пластмасс — материалов, способных под влиянием температуры и давления приобретать определенную форму и сохранять ее. Пластмассы, кроме полимеров, содержат различные добавки, которые улучшают их свойства, придают окраску, повышают устойчи вость к химически агрессивным веществам и изменению внешних условий. Добавками служат измельчен ная древесина, мел, графит, бумага, раз личные волокна. Полимеры в таких пластмассах являются связующими компонентами. Некоторые добавки делают пластмассы эластичными. Если к мономеру добавить соединение, кото рое при нагревании разлагается с выде лением газа, то после проведения реак ции полимеризации получим материал, Рис. 6 4 . похожий на застывшую пену. Его назы П енопласт вают пенопластом (рис. 64).

139

Ацетилен

Материал параграфа поможет вам: понять строение молекулы ацетилена; выяснить свойства ацетилена; узнать о применении ацетилена.

б Рис. 65. М одели м о лекулы ацетилена: а — ш аростерж невая; б — м асш табная

Простейшим ненасыщенным углеводо родом с тройной связью в молекуле явля ется ацетилен С2 Н2. Электронная и струк турная формулы молекулы ацетилена — н:с;;с:н Н-СЬС-Н. Этот углеводород имеет и другое назва ние — этин. Оно отличается от названий углеводородов СН3 -СН 3 (этан) и СН2=СН2 (этен) суффиксом (-ин). Строение молекулы. Модели молекулы ацетилена представлены на рисунке 65. В соответствии с ними, центры всех атомов в этой молекуле находятся на прямой ли нии. В м ол екул е ац е ти л ен а каж ды й а т о м К ар б она с двум я а том а м и — другим а том о м

соединен

К а р б о н а и а т о м о м Гидрогена. П о э то м у и з его четы рех н е сп ар ен н ы х эле ктр он ов только д в а (э- и р -э л е к тр о н ) о б р а з у ю т ко то р ы х

наход ятся эти

о-связи.

О р б и та л и , в

эле ктр о ны ,

изменяю т

св о ю ф о р м у и стан овятся оди н аковы м и :

Их оси

располагаются

н а о д н о й л и н и и (угол

м е ж д у н и м и с о с т а в л я е т 18 0 °):

140

Одна из изменившихся орбиталей каждого атома Карбона перекрывается с такой же орби талью другого атома Карбона, а вторая — со сферической орбиталью атома Гидрогена. Цен тры всех атомов молекулы С2Н2 находятся на прямой линии:

а Н С

а С

Оставшиеся два р-электрона каждого атома Карбона принимают участие в образовании двух п-связей. Орбитали этих электронов, рас положенные параллельно, перекрываются:

Н-С

С-Н

Таким образом, в молекуле ацетилена образуется тройная связь. Она состоит из одной о-связи и двух п-связей. Наличие двух п-связей между атомами Кар бона приводит к уменьш ению расстояния между их центрами. В молекуле ацетилена СТШСН это расстояние составляет 0,120 нм. Поэтому в масштабной модели этой молекулы атомы Карбона в большей степени -входят-друг в друга (рис. 65, б), чем в аналогичной модели молекулы этилена (рис. 59, б).

ЛАБОРАТОРНЫЙ ОПЫТ № 1 8 И зго то в л е н и е ш а р о стер ж н ев о й м одели молекулы а ц ети л ен а

Найдите в наборе для составления моделей молекул два оди наковых шарика одного цвета для атомов Гидрогена и два боль ших шарика другого цвета для атомов Карбона, а также стерж ни или трубочки. Соберите шаростержневую модель молекулы ацетилена. 141

Это интересно

Ацетилен хранят и перевозят в баллонах, содержащих пористый наполнитель, пропитанный раствором этого газа в ацетоне.

Физические свойства. В обычных условиях чистый ацетилен — бесцветный газ, почти не имеющий запаха. Неприятный запах техниче ского ацетилена, используемого при сварке металлов, обусловлен примесями. Ацетилен немного легче воздуха, почти не растворяется в воде. При температуре -8 4 °С и нормальном давлении этот газ превращается в жидкость. Химические свойства. Ацетилен, будучи ненасыщенным углеводородом, вступает в реак ции присоединения с галогенами, водородом, некоторыми сложными веществами. Реакции присоединения. Ввиду наличия в молекуле ацетилена тройной связи реакции присоединения происходят в две стадии. Снача ла молекула ацетилена присоединяет одну моле кулу реагента (тройная связь между атомами Карбона превращается в двойную), затем — вто рую (двойная связь превращается в простую). Ацетилен, как и этилен, обесцвечивает бром ную воду: СН=СН + Вг2 —> СНВг=СНВг (первая стадия); СНВг=СНВг + Вг2 —> СНВг2 -СНВг2 (вторая стадия). Аналогично ацетилен взаимодействует при низкой температуре с хлором. В обычных усло виях смесь этих газов взрывается, появляется пламя и образуется черный дым, состоящий из мелких частиц сажи: СН=СН + С12 -> 2С + 2НС1. Взаимодействие ацетилена с водородом, как и с галогенами, проходит в две стадии: СНзСН +Н" ацетилен

‘-Р'>СН

2 =СН 2 *Н ” ‘‘Р‘>СН 3 -С Н 3 . этилен этан

Ацетилен также присоединяет галогеноводороды. Первая стадия одной из реакций: СНэСН + НС1

СН2=СНС1. хлороэтен

Реакции окисления. Ацетилен, как и другие углеводороды, сгорает в избытке кислорода или воздуха с образованием углекислого газа и водя ного пара:

142

Рис. 66. Горение ацетилена, образую щ егося при реакции кальций карбида С а С 2 с водой

2С2Н 2 + 5 0 2 4 4СОг + 2Н 20 . Пламя ацетилена очень яркое (рис. 6 6 ); в нем содержится небольшое количество раскаленных частиц углерода. Появление этого простого вещества среди продуктов реакции обусловлено тем, что некоторые атомы Карбона не успевают полностью окислиться, т. е. «перейти* в молеку лы со2. Если кислорода недостаточно, пламя становится коптящим вследствие образо вания заметного количества сажи; 2С2Н2 + 0 2 -> 4С + 2Н20 . При горении ацетилена в чистом кислоро де температура достигает почти 3000 °С. Это используют для сварки и резки металлов. Работая с ацетиленом, необходимо пом нить, что его смеси с воздухом и кислоро дом взрывоопасны. Ацетилен, как и этилен, окисляется калий перманганатом КМп04, обесцвечивая водный раствор этого соединения. Получение. В промышленности ацетилен получают термическим разложением природно го газа (метана): 2СН4 1 5 0 0 °С>С2 Н2 + ЗН2. Для того чтобы ацетилен не успел разложить ся на простые вещества — углерод и водород, смесь продуктов реакции быстро охлаждают. Другой способ получения ацетилена исполь зуют в лаборатории, а также для технических нужд. Он основан на реакции кальций карбида СаС2 с водой (рис. 6 6 ): СаС2 + 2НОН -* С2 Н2Т + Са(ОН)2. Поскольку для производства этого соедине ния Кальция нужно создать очень высокую тем пературу СаО + ЗС 2 5 0 0 °- ■ > СаС2 + СОТ, негашеная кокс известь ацетилен, полученный из кальций карбида, является довольно дорогим. 143

Рис. 67. Р езка м еталла с помощ ью ацетиленовой горелки

Применение. Больше всего ацети лена расходуется на производство этилового спирта, уксусной кислоты, полимеров, органических раствори телей. Этот газ используют для свар ки и резки металлов. Ацетилен и кислород подводят в специальную горелку, а пламя направляют на металл (рис. 67). Физиологическое действие. Чис тый ацетилен является слаботок сичным веществом. Значительно большую опасность для здоровья представляют примеси в техниче ском ацетилене.

выводы

Ацетилен (этин) С2 Н2 — простейший ненасы щенный углеводород с тройной связью в моле куле. Это бесцветный газ с едва ощутимым запахом, немного легче воздуха, малораствори мый в воде. Ацетилен — горючее соединение. Он вступает в реакции присоединения с галогенами, водоро дом, некоторыми сложными веществами. Эти реакции происходят в две стадии. Сначала молекула ацетилена присоединяет одну молекулу реагента, затем — другую. Для получения ацетилена осуществляют тер мическое разложение природного газа (метана) или реакцию кальций карбида с водой. Ацетилен используют в качестве сырья для производства различных органических веществ, а также для сварки и резки металлов.

9 ■

196. Охарактеризуйте строение молекулы ацетилена. 197. Сравните этилен и ацетилен по химическим свойствам. 144

198. Ацетилен можно получить действием хлоридной кислоты на каль ций карбид СаС2. Запишите соответствующее химическое урав нение. 199. Напишите химические уравнения, соответствующие таким пре вращениям: а) СаС 2 -> СН=СН -> СНС1=СНС1 -> СНС12-СНС12; б) СН^СН -> СН2=СНВг -» СН 2Вг-СНВг2. 200. Найдите массовую долю Карбона в ацетилене. 201. Вычислите массу 1 л ацетилена при нормальных условиях. 202. Какой объем хлороводорода (н. у.) прореагирует с ацетиленом с образованием 1 кг хлороэтена? 203. Какую массу технического кальций карбида с массовой долей СаС2 80 % необходимо взять, чтобы получить 2,8 м 3 ацетилена (н. у.)? 204. При сжигании 0,1 моль углеводорода образовалось 0,2 моль углекислого газа и 1,8 г воды. Какова формула углеводорода? (Попробуйте решить задачу устно.)

НАДОСУГЕ И зготовлени е м асш таб но й м одели молекулы ац е ти л е н а 1

Слепите из пластилина два одинаковых шарика одного цвета для атомов Гидрогена и два больших шарика другого цвета для атомов Карбона. Приготовьте палочки (из спичек) для соединения шариков. Изготовьте масштабную модель молекулы ацетилена.

Соотношение объемов газов в химических реакциях М атериал параграф а помож ет вам: выяснить, почему объемы газов, участвующих в реакции, соотносятся как небольшие целые числа: определять соотнош ения объемов газов по химическим уравнениям.

' Учитель может предложить собрать модель молекулы на уроке, воспользовавшись соответствующим набором. 145

Закон объемных соотношений. Важнейшие углеводороды — метан, этан, этилен, ацетилен и др. — существуют в обычных условиях в газооб разном состоянии. Газы отличаются от жидко стей и твердых веществ тем, что расстояния между их частицами (молекулами, а в случае инертных газов — атомами) очень большие. Вследствие этого порции различных газов, содер жащие одинаковое число молекул, занимают одинаковый объем (при одних и тех же темпера туре и давлении). Об этом свидетельствует закон Авогадро, с которым вы ознакомились в 8 клас се. В соответствии с ним, 1 л метана СН4 содер жит столько молекул, сколько и 1 л этилена С2Н4 или 1 л ацетилена С2Н2. А в 2 л метана (эти лена, ацетилена) число молекул вдвое больше, в 3 л — втрое больше и т. д. Рассмотрим некоторые реакции, которые про исходят с участием газов. При сгорании метана СН4 + 2 0 2 —> С0 2 + 2Н20 каждая его молекула взаимодействует с двумя молекулами кислорода. Из закона Авогадро следует, что определенный объем метана должен реагировать с вдвое большим объемом кислорода (например, 1 л СН4 — с 2 л Ог). Метан при высокой температуре разлагается на ацетилен и водород 2СН4 А С2Н2 + ЗН2. В соответствии с химическим уравнением, из каждых двух молекул метана образуется одна молекула ацетилена и три молекулы водорода. Отсюда соотношение объемов этих газов должно быть таким: Р(СН4) : Р(С2Н2) : Р(Н2) = 2 : 1 : 3 . Анализируя результаты опытов с газами, французский ученый Ж. Гей-Люссак в 1808 г. сформулировал закон объемных соотношений:

объемы газов, вступающих в реакцию и образующихся в результате реакции, соотносятся как небольшие целые числа. 146

Впоследствии выяснилось, что эти числа являются соответствующими коэффициента ми в химических уравнениях. Закон Гей-Люссака распространяется на все вещества, существующие в газообразном состоя нии, — органические и неорганические. ► Составьте уравнение реакции водорода с азо том, в результате которой образуется газ аммиак МН3, и запишите соотношение объе мов реагентов и продукта реакции. Обращаем ваше внимание на реакции между газами, в которых образуется вода. Это веще ство, например, является одним из продуктов горения любого углеводорода. При образовании водяного пара закон объемных соотношений газов распространяется и на него. Если же про исходит конденсация пара, то объем вещества уменьшается приблизительно в тысячу раз. В этом случае закон Гей-Люссака по отношению к воде не применим (как и к другим жидким и твердым веществам). Решение задач. Рассмотрим, как решают задачи с использованием закона объемных соот ношений. ЗАДАЧА 1. Какой объем водорода необходим для полного превращения 0,8 л ацетилена в этан? Дано:

Решение

Р(С2Н2) = 0,8 л 1. Составляем уравнение реакции:*1 С2 Н2 -Ь 2Н 2 —» С2Н6. ЧН 2) - ? 2. Рассчитываем объем водорода, который вступит в реакцию. В соответствии с химическим уравнением и законом Гей-Люссака каждый объем ацетилена реагирует с вдвое большим объемом водорода. Рассуждаем так: 1 л ацетилена реагирует с 2 л водорода, 0 , 8 л ацетилена — с х л водорода. Отсюда х = Р(Н2) = 1,6 л. Ответ: У(Н2) = 1,6 л. 147

ЗАДАЧА !. Смешали 100 мл ацетилена и 400 мл кислорода. Смесь газов подожгли. Останется ли после реакции один из реагентов? В случае утвердительного ответа вычислить объем остатка этого вещества, считая, что температура и давление до и после реакции были одинаковыми. Дано:

Решение

К(С2Н2) = 100 мл 1. Составляем уравнение реакции: У(0 2) = 400 мл 2С2Н2 + 5 0 2 -» 4С0 2 + 2Н20 . Остаток 2. В соответствии с законом Гей-Люссака соот реагента — ? ношение реагирующих газов должно быть Достатка) — ? таким: К(С2Н2) : Г(02) = 2 : 5 = 1 : 2,5. По условию задачи газы взяты в ином соотно шении: Г(С2Н2) : К(02) = 100 : 400 = 1 : 4. Отсюда следует, что кислород был в избытке, и часть его осталась после реакции. 3. Определяем, какой объем кислорода прореа гирует со 1 0 0 мл ацетилена. По закону объемных соотношений с каждыми 2 мл С2Н 2 взаимодействуют 5 мл 0 2, со 100 мл С2Н 2 — х мл 0 2; х = Г(02, прореаг.) = 250 мл. 4. Вычисляем объем кислорода, оставшийся после реакции: Г(0 2, остаток) = Г(0 2, исходи.) - К(02, прореаг.) = 400 - 250 = 150 (мл). Ответ: У(02, остаток) = 150 мл. ЗАДАЧА 3. Найти формулу газообразного углеводорода, если при пол ном сгорании 100 мл этого соединения образуется 300 мл углекислого газа и 400 мл водяного пара (объемы соответ ствуют одинаковым условиям). Дано:

Решение

И(СГН„) = 100 мл 1. Записываем схему химической реакции: Г(С02) = 300 мл СхНу + <Э2 -> С0 2 + Н20 . Г(Н20 , пар) = Из схемы видно, что при сгорании углеводо = 400 мл рода все атомы Карбона «переходят* в молекулы углекислого газа, а атомы Гидро С,н„ - ? гена — в молекулы воды. 148

2. Находим соотношение объемов углеводорода, углекислого газа и водяного пара по условию задачи: ^ Н , ) : К(С02) : У(Н20 , пар) = = 100 : 300 : 400 = 1 : 3 : 4.

Числа 1, 3 и 4 являются соответствующими коэффициентами в химическом уравнении. Записываем их (естественно, кроме единицы) перед формулами веществ С^Н,, + 0 2 -> ЗС0 2 + 4Н 20 . Отсюда х = 3; у = 8 , а формула углеводорода — С3Н8. Ответ: формула углеводорода — С 3Н8.

ВЫВОДЫ

Объемы газов, вступающих в реакцию и обра зующихся в результате реакции, соотносятся как небольшие целые числа (закон объемных соотношений газов Гей-Люссака). Эти числа являются соответствующими коэффициентами в химическом уравнении.

9■ 205. Увеличивается, уменьшается или остается постоянным суммар ный объем веществ в результате таких превращений (все реа генты и продукты являются газами): а) СН 4 + С12 -х СН 3С1 + НС1;

б) NN3 + С12 -> N2 + НС1?

206. Какой объем кислорода расходуется на сгорание 2 л этилена? 207. Хватит ли 2 л хлора для полного хлорирования 0,6 л метана? 208. При нормальных условиях смешали 1 л этана и 5 л кислорода. Смесь газов подожгли. Какие газы были обнаружены после реакции и приведения условий к исходным? Вычислите объем каждого из этих газов. 209. После реакции в 40 мл смеси кислорода с водородом осталось 10 мл кислорода. Вычислите объемы газов в исходной смеси. 149

210. В каком объемном соотношении нужно смешать сероводород и воздух, чтобы каждого вещества было достаточно для протека ния реакции Н2Б + 0 2 -> Э0 2 + Н20? 211. При сгорании в кислороде одного объема углеводорода образу ются два объема углекислого газа и один объем водяного пара. Определите формулу соединения. (Устно.) 212. При полном сгорании 10 мл газообразного углеводорода обра зовалось 40 мл углекислого газа и 50 мл водяного пара. Объемы газов измерены в одинаковых условиях. Выведите формулу углеводорода. (Устно.) 213. Какова формула газообразного углеводорода, если в результате его сжигания образуется вдвое больший объем углекислого газа, а плотность углеводорода при нормальных условиях состав ляет 1,34 г/л?

Оксигенсодержащие органические соединения Многие органические соединения содержат в своих молекулах, кроме атомов Карбона и Гидро гена, еще и атомы Оксигена. Среди них — этило вый спирт, сахар, крахмал, уксусная и лимонная кислоты, жиры, некоторые витамины. Оксигенсодержащие органические соедине ния делят на классы — класс спиртов, класс карбоновых кислот и др. Общим признаком для соединений каждого класса является наличие в их молекулах определенной группы атомов.

Группу атомов, которая обуславливает характерные химические свойства соединений данного класса, назы вают функциональной группой. Примеры функциональных групп и их назва ния: -О Н гидроксильная

Счон карбоксильная

Функциональные группы в химических форму лах соединений записывают отдельно от «углево 150

дородной» части молекулы: СН3ОН, СН3СООН (формулы СН40 , С2Н40 2 не используют). Часть молекулы (группу атомов Карбона и Гидрогена), с которой соединена функциональ ная группа, называют углеводородным остат ком. Таковым в приведенных выше формулах является группа атомов СН3. В 9 классе вы ознакомитесь с некоторыми оксигенсодержащими органическими соедине ниями — важнейшими спиртами, карбоновыми кислотами, а также с жирами и углеводами.

Спирты. Метанол и этанол М атериал параграф а помож ет вам: узнать, какие соединения называют спиртами; понять особенности строения молекулы спирта; выяснить свойства метанола и этанола; получить представление о сферах применения метанола и этанола; осознать губительное действие спиртов на орга низм.

Спирты. По традиции оксигенсодержащие органические соединения начинают изучать со спиртов.

Спирты — это производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов Гидрогеиа замеще ны на гидроксильные группы. Пример замещения атома Гидрогена на ОНгруппу — функциональную группу класса спир тов:

н-с-н => н-с-он углеводород

спирт 151

Рис. 68. М асш табны е модели молекул: а — метанола; б — этанола. Белые шарики — атомы Гидрогена, черные — атомы Карбона, красны е — атомы О ксигена

Одноатомные спирты Л-ОН

Это интересно Т ривиальное название метанола

СН3ОН — древесный спирт, этанола

С2Н5ОН — винный спирт. 152

■

Если в молекуле спирта имеется одна гидрок сильная группа, то такой спирт называют одно атомным. В молекулах двухатомных спиртов содержатся две ОН-группы, трехатомных — три и т. д. В зависимости от наличия в карбоновой цепи кратных связей различают насыщенные и нена сыщенные спирты. Обозначив углеводородный остаток буквой Я, запиш ем общую ф ормулу одноатомных спиртов:

я -о н . Если заменить атом Гидрогена в общей фор муле алканов на ОН-группу, то получим общую формулу насыщенных одноатомных спиртов — С .Н ^ .О Н (л = 1 ,2 , . . .) . Метанол и этанол. Простейшим насыщенным одноатомным спиртом является метанол, или метиловый спирт, СН3ОН (рис. 6 8 , а). Спирт с двумя атомами Карбона и одной группой ОН в молекуле имеет формулу С2Н5ОН. Его название — этанол, или этиловый спирт (рис. 6 8 , б). Строение молекулы спирта. Молекула одно атомного спирта состоит из двух частей — углево дородного остатка и гидроксильной группы. Атом Оксигена, как самый электроотрица тельный среди всех атомов молекулы спирта, смещает к себе общие электронные пары от двух соседних атомов (С—>0<—Н), причем в наиболь шей степени — от атома Гидрогена. В результате на атоме Оксигена возникает небольшой отрица тельный заряд, а на атоме Гидрогена — положи тельный заряд. Связь О-Н становится достаточ но полярной. Приводим электронную формулу молекулы метанола, а также ее структурную формулу, в которой показано смещение общих электрон ных пар к атому Оксигена:

!«*л. °С +78,3 +64,7

С2Н5ОН СН3ОН

О -8 9

С2Н6

-164

СН„

Н КГ 8«

Рис. 69. Температуры

кипения2 некоторых спиртов и

Н:С:0:Н Н -С -Ю 4-Н (0<8<1) Н " Н Физические свойства. При обычных условиях метанол и этанол — бесцветные жидкости с характерным «спиртовым» запахом. Температу ры кипения этих соединений намного выше, чем соответствующих алканов (рис. 69). Значительная разница температур кипения углеводорода и спирта обусловлена тем, что в спирте существуют водородные связи' (рис. 70, а). Молекулы спирта, имея достаточно полярные 8+

связи 0<-Н, притягиваются друг к другу, а имен8+ 8но — атом Н одной молекулы к атому О другой. Водородные связи образуются также между молекулами спирта и воды (рис. 70, б). Благода ря этому метанол и этанол неограниченно растворяются в воде.

алканов

X сл

о -«-н

Водородны е

о -«-н

связи между а — этанола;

у с,н5

о-*-н X

СЛ

■

Рис. 70.

молекулами:

о-*-н

сл

0 -ж— Н 0 «- н X б./* н СгН5

б — этанола и воды

б Химические свойства. Важнейшие реакции спиртов происходят с участием гидроксильных групп их молекул. Реакции с металлами. Спирты взаимодей ствуют со щелочными металлами с выделением водорода и образованием солеподобных соедине ний (рис. 71): 2С2Н5ОН + 2Ыа -> 2С2Н6ОЫа + Н2Т. этанол натрий этилат

Об этом типе химической связи шла речь в § 1. При нормальном давлении. 153

В этой реакции спирт напоминает кисло ту. Однако его молекула не диссоциирует с образованием катионов Гидрогена, а вод ный раствор спирта не действует на индика торы. Д еги драт ац и я. Так называют реакцию отщепления воды от любого соединения. В определенных условиях каждая молекула этилового спирта распадается на молекулу этилена и молекулу воды: Рис. 71. Реакция этанола с натрием

сн2-сн 2 170 °С, Н:804(конц., изб.) >сн2=сн2+ н2о. ІН

ОН I

этанол

эти л е н

Аналогичная реакция с метиловым спиртом не происходит. Возможен другой вариант дегидратации спир тов — отщепление каждой молекулы воды за счет гидроксильных групп двух молекул спирта:

с 2н5- д н + но±с 2н 5- » с 2н 5- о - с 2н 5+ н 2о.

этанол

диэ тиловый

этер1 Реакция происходит при температуре 1 4 0 — 1 60 °С и в присутствии небольшого количества концентрированной сульфатной кислоты.

+ ■ Ц

✓ С2Н6ОН

КМпО„

Р и с. 72.

Окисление этанола калий перманганатом (в присутствии сульфатной кислоты)

15 4

Окисление. Если добавить спирт к фиолетовому раствору калий перман ганата, подкисленному сульфатной кислотой, то окраска жидкости посте пенно исчезает (рис. 72). В этой реак ции спирт выступает восстановителем и окисляется. Полное окисление спирта происхо дит, если его поджечь на воздухе. Продукты этой реакции — углекис лый газ и водяной пар (рис. 73). ► Напишите уравнение реакции горе ния этанола.

Ранее такие соединения называли простыми эфирами.

Получение спиртов. В промышленности метиловый и этиловый спирты получают в больших количествах, осуществляя такие реакции: СО + 2Н 2 ',-р- к > СН3ОН; метанол

Рис. 73. Горение этанола

СН2 =СН2 + Н20 ''р,к> СН3 -СН 2ОН. этилен этанол Для получения этилового спирта используют также биохимический метод. Он осноВан на химическом превращении глюкозы, сахара или крахмала с участием ферментов дрожжей. Соответствующий процесс назы вают брожением (§ 29). Так еще в древности изготовляли вино из виноградного сока. Бблыпая часть этилового спирта, производи мого промышленностью, содержит незначитель ное количество воды (»<Н20 ) = 4 %). Название этого продукта — спирт-ректификат. Обнаружить воду в спирте можно, добавив несколько его капель к белому порошку без водного купрум(И) сульфата С и3 0 4. В результа те взаимодействия этой соли с водой образует ся кристаллогидрат СиЭ04 ■ 5Н20 и появляется голубое окрашивание.

Аптечная бутылочка с этиловым спиртом

Применение. Метанол и этанол используют прежде всего как растворители, а также для получения важных органических соединений. Этиловый спирт — известное дезинфици рующее средство (рис. 74). Его применяют для приготовления растворов медицинских препа ратов и экстрактов лекарственных растений. Этанол является сырьем для производства ликеро-водочных напитков. Смесь бензина с этанолом иногда служит горючим для город ского транспорта (например, в Бразилии). Двигатель, который работает на таком горю чем (рис. 75), выбрасывает в воздух меньше вредных веществ, чем бензиновый. Поскольку спирт для горючего можно производить из зеленой массы растений и древесины, это 155

Рис. 75. З а п р а вка автом обиля •спиртовым» горючим

позволяет уменьшить количество нефти, пере рабатываемой на бензин, и использовать ее как ценное химическое сырье. Физиологическое действие. При поступле нии в организм небольшого количества эти лового спирта происходит опьянение. Такое состояние характеризуется нарушением речи и координации движений, потерей памяти и контроля за своими действиями, умопомра чением. Значительные дозы алкоголя приво дят к отравлению. У людей, постоянно упо требляющих алкогольные напитки, возника ет хроническое заболевание — алкоголизм. Его следствиями являются повышенное давление, поражение нервной и сердечно-со судистой систем, печени, поджелудочной железы. (Аналогично действует этанол и на организмы животных.) Метанол — ядовитое вещество. Поступление в организм человека 25 г метанола вызывает смерть, а меньшее количество — слепоту.

выводы

Спирты — производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов Гидрогена замещены на гидроксильные группы. Различают одноатомные, двухатомные, трех атомные спирты. Общая формула насыщенных одноатомных спиртов — С .Н ^ О Н . Важнейшие спирты — метанол СН3ОН и эта нол С2Н5ОН. Это бесцветные жидкости с харак терным запахом. Метанол и этанол — горючие вещества. Они реагируют со щелочными металлами, при нагревании отщепляют воду. Промышленность выпускает метанол и эта нол в большом количестве. Эти соединения используют в химической промышленности как растворители, а этанол — еще и в медицине, для изготовления ликеро-водочных напитков, йногда — как компонент горючего в двигателях внутреннего сгорания. 156

Этанол, попадая в организм, вызывает опья нение. Постоянное употребление спиртных на питков приводит к алкоголизму. Метанол — чрезвычайно ядовитое вещество.

9 ■

214. Какие органические соединения называют спиртами? Каков состав молекул насыщенных одноатомных спиртов? 215. Запишите электронную и структурную формулы молекулы этано ла, показав во второй формуле смещение общих электронных пар и небольшие заряды на атомах Оксигена и Гидрогена гидрок сильной группы. 216. Как и почему влияет водородная связь на физические свойства спиртов? 217. Допишите схемы реакций и превратите их в химические уравнения: а) СН30Н + Ог -

б) СН3ОН + и -> ....

218. Напишите уравнение реакции горения одноётомных насыщен ных спиртов, использовав их общую формулу. 219. Почему метанол и этанол, имея в молекулах гидроксильные группы, не проявляют оснбвных свойств, как, например, натрий гидроксид? 220. Какие массы этанола и натрия прореагировали, если выдели лось 224 мл водорода (н. у.)? 221. Выведите формулу одноатомного насыщенного спирта, если массовая доля Оксигена в нем составляет: а) 50 %; б) 26,7 %. 222. Смешали одинаковые количества вещества метанола и этанола. Вычислите массовые доли спиртов в смеси. 223. Составьте термохимическое уравнение реакции горения этанола, если при сгорании 9,2 г спирта выделяется 27,42 кДж теплоты.

Глицерин

М атериал параграф а помож ет вам: выяснить свойства глицерина; узнать о сферах применения глицерина. 157

Рис. 76. М асш табная модель молекулы глицерина

Простейшим трехатомным спиртом явля ется глицерин' С3 Нй(ОН) 3 (рис. 76). Другое название соединения — глицерол. В природе этого спирта нет, но его производные — жиры — очень распространены в раститель ном и животном мире. Структурная формула молекулы глицери на —

сн2-сн -сн 2. I I I ОН он он Физические свойства. Глицерин — бесцвет ная вязкая жидкость без запаха, сладкая на вкус. Соединение немного тяжелее воды, сме шивается с ней в любых соотношениях с образо ванием раствора. Глицерин может поглощать влагу (до 40 % своей массы). Это свойство веще ства называют гигроскопичностью12.

ЛА БО РА ТО РН Ы Й О П Ы Т № 19 Р а с тв о р и м о с ть гл и ц ер и н а в в о д е

В пробирку налейте 0,5 мл глицерина и добавьте к нему такой же объем воды. Перемешайте смесь жидкостей стеклян ной палочкой. Растворяется ли глицерин в воде? Содержимое пробирки сохраните для следующих опытов.

Глицерин С3 Н5(ОН)3 кипит, разлагаясь, при +290 °С, т. е. при более высокой температуре, чем одноатомный спирт с таким ж е количеством атомов Карбона в молекуле — С3Н7ОН (т. кип. +97 °С). Это и понятно, так как водородных свя зей в трехатомном спирте значительно больше: в каждой его молекуле содержится три ОН-группы. Химические свойства. Глицерин реагирует не только с активными металлами, но и с некоторы ми нерастворимыми основаниями. Таким обра зом, он больше напоминает кислоту, чем метанол 1 Название происходит от п еческого слова й1укуз — сладкий. 2 Термин происходит от греческих слов )тегов — влажный, якореб наблюдаю.

158

или этанол. Однако водный раствор глицерина также не изменяет окраски индикаторов.

ЛА БО РА ТО РН Ы Й ОП Ы Т № 20 И ссл е д о в а н и е во д н ого р аств о р а гл и ц ер и н а и н д и к а то р о м

С помощью стеклянной палочки перенесите каплю водного раствора глицерина, приготовленного в предыдущем опыте, на полоску универсальной индикаторной бумаги. Что наблюдае те? Содержатся ли в водном растворе глицерина ионы Н', ОН ?

глицерин

Рис. 77. Реакция натрия с глицерином

Реакции с м ет аллам и. Глицерин взаимодействует со щелочными метал лами (рис. 77): СН2ОН СН2СШа 2СНОН + 6 Ка 2 СНОЫа + ЗН 2Т. СН2ОН СН2ОЫа глицерин тринатрий глицерат Перед проведением соответствующего опыта глицерин необходимо подогреть. Реакции с нерастворимыми основа ниями. Глицерин, в отличие от одноатом ных спиртов, вступает в реакции с неко торыми нерастворимыми основаниями.

ЛА БО РА ТО РН Ы Й ОП Ы Т № 2 1 Р е а к ц и я гл и ц ери н а с купрум (И ) г и д р о к с и д о м

В пробирку налейте 2 мл раствора щелочи, добавьте несколько капель раствора купрум(П) сульфата и смесь перемешайте стек лянной палочкой. Осадок какого соединения образовался? Полученную смесь с осадком добавьте в пробирку с раствором глицерина (из предыдущего опыта). Содержимое пробирки перемешайте. Что наблюдаете? Купрум(П) гидроксид, взаимодействуя с гли церином в щелочной среде, растворяется, и образуется темно-синий раствор солеподобного 159

соединения. Упрощенный вариант химического уравнения: СН2ОН СН2(Х СНОН + Си(ОН)2 -> СНО/Си + 2Н20 . СН2ОН СН2ОН Горение. При поджигании на воздухе глице рин горит с образованием углекислого газа и водяного пара. ►Напишите уравнение этой реакции. Получение. Глицерин получают в промыш ленности преимущественно из жиров (§ 28). Это соединение было впервые получено в 1779 г. Применение. Глицерин является компонен том мыла, зубных паст, косметических средств, лекарственных препаратов (рис. 78). Благодаря высокой гигроскопичности он защищает кожу от пересыхания. Глицерин добавляют в некото рые пищевые продукты для придания им слад кого вкуса. Рис. 78. П рименение глицерина: а — в косме тических средствах; б — в лекар ст венных препаратах

Глицерин также используют для производства нитроглицерина — одного из сильнейших взрыв чатых веществ, сырья для изготовления пороха и динамита. Нитроглицерин в больших дозах ядовит. Однако его 1 %-й спиртовый раствор применяют при заболеваниях сердца в качестве сосудорасширяющего средства (рис. 79). Рис. 79. Капсулы с р аствор ом нитроглицерина

160

выводы Глицерин С3Н5(ОН)3 — простейший трехйтомный спирт. Это бесцветная вязкая жидкость со сладким вкусом, не имеющая запаха. Глицерин взаимодействует со щелочными металлами, некоторыми нерастворимыми осно ваниями, горит на воздухе. Глицерин получают из жиров. Его использу ют в производстве косметических средств, лекарственных препаратов, нитроглицерина, иногда — в пищевой промышленности.

9■ 224. К какой группе спиртов относится глицерин? 225. Как можно объяснить высокую вязкость глицерина? 226. Почему глицерин неограниченно растворяется в воде? 227. Как можно отличить глицерин от этанола? 228. Какая масса натрия прореагировала с глицерином, если выдели лось 280 мл водорода (н. у.)? 229. В результате сгорания спирта образовалось 3 моль углекислого газа и 4 моль воды. Назовите этот спирт, если его молярная масса составляет 92 г/моль. 230. Вычислите массовую долю глицерина в его водном растворе, если молекул воды в нем в 8 раз больше, чем молекул глице рина.

Карбоновые кислоты

Материал параграфа поможет вам: отличать карбоновые кислоты от других органи ческих соединений: узнать о распространенности карбоновых кислот в природе. 161

В материале этого и нескольких последующих параграфов речь пойдет о соединениях класса карбоновых кислот. Эти соединения отличают ся от спиртов наличием в молекулах новой функциональной группы — карбоксильной

-С .

ОН

, или -СООН.

Производные углеводородов, молекулы которых содер жат одну или несколько карбоксильных групп, называют карбоновыми кислотами. Общая формула карбоновых кислот, содержа щих в молекулах одну карбоксильную группу,— Я -С ( , или ЯСООН. чОН Распространенность в природе. В раститель ном мире встречаются различные карбоновые кислоты. Тривиальные названия этих соедине ний зачастую происходят от названий растений, в которых они находятся (табл. 2 , рис. 80, а). Карбоновые кислоты обнаружены и в организ мах насекомых, млекопитающих, человека (табл. 2 , рис. 80, б). Рис. 80. Обнаруж ение кислот с помощью универсального индикатора: а — в соке лимона;

б — в вы де лениях муравьев

Классификация. Карбоновые кислоты клас сифицируют, учитывая особенности состава и строения их молекул. По числу карбоксильных групп в молекуле кислоты делят на монокарбоновые (молекулы содержат одну группу -СООН), дикарбоновые (две группы -СООН) и т. д. 162

Таблица 2 Карбоновые кислоты в природе Кислота Муравьиная Уксусная Масляная Валерьяновая Капроновая Олеиновая Щавелевая Янтарная Молочная Яблочная Лимонная

Местонахождение Железы муравьев, пчелиный яд, крапива Моча, пот, кислое молоко, некоторые растения Прогорклое сливочное масло Корень валерьяны Козий жир Оливковое масло Щавель, ревень Янтарь, бурый уголь, некоторые растения Кислое молоко, сыр, квашеная капуста, силос; в мышцах (накапливается во время их работы) Яблоки, рябина, виноград Цитрусовые

Мо пока рбо но вые кислоты к -с ;

ОН

В зависимости от наличия кратных связей в углеводородных остатках молекул различают насыщенные и ненасыщенные кислоты. Кроме того, карбоновые кислоты делят на низшие (их молекулы содержат менее 1 0 ато мов Карбона) и высшие. Общая формула насыщенных монокарбоновых кислот — С„Н2„+|СООН. ► Составьте структурные формулы молекул насыщенных монокарбоновых кислот, содер жащих один, два и три атома Карбона.

Рис. 81. М асш табная модель молекулы муравьиной кислоты

Молекулы простейших по составу кислот — муравьиной НСООН (рис. 81) и щавелевой НООС-СООН — не имеют углеводородных остатков. Названия. Для карбоновых кислот чаще употребляют тривиальные названия: НСООН — муравьиная; СН3СООН — уксусная1;

1 Для простейших монокарбоновых кислот существуют и латин ские названия: НСООН — формиатная кислота, СН3СООН — ацетат ная кислота.

163

СН3СН2СООН — пропионовая; СНзСН2СН2ССХ)Н — масляная. Среди высших кислот важнейшими ся насыщенные кислоты — пальмитиновая С15Н31СООН и стеариновая С17Н35ССХ)Н (рис. 82), а также ненасыщенная — олеиновая С17Н33СООН, или СН3-(СН 2)7-СН=СН-(СН 2)7-СООН. Раньше эти кислоты получали только из растительных и животных жиров, поэтому их еще называют жир ными кислотами. Рис. 82. М асш табная модель молекулы стеариновой кислоты

вы воды

Карбоновые кислоты — производные углево дородов, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп —СООН. По количеству этих групп в молекуле различают монокарбоновые, дикарбоновые кислоты и т. д. Кислоты, которые происходят от насыщенных углеводородов, называют насыщенными, а со держащие 10 и больше атомов Карбона в моле кулах, — высшими. Общая формула насыщенных монокарбоновых кислот — С^Нгл+іСООН. Карбоновые кислоты распространены в при роде. Для карбоновых кислот чаще употребляют тривиальные названия, связанные с природны ми источниками соединений.

9 ■

231.

164

Какие соединения называют карбоновыми кислотами? На какие типы их делят и по каким признакам?

232.

Выпишите из параграфа сведения о муравьиной и уксусной кислотах и внесите их в таблицу: Формула

Название

233. Найдите соответствие: Общая формула 1) С и Н ^ О Н ;

2) С„Н2п. 1(ОН)3; 3) СлН2п+1С00Н;

Тип

Местонахождение

Тип соединения а) монокарбоновая кислота: б) одноатомный спирт; в) трехатомный спирт.

Назовите минимальное значение индекса п для каждой общей формулы. 234.

Найдите соответствие: Название кислоты

1 ) муравьиная; 2 ) уксусная; 3) масляная; 4) олеиновая; 5) стеариновая;

Тип кислоты

а)монокарбоновая б) насыщенная; в) ненасыщенная; г) высшая.

235. Определите формулу насыщенной монокарбоновой кислоты, молярная масса которой равна 60 г/моль. 236. Выведите формулу насыщенной монокарбоновой кислоты, мас совая доля Оксигена в которой составляет: а) 69,6 %; б) 0,432. 237. Смешали одинаковые количества вещества муравьиной кисло ты, уксусной кислоты и воды. Вычислите массовые доли кислот в образовавшемся растворе.

Уксусная кислота

Материал параграфа поможет вам: понять строение молекулы уксусной кислоты; выяснить свойства уксусной кислоты; узнать о получении и применении уксусной кислоты.

Водный раствор уксусной кислоты, известный под названием «уксус», люди умели готовить 165

еще в древности. Ныне промытленн выпускает столовый уксус — раствор с ма совой долей кислоты 9 % (рис. 83). Его используют в каждой семье для различи целей. Кроме названия «уксусная кислота» химики используют и другое — «этанов кислота*. Оно указывает на то, что в моле куле этого соединения, как и в молекулэтана, имеется два атома Карбона. Строение молекулы. Химическая форму ла уксусной кислоты — СН3СООН, а струк турная формула молекулы (рис. 84) —

Рис. 83. Уксус

н-? - % н ’ или сн°-С'ОНн

Рис. 84. М одели молекулы уксусной кислоты: а — шаростерж невая;

—

масш табная

В молекуле уксусной кислоты содержатся углеводородный остаток -СН 3 и карбоксильная группа -СООН. Атом Оксигена, соединенный с атомом Карбона двойной связью, вызывает сильное смещение общей электронной пары в гидроксильной группе: Н в- *+ н-с-с I чо + - н .

Связь 0 -Н в молекуле уксусной кислоты более полярна, чем в молекулах спиртов. Поэто му соединение проявляет в водном растворе кислотные свойства. Физические свойства. В обычных условиях уксусная кислота — бесцветная жидкость с рез ким запахом. При понижении температуры до +16,7 °С она кристаллизуется, как бы замерзая 166

Рис. 85. Бутылка с чистой уксусной кислотой, находящаяся в прохладном помещении

Рис. 86.

Реакция уксусной кислоты скупрум(Н) оксидом

(рис. 85). Поэтому чистую уксусную кисло ту иногда называют ледяной. Температура кипения соединения равна +118,1 °С. Она выше, чем температура кипения этанола С2Н5ОН (+78,3 °С). Эго обусловлено образо ванием в кислоте большего числа водород ных связей (в ее молекуле — два атома Оксигена, тогда как в молекуле спирта — один). Уксусная кислота смешивается с водой в любых соотношениях с образованием раствора. Химические свойства. Уксусная кисло та, как и неорганические кислоты, диссо циирует в водном растворе на катионы Гидрогена и анионы кислотного остатка: СН3СООН і* Н* + СН3 СОО\ Этот процесс происходит вследствие раз рыва ковалентных полярных связей О-Н. Образующиеся катионы Гидрогена вызы вают изменение окраски индикатора. Уксусная кислота является слабой; в ее растворе содержится значительно больше молекул соединения, чем ионов. Структурная формула аниона уксусной кислоты —

а его название — ацетат-ион. Соли уксусной кислоты называют ацетатами. Реакции с м ет аллам и , оксидам и, гидроксидами, солями. Уксусная кисло та взаимодействует с металлами (с выде лением водорода), основными и амфотер ными оксидами (рис. 8 6 ), основаниями, амфотерными гидроксидами, некоторыми солями слабых кислот (например, с карбо натами). Приводим уравнение реакции кислоты с металлом: М* + 2СН3СООН -> (СН3СОО)2Мй + Н 2Т. магний ацетат 167

Обратите внимание: в формулах солей органи-! чесних кислот сначала записывают анионы, а затем — катионы. В ионно-молекулярных уравнениях уксус: кислоту как слабую представляют в недиссо: ированной форме: СН3СООН + ШОН -> СН3а Х д а а + Н20; СН3СООН + N8* + ОН' -> СН3СОО“ + N8* + н20;і] СНХООН + ОН ►Напишите уравнение реакции уксусной! кислоты с раствором калий карбоната в молекулярной и ионно-молекулярной формах.

СНзСОСМа

Рис. 87. Реакция соли Феррума(Ш) с натрий ацетатом

Ацетат-ионы в растворе можно обнару-] жить, если добавить к нему несколько] капель раствора, содержащего катионы] Ре3*. В результате реакции жидкость окра-] шивается в темно-красный цвет (рис. 87). Реакции со спиртами. Эстеры. Уксус-1 ная кислота в присутствии концентриро ванной сульфатной кислоты реагирует с этиловым спиртом. Органическое соедине ние, которое образуется при этом, относит-! ся к классу эстеров1:

у.О Н , 80 <(К(інц.)г СН, с;он +но-с2н5* сн, уксусная кислота этиловый спирт

< - с 2н6+нН

этиловый эстер уксусной кислоты

Эстеры являются производными карбоновых кислот, в молекулах которых атом Гидрогена карбоксильной группы замещен на углеводород ный остаток. Общая формула эстеров — 3.0 Л -С ч , или ДСООД*. Реакции между спиртами и кислотами назы вают реакциями эстерификации. Они являются обратимыми (§11). Для того, чтобы осуществить прямую реакцию, т. е. получить эстер, нужно уда-

168

Эти соединения ранее называли сложными эфирами.

лять это вещество или воду из реакционной смеси (например, перегонкой). Эстеры с небольшими молекулярными м а сса ми

—

бесцветны е жидкости, обычно имеющ ие

приятный запах. Они нерастворимы в воде, но растворяю тся в органических растворителях. Э стер ы обуславливаю т запах многих цветов, фруктов, других р а сте н и й (рис. 88). Н емало эстеро в являются к ом понентам и духов, различ ных косметических средств, некоторы е содер ж атся в кондитерских изделиях и напитках.

Рис. 88. Природные источники эстеров

Получение. Уксусную кислоту получают в лаборатории реакцией обмена между ее твердой солью и концентрированной сульфатной кисло той. Взаимодействие соединений осуществляют при нагревании; уксусная кислота выделяется в газообразном состоянии: 2СН3ССХЖа + Н28 0 4 (конц.) -> 2СН3СООНТ + N 8 ^ 0 ,. Уксусная кислота образуется при окислении этилового спирта

в его

водном растворе кисло

родо м воздуха с участие м особы х бактерий. Реакция происходит, если м ассовая доля спирта в растворе не превыш ает 10 %. Проц есс называ ю т уксуснокислым брожением. Таким способом (скисанием вина) в древности готовили уксус.

Применение. Уксусная кислота — первая из карбоновых кислот, ставшая известной челове ку. Ее широко применяют в химической и пище вой промышленности, домашнем хозяйстве. 169

вы воды

Уксусная кислота СН3СООН — важнейшая карбоновая кислота. Это бесцветная жидкость с резким запахом, смешивающаяся с водой в любом соотношении с образованием раствора. Уксусная кислота является слабой кислотой. Она взаимодействует с металлами с выделением водорода, оснбвными и амфотерными оксидами, основаниями, амфотерными гидроксилами, некоторыми солями. Уксусная кислота реагиру ет со спиртами с образованием эстеров — соеди нений с общей формулой КСООД . Уксусную кислоту широко используют в промышленности, домашнем хозяйстве.

9■ 238. Объясните, почему молекула уксусной кислоты диссоциирует в водном растворе. 239. Напишите уравнения реакций и дайте названия их продуктам: а) СН 3С00Н + и -> ...; б) СН 3С00Н + Ва(ОН)2 -» ...; СН 3С00Н + 2г\0 ->...; СН 3С00Н + РеС0 3 -» .... 240. Приведите по два молекулярных уравнения, которые отвечают таким ионно-молекулярным уравнениям: а) Н* + СН 3С00- = СН3С00Н; б) Б2' + 2СН3СООН = НгБ + 2СН 3С00". 241. Сравните этиловый спирт и уксусную кислоту по составу, строе нию молекул, свойствам и заполните таблицу: Этиловый спирт

Уксусная кислота

Химическая формула Структурная формула молекулы Физические свойства Химические свойства (уравнения реакций) 242. Что такое эстеры? Как можно получить эти соединения? 243. Напишите уравнение реакции уксусной кислоты с метиловым спиртом и прокомментируйте его. 170

244. Относительная формульная масса соли уксусной кислоты состав ляет 142. Определите формулу этой соли и назовите соединение. 245. Вычислите массу раствора калий гидроксида с массовой долей щелочи 32 %, который был израсходован на нейтрализацию 50 г раствора уксусной кислоты с массовой долей кислоты 12 %. 246. Какие массы уксусной эссенции и воды нужно взять для приготов ления 400 г столового уксуса — раствора уксусной кислоты с массовой долей кислоты 9 %? Примите во внимание, что уксус ная эссенция является раствором, содержащим 80 % уксусной кислоты по массе. 247. В результате взаимодействия 35 г смеси муравьиной и уксусной кислоте достаточным количеством натрий карбоната выделилось 7,84 л газа (н. у.). Определите массовые доли кислот 8 смеси.

П Р А К Т И Ч Е С К А Я РА Б О Т А № 4 С в о й с т в а у к с у с н о й к и с л о ты

ОПЫТ 1 Д е й с т в и е у к с у с н о й к и с л о ты на и н д и к а то р

Погрузите стеклянную палочку в раствор уксусной кислоты и нанесите его каплю на полоску универсальной индикаторной бумаги'. Что наблюдаете? Напишите уравнение электролитиче ской диссоциации уксусной кислоты. ОПЫТ 2 Р е а к ц и я у к сусн ой кисл оты с м е та л л о м

В пробирку осторожно поместите небольшую гранулу цинка и налейте 1—2 мл раствора уксусной кислоты. Что происходит? Если признаков реакции не заметите, нагрейте содержимое пробирки, но не до кипения. ОПЫТ 3 Р е а к ц и я уксусн ой кисл оты с о сн о в н ы м (а м ф о т е р н ы м ) о к с и д о м

В пробирку поместите немного порошка купрум(Н) оксида и налейте 1—2 мл раствора уксусной кислоты. Что наблюдаете? Нагрейте содержимое пробирки, но не до кипения.1

Учитель может предложить другой индикатор. 171

ОПЫТ 4 Р е а к ц и я уксусн ой кисл оты со щ ел о чью

В пробирку налейте 1 мл раствора уксусной кислоты и добавьте к нему каплю раствора фенолфталеина. Доливайте в пробирку по каплям раствор натрий гидроксида. Зафиксируйте внешний эффект, который укажет, что кислота полностью про реагировала со щелочью. ОПЫТ 5 Р е а к ц и я у к с у с н о й к и с л о ты с н ер аство р и м ы м осн ован и ем (ам ф отер н ы м гид р оксид ом )

В пробирку налейте 1—2 мл раствора щелочи и добавьте небольшое количество раствора купрум(И) сульфата. Что наблюдаете? Долейте к смеси с осадком 2 мл раствора уксусной кислоты. Что происходит в пробирке? ОПЫТ 6 Р е а к ц и я у к с у с н о й к и с л о ты с с о л ь ю

В пробирку насыпьте немного кальций карбоната и долейте 1—2 мл раствора уксусной кислоты. Что наблюдаете? Во время проведения каждого опыта записывайте свои дей ствия и наблюдения в помещенную ниже таблицу. После завер шения опытов запишите в таблицу выводы и уравнения реак ций в молекулярной и ионно-молекулярной формах. Последовательность действий

Наблюдения

Вывод

Опыт 1. Действие уксусной кислоты ... Уравнение реакции (уравнения реакций):

9■ 248. Объясните, с какой целью в опыте 4 используют индикатор. 249. Каким будет результат опыта 6 . если кальций карбонат заменить: а) натрий карбонатом; б) кальций сульфатом? Ответы обоснуйте.

172

Жиры Материал параграфа поможет вам: выяснить состав и свойства жиров; получить представление о производстве твердых и жидких жиров; понять биологическую роль жиров в организме.

В природе широко распространены соединения, общее название которых — жиры. Они хорошо известны нам из повседневной жизни (рис. 89).

иры

)то эстеры глицерина и высших карбоновы> Общая формула жиров — СН2- 0 - С - Я I Л О СН - О - С - Я ', I

сн2-о-с-я"

Рис. 89. П ищ евые ж иры

о где Я, Я', Я" — углеводородные остатки (обычно они разные, но могут быть и оди наковыми). Жиры чаще всего образуют насыщенные кислоты — пальмитиновая С15Н31СООН, стеариновая С17Н36СООН и ненасыщенная олеиновая С,тН33СООН (§ 26). Если в состав молекулы жира входят три остатка стеари новой кислоты, то такой жир имеет назва ние тристеарин, если три остатка олеино вой кислоты — триолеин. Природные жиры всегда содержат при меси, среди которых — жирные кислоты, витамины, другие биологически важные вещества, вода. Классификация. В зависимости от про исхождения жиры делят на животные и растительные. 173

Э то и н тер есн о

Жирную посуду моют специальными средствами, которые содержат вещества, отделяющие молекулы жира от поверхности посуды, но не растворяющие его.

Животные жиры (говяжий жир, свиное сало, сливочное масло) содержат преимущественно эстеры глицерина и насыщенных кислот — стеариновой и пальмитиновой. Жиры морских млекопитающих и рыб отличаются высоким содержанием эстеров ненасыщенных кислот, в молекулах которых имеются по меньшей мере четыре двойных связи. Важнейшими среди растительных жиров являются подсолнечное, оливковое, кукуруз ное, льняное масло. Они содержат в основном эстеры олеиновой и других ненасыщенных кислот. В кокосовом и пальмовом жирах пре обладают производные насыщенных кислот. Физические свойства. Животные жиры, кроме рыбьего, являются твердыми вещества ми, а растительные — жидкостями (за исключе нием кокосового и пальмового). Запах, цвет и вкус жиров обусловлен, как правило, различными примесями. Жиры нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в бензине, керосине, других орга нических растворителях. При встряхивании жидких жиров с водой образуются эмульсии (пример такой эмульсии — молоко). Температуры плавления жиров зависят от того, какими кислотами они образованы. Жиры, молекулы которых содержат остатки насыщенных кислот, имеют более высокие тем пературы плавления и в обычных условиях являются твердыми. Эстеры ненасыщенных кислот — жидкости. Химические свойства. Жиры, как и другие эстеры, в определенных условиях взаимодей ствуют с водой, а те, которые являются произ водными ненасыщенных кислот, присоединяют водород, галогены (рис. 90), окисляются калий перманганатом. Гидролиз'. Так называют реакцию жира с водой, в результате которой образуются глице рин и соответствующие кислоты. Жир не взаи-1

1 Термин происходит от греческих слов hydor — вода и lysis — раз ложение.

174

раствор Вт,вводе

< '- 7 ~г

« =>

Рис. 90.

Взаимодействие растительного масла с бромной водой

Ч растительное масло модействует даже с кипящей водой. Чтобы реак ция протекала, необходимо нагреть смесь веществ до температуры 200—250 °С и создать определенное давление либо добавить катализа тор (в живых организмах гидролиз жиров про исходит с участием ферментов). Схема реакции гидролиза жира:

жир + вода ■•р<или *} >глицерин + высшие КИСЛОТЫ СН2т О -С -Я 1 ■ 11 : о С Н і- 0 -С -Я ' 1

С Н -лО -С-Я" п : о жир

Н{-ОН

я -с -о н

с н 2- о н

н ^1 о н

си он

н^-он 1

с н 2- о н

1 1

я -с -о н о Я * -с -о н 0 0

глицерин высшие кислоты Если гидролиз жиров осуществлять в присут ствии щелочи, то, кроме глицерина, образуются смеси солей высших карбоновых кислот — мыла. Этот процесс называют омылением жиров; на нем основано производство мыла. Гидрирование. Жидкие жиры могут присо единять водород и превращаться в твердые жиры. Для осуществления такой реакции жир нагрева ют до температуры 160—240 °С и пропускают в него водород в присутствии катализатора: ж и д к и и ж ир

+Н

I к> тв е р д ы й

*•

ж ир.

Добавляя к продукту реакции молоко, сли вочное масло, витамины А и Э, производят заме нитель сливочного масла — маргарин. 175

Рассмотренная реакция важна еще и потому, что из твердых жиров производят качественное мыло. Термическое разложение. При температуре 250—300 °С жиры разлагаются с образованием смеси различных соединений. Окисление. Во влажном воздухе жиры под вергаются гидролизу и окисляются. Продуктами таких превращений являются органические соединения с меньшим числом атомов Карбона в молекулах. Такие вещества чаще всего имеют неприятный запах и горький вкус (вспомните запах и вкус несвежего сливочного масла). Ненасыщенные жиры окисляются калий пер манганатом, другими окислителями. При горении жиров происходит их полное окисление с образованием углекислого газа и воды, а также выделение значительного количе ства теплоты: ж и р + 0 2 -> С 0 2 + Н 20 ; А Н < 0.

Р ис. 91. В цеху з ав ода по производству растительного м асла

176

Получение жиров. Впервые син тез жира осуществил французский ученый М. Бертло в 1854 г., нагре вая глицерин с высшей карбоновой кислотой в запаянном сосуде. Позже были изобретены другие методы син теза жиров. Однако все они не полу чили промышленного применения, поскольку жиры очень распростра нены в природе и их извлекают из природного сырья (рис. 91). Производство растительного масла осущест вляют двумя методами. По первому методу высушенные и очищенные от примесей семена подсолнечника, других растений измельчают, нагревают и отжимают под прессом. При этом выделяется масло, которое собирают и очищают. Нагревание необходимо для уменьшения вяз кости масла, чтобы оно легче извлекалось из семян под прессом. Кроме того, при повышенной температуре прекращается действие ферментов, которые разлагают жиры и вызывают их прогоркание.

Это интересно В растениях жир накапливается в семенах (для питания зародышей).

Второй метод заключается в обработке семян нагретым летучим растворителем (гексаном, этанолом), в котором жир растворяется. Затем растворитель удаляют перегонкой. Основной процесс в производстве твердого жира — вытапливание. Во время этого процесса жир плавится и отделяется от остатков мяса, воды, других веществ. Его очищают и заливают в формы для затвердевания. Применение. Жиры используют в пищевой промышленности, производстве косметических средств, медицине, технике, для смазки изде лий из металла с целью предотвращения корро зии. Переработкой жиров получают глицерин, мыло, олифу, многие другие вещества и матери алы. Раньше некоторые жиры использовали как горючие вещества для освещения помещений. Биологическая роль жиров. Жиры являются одними из важнейших пищевых продуктов. Это — основной источник энергии в организме. При полном окислении 1 г жира в организме выделяется в среднем 39 кДж теплоты, что вдвое превышает энергию, которую «вырабатывает* такая же масса белков или углеводов. Выделение большого количества воды при окислении жира имеет исключительное значение для животных (например, верблюдов), которые вынуждены длительное время жить без воды. Высокая пищевая ценность жиров обусловле на также растворимостью в них некоторых вита минов (А, Б, Е). Жиры играют важную роль в терморегуляции живых организмов. Они плохо проводят теплоту и поэтому защищают от переохлаждения пингви нов, китов, моржей, тюленей, других животных.

ВЫВОДЫ

Жиры — эстеры глицерина и высших карбо новых кислот. Различают животные и растительные жиры. Животные жиры в основном являются твердыми

177

веществами; это — эстеры насыщенных кислот. Растительные жиры — преимущественно жид кости; они происходят от ненасыщенных кислот. Жиры не растворяются в воде, но в опреде ленных условиях взаимодействуют с ней, т. е. подвергаются гидролизу. Продуктами таких реакций являются глицерин и высшие карбо новые кислоты. Ненасыщенные жиры реагиру ют с водородом, галогенами. На воздухе жиры медленно окисляются, а при нагревании разла гаются. Жиры имеют высокую энергетическую цен ность и являются неотъемлемой составляющей нашего питания. Их используют в пищевой про мышленности и других отраслях.

9■ 250. Назовите жиры, которые мы используем в качестве пищевых продуктов. 251. Из каких частей состоит молекула жира? 252. Какая связь существует между строением молекулы жира и его агрегатным состоянием? 253. Изобразите сокращенную структурную формулу молекулы жира, если она содержит:

254. 255. 256.

257. 258.

178

а) три остатка пальмитиновой кислоты; б) три остатка олеиновой кислоты; в) по одном остатку пальмитиновой, олеиновой и масляной кислот. Назовите типы реакций, в которых принимают участие жиры. Составьте уравнение реакции гидрирования триолеина, если ее продуктом является тристеарин. Вычислите массу глицерина, который образуется при взаимо действии необходимого количества калий гидроксида с 9,8 кг триолеина. Какой объем водорода (н. у.) необходим для превращения 55 кг триолеина в тристеарин? Составьте термохимическое уравнение полного окисления тристеарина, предположив, что 1 г этого жира, сгорая, выделяет 40 кДж теплоты.

Углеводы. Глюкоза

Материал параграфа поможет вам: получить представление о составе углеводов; выяснить свойства глюкозы; узнать об использовании глюкозы.

Углеводы. В каждом растении содержится органическое вещество под названием «целлю лоза». Это вещество, а также крахмал, сахар, глюкоза являются углеводами (термин проис ходит от слов «углерод» и «вода»). Общая фор мула соединений этого класса — С„(Н20 )т , или С„Н2тОт (л и т могут иметь значения 3 и боль ше). При сильном нагревании без доступа воз духа углеводы разлагаются на углерод и воду (рис. 92).

Рис. 92. Термическое разлож ение углеводов

Одни углеводы состоят из сравнительно небольших молекул, а другие — из молекул, содержащих многие тысячи атомов. Углеводы — самые распространенные в при роде органические соединения; они имеются во всех живых организмах. В зеленых растениях и некоторых бактериях углеводы образуются в результате фотосинте за. Это — сложный процесс, при котором проис179

ходит образование органических веществ из неорганических (углекислого газа, воды, рас творимых солей) при участии солнечной энергии (рис. 93). Процесс фотосинтеза, осуществляе мый растениями, сопровождается выделением кислорода. Схема фотосинтеза углеводов —

углекислый газ + вода

углеводы + кислород,;

а обобщенное химическое уравнение —

(М

Рис. 93. Ф отосинтез

Глюкоза СвН12Ов

н -й -о н н о -с - н н -с -о н н -с -о н н -с -о н

н Рис. 94.

Структурная формула молекулы глюкозы

180

пС02 + т Н 20 -^>С„(Н 20)„ + л 02. Человек и животные получают углеводы из растений (вместе с пищей, кормами). Эти вещества являются одним из источни ков энергии для организма, которая выде ляется в результате химических реакций с их участием. Углеводы делят на моносахариды (к ним относятся глюкоза, фруктоза), дисахариды (например, сахароза, или обычный сахар) и полисахариды (крахмал, целлюлоза). Ди- и полисахариды могут в определенных условиях взаимодействовать с водой (под вергаться гидролизу) и превращаться в моносахариды. Глюкоза. Это — один из важнейших моно сахаридов. Соединение иногда называют виноградным сахаром; оно содержится в фруктах (больше всего — в винограде), меде, а в очень малом количестве — в крови чело века и животных. Химическая формула глюкозы — С6 Н120 6. В молекуле глюкозы имеются различные функциональные группы — пять гидрокЛ сильных групп и одна альдегидная —С. II (рис. 94, 95). Формулу СбН 120 6 имеет еще один углевод, его название — фруктоза. Молекула этого соединения отличается от молекулы глюко зы своим строением. Физические свойства. Глюкоза — белый порошок или бесцветные кристаллы. Соеди-

Рис. 95. Ш аростерж невая модель молекулы глюкозы

нение хорошо растворимо в воде, имеет сладкий вкус. Глюкоза менее сладкая, чем сахар. Химические свойства. Наличие в молекуле глюкозы различных функциональных групп обуславливает способность соединения всту пать в реакции, которые являются характер ными для каждой группы. Л А БО РА ТО РН Ы Й О П Ы Т № 2 2 В з а и м о д е й с т в и е глю козы с купрум(П) г и д р о к с и д о м

В пробирку налейте 1 мл раствора натрий гидроксида и 3—4 капли раствора купрум(П) сульфата. К образовавшемуся осад ку купрум(П) гидроксида добавьте 1 мл раствора глюкозы и смесь перемешайте. Каким стал цвет раствора? О чем он свиде тельствует? Осторожно нагрейте содержимое пробирки. Что наблю даете? Осуществив опыт, вы убедились в том, что глю коза взаимодействует с купрум(П) гидроксидом в щелочной среде так же, как и глицерин (трех атомный спирт). Эта реакция подтверждает нали чие в молекуле глюкозы нескольких гидроксиль ных групп. При добавлении раствора глюкозы к осадку купрум(И) гидроксида и последующем нагре вании происходит окисление альдегидной группы (-СНО) с ее превращением в карбок сильную группу (-СООН). Продуктом окисле ния глюкозы является глюконовая кислота, а купрум(П) гидроксид восстанавливается до купрум(1 ) оксида (в химическом уравнении используем сокращенную структурную формулу молекулы глюкозы): 181

сн2он-(Снон)4-с;„ +2Си<он)2-> н глюкоза

->сн2он-(снон)4-с;

+си2оі +гн2о.

глюконовая кислота

Рис. 96. Брож ение виноградного сока

Глюкоза вступает в так называемые реакции брожения; они происходят с участием микроорганизмов. Под дей ствием фермента дрожжей глюкоза в водном растворе превращается в эти ловый спирт: С„Н120 6 -> 2С2Н5ОН + 2С0 2Т. глюкоза этанол Процесс называют спиртовым бро жением. Его издавна используют в виноделии (рис. 96) и пивоварении. Ферменты молочнокислых бактерий превра щают глюкозу в молочную кислоту (это — молочнокислое брожение):

СеН120 6 -У 2СН3-С Н -С 00Н ОН глюкоза

молочная кислота

Реакция происходит при квашении овощей, скисании молока.

Получение. В промышленности глюкозу полу чают, осуществляя в определенных условиях реакции крахмала или сахара с водой. Применение. Глюкоза является сырьем для кондитерской промышленности (рис. 97, а ). Из нее получают аскорбиновую кислоту (витамин С), кальций глюконат, другие вещества. Глю козу также используют в медицине как легко усвояемый и калорийный продукт при истоще нии или слабости человека (рис. 97, б). Это со единение входит в состав кровезаменяющих жидкостей (рис. 97, в ). При окислении глюко зы выделяется необходимая для организма энергия: 182

Рис. 97. Применение глюкозы: а — печенье с глюкозой; б — сироп с глюкозой; в — раствор глюкозы для инъекций

СвН 120 6 +1 2 <°1> 6С0 2 + 6Н 20 ‘; АН = -2 8 7 0 кДж.

выводы

Углеводы — соединения с общей формулой С„(Н20 )т . Они Я В Л Я Ю Т С Я одним из основных источников энергии для организма. Эти соеди нения образуются в зеленых растениях и неко торых бактериях в результате фотосинтеза. Углеводы делят на моносахариды, дисахари ды и полисахариды. Глюкоза — важнейший моносахарид. Форму ла соединения — С6 Н, 2Ов. В молекуле глюкозы имеются различные функциональные группы, которые обуславливают химические свойства соединения. Глюкозу применяют в кондитерской промыш ленности, медицине.

9■ 259. Какие соединения называют углеводами? Объясните происхож дение этого названия. 260. Покажите, что состав молекулы уксусной кислоты отвечает общей формуле углеводов С„(Н20)т . Можно ли считать это соеди нение углеводом? Почему? 261. Как экспериментально доказать наличие в молекуле глюкозы: а) гидроксильных групп; б) альдегидной группы?1 1 Условной записью [О] в органической химии часто заменяют фор мулу вещества-окислителя.

183

262. Вычислите массовые доли элементов в глюкозе. 263. В какой массе воды нужно растворить 50 г глюкозы, чтобы при готовить раствор с массовой долей этого вещества 25 %? 264. Какой объем углекислого газа (н. у.) выделится при полном превра щении 90 г глюкозы в этиловый спирт в результате ее брожения? 265. Вычислите растворимость глюкозы при 20 °С (в граммах на 100 г воды), если в 80 г насыщенного раствора вещества при указан ной температуре содержится 43,7 г воды.

ДЛЯ ЛЮ БОЗНАТЕЛЬНЫХ

Ф р у к то за Фруктоза, или фруктовый сахар, входит в состав многих фруктов и плодов, содержится в меде. Химическая формула фруктозы такая же, что и глюкозы, — СбНхгОе, но в молекуле фруктозы вмес то альдегидной группы имеется кетонная группа )С=0 н (рис. 98). Глюкоза и фруктоза являются изомерами. н-с-он Фруктоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде. Соединение в 3 раза слаще но-с-н глюкозы и в 1,5 раза — обычного сахара (сахарозы). н-с-он Фруктозу и ее производные используют в медицине, в питании больных сахарным диабетом. н-с-он

6=0

н-с-он I н

Рис. 9 8 . Структурная формула молекулы фруктозы

Сахароза

Материал параграфа поможет вам: выяснить состав и свойства сахарозы, или обыч ного сахара; получить представление о производстве сахара.

Сахароза — соединение, известное каждому; это обычный сахар. Он является важным пище вым продуктом. Больше всего этого вещества содержится в сахарной свекле и сахарном трост184

нике (рис. 99); массовая доля сахарозы в них может достигать 27 %. Сахароза есть также в листьях и соках деревьев, фруктов, овощей. Она образуется в растениях при фотосинтезе.

Рис. 99. Растения с вы соким содерж анием сахарозы : а — сахарная свекла; б — сахарный тростник

Сахароза С12Н22Оі1

Формула сахарозы — С1гНггОи . Этот углевод относится к дисахаридам. Его молекула состоит из остатков молекул двух моносахаридов — глю козы и фруктозы. Физические свойства. Сахароза — белое кри сталлическое вещество (рис. 1 0 0 ), сладкое на вкус, очень хорошо растворимое в воде (при 20 °С — 203 г вещества в 100 г воды, а при 100 °С — 487 г). Насыщенный раствор сахара имеет высокую вязкость; его часто называют сиропом.

Рис. 100. М икрофотография сахарозы

При температуре 184 °С сахароза плавится, а при дальнейшем нагревании начинает разлагать ся. Ее расплав приобретает коричневую окраску, и появляется запах подгоревшего сахара. Такое превращение сахара называют карамелизацией (термин происходит от слова «карамель*). 185

Химические свойства. Сахароза в определен ных условиях взаимодействует с водой, а также вступает в реакции, характерные для много атомных спиртов. Гидролиз. Под действием ферментов или при нагревании с сильными неорганическими кисло тами сахароза подвергается гидролизу. В резуль тате такой реакции из каждой молекулы соеди нения образуются две молекулы соответствую щих моносахаридов: сахаро за + вода

*или<-н « 5°< > ГЛю к о з а + ф р уктоза.

Реакция с купрум (П ) гидроксидом. В моле куле сахарозы имеется несколько гидроксиль ных групп. Поэтому соединение взаимодействует с купрум(П) гидроксидом аналогично глицерину и глюкозе.

ЛАБО РАТО РН Ы Й ОПЫ Т № 23 Реакция сахаро зы с купрум (Н) г и д р о к с и д о м

В пробирку налейте 1 мл раствора натрий гидроксида и 3 —4 капли раствора купрум(Н) сульфата. Наблюдайте образование осадка купрум(П) гидроксида. Добавьте в пробирку X—2 мл водного раствора сахарозы (сахара) и перемешайте смесь. Что наблюдаете? Нагрейте содержимое пробирки, но не до кипения. Образуется ли осадок купрум(1 ) оксида, как в опыте с глюкозой (с. 181)?

При добавлении раствора сахарозы к осадку купрум(Н) гидроксида он растворяется; жид кость окрашивается в синий цвет. Но, в отличие от глюкозы, сахароза не восстанавливает купрум(Н) гидроксид до купрум(1) оксида. Дегидрат ация. При действии на сахарозу концентрированной сульфатной кислоты орга ническое соединение начинает разлагаться: кислота «отбирает* у молекул сахара молекулы воды. Упрощенная схема превращения: С12Н220 „ — 186

ІЦЛ 12С + 11Н 20 .

Эту реакцию часто демонстрируют как инте ресный опыт; его название — -чертов палец-. В небольшой химический стакан насыпают (на 1 /3 —1 /4 его объема) растертый сахар-песок и доливают немного воды. Вещества нужно хоро шо перемешать стеклянной палочкой. Затем добавляют концентрированную сульфатную кислоту (до половины объема стакана) и быстро перемешивают. Смесь разогревается, темнеет и начинает вспучиваться (рис. 101). Выделяется водяной пар, а сахар превращается в углерод (твердый остаток имеет черный цвет).

Рис. 101. Разлож ение сахара под действием концентрированной сульфатной кислоты

Окисление. Выполнив лабораторный опыт, вы убедились в том, что сахароза не восстанавливает соединение Купрума(П), т. е. не склонна к «мягкому» окислению и превращению в другое органическое соеди нение. Полное окисление вещества обычно про исходит при его горении. Попробуйте поджечь сахар. Это вам не удастся. Но если на кусочек сахара насыпать немного пепла от сигареты и поднести горящую спичку, сахар загорится (рис. 102). Пепел является катализатором этой реакции. Получение. Сахарозу производят в большом количестве. На сахарных заво дах (рис. 103) свеклу моют, измельчают и промывают горячей водой до полного извлечения сахара из свекловичной стружки. При этом вещества, хорошо растворимые в воде, в том числе и сахаро за, переходят в раствор, а те, которые образуют коллоидный раствор (белки, крахмал), остаются в клетках растения. Затем к раствору добавляют суспензию извести. Кальций гидроксид реагирует с органическими кислотами, другими веще ствами с образованием малорастворимых соединений. Сахароза взаимодействует с известью, превращаясь в растворимый кальций сахарат. Полученный раствор фильтруют и пропускают в него углеки 187

Рис. 103.

Цех сахарного завода

Рис. 104.

Сахар

слый газ. Кальций сахарат и остаток изве сти реагируют с углекислым газом с обра зованием сахарозы и осадка кальций кар боната. Раствор сахарозы фильтруют, дополнительно очищают и выпаривают. Из него кристаллизуется сахар. Украина является одним из крупнейших производителей сахара в мире. В нашей стране работает свыше 1 0 0 сахарных за водов. Ежегодный объем их продукции составляет от 1,5 до 2 млн т. Применение. Сахароза — важный пище вой продукт (рис. 104). Сахар используют непосредственно и в составе разнообраз ных кондитерских изделий. Он является консервантом для фруктов и ягод, поэто му его используют для изготовления варе нья, джема и пр. (при этом соотношение масс сахара и плодов должно быть не менее чем 1 : 1 ). Сахароза является сырьем для получения спирта, некоторых других органических соединений.I

ВЫВОДЫ

Сахароза (обычный сахар) С^НггО,, — углевод, известный каждому. Он является важной составляющей нашего питания. Вещество содержится в сахарной свекле, сахарном тростнике. Сахароза — белое кристаллическое вещество, имеющее сладкий вкус, хорошо растворимое в воде. В определенных усло виях сахароза подвергается гидролизу, превращаясь в глюкозу и фруктозу, взаи модействует с купрум(П) гидроксидом, а при нагревании разлагается. Сахар получают из природного сырья в большом количестве. Его используют в качестве пищевого продукта, добавляют в кондитерские изделия. Из сахара произ водят часть этилового спирта. 188

266. Почему сахарозу относят к дисахаридам? 267. Как можно отличить сахарозу от глюкозы? 268. Как из сахарозы получить этанол? Напишите соответствующие химические уравнения и укажите условия протекания реакций. 269. Назовите химические превращения, которые происходят при производстве сахара. 270. Вычислите массовые доли элементов в сахарозе. 271. Какое количество вещества сахарозы содержится в 0,5 кг этого углевода? 272. Какую массу сахарозы необходимо взять для приготовления 500 г раствора с массовой долей соединения 10 %? (Устно.) 273. Смешали 200 г раствора сахарозы с массовой долей соединения 5 % и 300 г раствора сахарозы с массовой долей соединения 20 %. Вычислите массовую долю сахарозы в полученном растворе. 274. Какой объем этилового спирта, содержащего 4 % воды по массе и имеющего плотность 0,79 г/см3, можно получить из 50 кг саха ра? Считайте, что реакции происходят полностью, а потери веществ отсутствуют.

Крахмал. Целлюлоза

Материал параграфа поможет вам: найти отличия в составе крахмала и целлюлозы; узнать о распространенности крахмала и целлю лозы в природе; сопоставить свойства крахмала и целлюлозы; выяснить сферы применения крахмала и целлю лозы.

Крахмал и целлюлоза являются полисахари дами. Эти углеводы, как глюкоза и сахароза, содержатся в растениях. Крахмал и целлюлоза — природные полимеры. Их молекулы состоят из сотен и тысяч групп атомов СвН 10О5 — остатков молекулы глюкозы: 189

...-Свн10о5 С6Ню^ 5 С6н10о5 С6 Н 10Оь С6 Н 10О5 -С бН 10О5-... Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую общую формулу (С6 Н|0О5)л, но значения п для них разные; молекулы целлюлозы намного длиннее, чем крахмала. Крахмал. Это вещество, как и сахар, очень важно для человека, поскольку оно входит в состав многих пищевых продук тов. Крахмал — своеобразный аккумулятор энергии в растениях, необходимый преж де всего для развития их зародышей. Он образуется в листьях и стеблях в резуль тате фотосинтеза и взаимопревращения углеводов: 6С0 2 + 6Н20

Р ис. 105. С одерж ание крахмала (по массе) в растениях

Крахмал (СвНю05)„

Это интересно

Крахмал, полученный из картофеля, называют картофельной мукой. 190

СвН 120 в + 6 0 2; глюкоза лС6 Н,20 6 —> (С6Н 10О5)„ + лН 20 . крахмал Крахмал накапливается в семенах, клубнях, плодах, корнях растений (рис. 105). Физические свойства. Крахмал — белое зер нистое вещество, не имеющее запаха и вкуса, не растворяется в холодной воде, а в теплой образу ет коллоидный раствор. Вязкий раствор крахма ла используют в качестве клея (его название — крахмальный клейстер). Картофельный крахмал внешне похож на пше ничную муку. Его можно отличить от муки по такому эффекту: при растирании крахмала паль цами ощущается поскрипывание вследствие вза имного трения его зерен. При нагревании крахмал не плавится, а раз лагается. Строение. Крахмал — не чистое вещество, а смесь двух полимерных углеводов — амилозы и амилопектина. Эти соединения имеют такую же формулу, что и крахмал, — (С6 Н10О5)„. Амилоза состоит из неразветвленных молекул, а молекулы амилопектина имеют разветвления. Амилозы в картофельном крахмале в не сколько раз меньше, чем амилопектина. Амилоза находится внутри каждого зерна крахмала,

амилопектин — в оболочках зерен. При добавле нии к крахмалу теплой воды оболочка разруша ется, амилоза переходит в раствор, а амилопек тин лишь набухает.

Л АБО РАТО РН Ы Й ОП Ы Т № 2 4 О тн ош е н и е кра хм а л а к во де

Насыпьте в пробирку немного крахмала (чтобы он едва покрыл ее дно), добавьте приблизительно 4 мл воды и переме шайте смесь. Растворяется ли крахмал в холодной воде? Постоянно встряхивая, нагрейте содержимое пробирки до кипения. Наблюдайте образование коллоидного раствора. Охладите полученный раствор, поместив пробирку с ним в стакан с холодной водой, и оставьте для следующего опыта. Химические свойства. Под действием фер ментов или при нагревании с разбавленными неорганическими кислотами крахмал подверга ется гидролизу.

крахмал + вода

*или|' //*30<-> глюкоза.

Упрощенное химическое уравнение этого про цесса: (СвН 10Об)„ + лН20 * — крахмал

пС6 Н, 2Об. глюкоза

Гидролиз крахмала происходит ступенчато: крахмал -у декстрины -у глюкоза. Декстрины — соединения, имеющие такую же формулу, что и крахмал, но меньшую молеку лярную массу. Они хорошо растворяются в воде и поэтому легче усваиваются организмом. Дек стрины образуются при жарке картофеля, вы пекании хлеба. Смесь продуктов гидролиза крахмала назы вают патокой. Ее используют в кондитерской промышленности.

Взаимодействие с иодом. Раствор иода дает с крахмалом характерное синее окрашивание (рис. 106), которое при нагревании до 100 °С 191

раствор Л Р и с. 1 0 6 .

Обнаружение крахмала: а — в растворе; б — в хлебе; в — в картофеле

исчезает, а при охлаждении появляется снова. Так можно отличить крахмал от других органи ческих веществ.

ЛАБО РАТО РН Ы Й О П Ы Т № 25 В заи м одей ствие крахм ала с иодом

К раствору крахмала, приготовленному в предыдущем опыте, добавьте каплю йодной настойки и зафиксируйте появление характерной окраски. Нагрейте жидкость до кипения. Изменился ли цвет раствора? Охладите содержимое пробирки. Что наблюдаете?

Крахмал отличается от глюкозы и сахарозы тем, что в его растворе не растворяется осадок купрум(Н) гидроксида. Как и сахароза, крахмал не восстанавливает соединение Купрума(П). В этом — одно из его отличий от глюкозы. П олучение. Крахмал получают в промыш ленности преимущественно из картофеля и кукурузы. Сырье измельчают, обрабатывают холодной водой, которая извлекает зерна крах мала. Их отделяют отстаиванием или центри фугированием. П рим енение. Крахмал — важный пищевой продукт. Он является сырьем для получения глюкозы, этилового спирта, ацетона, глицери на, лимонной кислоты. Его также используют при изготовлении бумаги, текстиля, некото рых пластмасс, клеев, витаминов, в домашнем хозяйстве. Крахмал добавляют в некоторые пищевые продукты, в частности, в колбасные изделия. 19 2

Целлюлоза. Это наиболее распро страненный углевод в растительном мире. Целлюлоза выполняет роль «строительного» материала в расте ниях; она образует оболочки расти тельных клеток. Этим объясняется другое название вещества — клет ель ХЛОПОК ) ;' леи И чатка. 50 9 5 - 9 8 % 80—90 % Целлюлоза содержится в хлопке, льне (рис. 107), камыше, других Рис. 107. растениях, в том числе фруктах и Содержание целлюлозы овощах. Целлюлоза есть и в муке, (по массе)в растениях мучных изделиях, крупах. Молекулы целлюлозы имеют неразветвленное строение. С войст ва. Чистая целлюлоза — твердое волокнистое вещество белого цвета, нераствори мое в воде и органических растворителях. ЦелЦеллюлоза люлоза, в отличие от крахмала, не изменяет (Сг,Н10О5)„ окраску раствора иода. Гидролиз. Целлюлоза взаимодействует с водой в таких же условиях, что и крахмал, — при нагревании и наличии сильной кислоты. Этот процесс имеет ступенчатый характер; конечным продуктом является глюкоза. Упрощенное химическое уравнение гидролиза целлюлозы:

Целл юлоза

(С6Н 10О5)„ + пН20 ИС6 Н 120 6. целлюлоза глюкоза В природных условиях целлюлоза постепен но разлагается. Этот процесс происходит с уча стием микроорганизмов. Конечные продукты превращения целлюлозы — углекислый газ и вода, а в отсутствие воздуха (например, на дне водоемов) вместо углекислого газа образуется метан. П олучение. Целлюлозу производят из древе сины, некоторых растений. Сырье измельчают, обрабатывают при нагревании и небольшом давлении растворами различных реагентов для извлечения примесей. Остаток, который является чистой целлюлозой, высушивают. Применение. Бумага, картон, разнообразные ткани, волокна, лаки, эмали, некоторые пласт 1 93

Э то интер есн о

Целлюлоза, пропитанная кислотой и высушенная, рассыпается в порошок.

массы, целлофан — все это изготавливают из цел люлозы и ее производных. Целлюлозу исполь зуют в производстве бездымного пороха, ацетат ного шелка. Волокна из целлюлозы имеют много ценных качеств. Они прочны, гигроскопичны, легко подвергаются крашению. Вместе с тем эти волокна недостаточно эластичны, плохо сохра няют форму, горят, разрушаются микроорга низмами. Указанные недостатки устраняют, обрабатывая ткани различными веществами. Бумага — один

из важнейших м атериалов на

основе целлюлозы. Б е з нее невозм ож но пред ставить нашу жизнь. Бумагу изобрели в К итае во II в. д о н. э. Ее изготавливали сначала из хлопка, бамбука, а в ср ед ние века

—

также из

ветоши. В XVIII ст. для этого начали использо вать древесину. Н ы не

п р о м ы ш л е н н о с ть

видов бумаги

вы пускает

— газетную, для

м н о го

печати и письма,

упаковочную и т. п. Фильтровальная бумага

—

почти чистая целлюлоза.

ВЫВОДЫ

Крахмал и целлюлоза — полисахариды. Эти углеводы являются природными полимерами. Они имеют одинаковую химическую формулу (СвН,0О5)„, но с разными значениями п (у цел люлозы они больше). Крахмал является смесью двух соединений — амилозы и амилопектина. Он накапливается в картофеле, семенах злаков, других растениях. С водой крахмал образует коллоидный раствор, а в определенных условиях подвергается гидро лизу. Крахмал используют в пищевой промыш ленности, а также как сырье для производства спирта, глюкозы. Целлюлоза — главная составляющая расте ний. Это белое волокнистое вещество, нераство римое в воде. В присутствии кислоты целлюлоза 194

подвергается гидролизу. Целлюлозу используют в производстве бумаги, картона, волокнистых материалов, натуральных тканей.

9 ■

275. Почему, на ваш взгляд, крахмал и целлюлозу называют полиса харидами? 276. Составьте уравнение реакции горения полисахарида. 277. Как осуществить такие превращения: целлюлоза -> глюкоза ~> -> этанол? Напишите соответствующие химические уравнения и укажите условия, при которых происходят реакции. 278. Какую массу картофеля, содержащего 20 % крахмала по массе, нужно взять для получения 100 кг этанола, если общие произ водственные потери составляют 15 %? 279. Вычислите массу крахмала, который образовался в результате фотосинтеза, если растения выделили 8 т кислорода.

ЭКСПЕРИМЕНТИРУЕМ ДОМА О бнаруж ение крахм ала в пищ евы х продуктах

Определите наличие крахмала или его отсутствие в пищевых про дуктах (или их растворах) с помощью спиртового раствора иода. Результаты эксперимента занесите в таблицу: №

Название

опыта

пищевого

контактирующего

продукта

с пищевым продуктом

і.

Окраска раствора иода.

Вывод

Пшеничная мука

И звл е че н и е крахм ала из картоф еля

Сырую очищенную картофелину натрите на мелкой терке, отожми те сок через марлю в стакан и оставьте его на некоторое время. Зерна крахмала осядут на дно сосуда. Осторожно слейте жидкость над крах малом. Добавьте к зернам крахмала холодную воду и после отстаива ния смеси снова слейте жидкость. Полученный крахмал высушите.

195

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 5

Распознавание оксигенсодержащих органических соединений Все оксигенсодержащие органические соединения образо ваны тремя элементами — Карбоном, Гидрогеном и Оксигеном. В этой практической работе вам предстоит распознать несколько соединений, выявляя в них функциональные груп пы, а также некоторые свойства (например, растворимость в воде). В каждом опыте используйте небольшое количество веще ства или раствора. Желательно, чтобы их определенные порции остались после работы (тогда при необходимости можно повто рить эксперимент). Перед выполнением задания решите: • какие химические реакции нужно провести; • какие реактивы вам потребуются; • что взять для осуществления реакции — вещество или его раствор; • помешает ли опыту избыток одного из реагентов, или же он будет необходим; • нужно ли нагревание. Задание 1. Распознавание твердых веществ — крахмала, лимонной кислоты, сахара и глюкозы. Задание 2. Распознавание растворов уксусной кислоты, эта нола, глицерина и глюкозы. В вашем распоряжении — полоски универсальной индика торной бумаги, вода, растворы щелочи и соли Купрума(Н), спиртовка. Продумайте последовательность выполнения каждого зада ния и составьте план. Ваши действия, наблюдения, химические уравнения и выво ды запишите в таблицу: Последовательность Наблюдения действий Задание 1. Распознавание...

...

Уравнение реакции (уравнения реакций):

196

Вывод

Нитрогенсодержащие органические соединения Органические соединения, в молекулах кото рых есть атомы Нитрогена, очень важны. Особое место среди них занимают белки. Благодаря этим соединениям существует жизнь на нашей планете. В синтезе белков, который происходит в живых организмах, участвуют нуклеиновые кислоты. Они сохраняют и воспроизводят гене тическую информацию. Нитрогенсодержащими соединениями являются также многие физиоло гически активные вещества, стимулирующие или угнетающие различные биологические про цессы в организме. Среди них — витамины, антибиотики, наркотики. Ознакомление с нитрогенсодержащими орга ническими соединениями обычно начинают с аминов.

Амины. Метиламин1

Материал параграфа поможет вам: отличать амины от других органических соедине ний: выяснить строение молекулы метиламина; узнать об оснбвных свойствах метиламина.

Амины. К классу аминов относятся многие соединения, образованные тремя элементами — Карбоном, Гидрогеном и Нитрогеном.

Амины — это продукты замещения атомов Гидрогена в молекуле аммиака на углеводородные остатки. 1 Параграф не обязателен для изучения, однако изложенный в нем материал поможет впоследствии объяснить основные свойства амино кислот.

197

Приводим схему замещения атома Гидро гена в молекуле аммиака на метальную груп пу -СН3: Н-Ы -Н =>Н-М -СН3 . і і

аммиак

■ Рис. 108. М одели молекулы метиламина: а — шаро стерж невая; 6 — масш табная. Белы е ш арики — атомы Гидрогена, черны е — атомы К арбона, синие — атомы Н итрогена

амин

Группу атомов -МН 2 называют аминогруп пой. Общая формула аминов, молекулы кото рых содержат эту группу: Я-МН2. Амины различного состава и строения встречаются в природе. Эти соединения используют для производства полимеров, синтетических волокон, красителей, некото рых лекарственных препаратов. Метиламин. Простейшим соединением класса аминов является метиламин СН3 ЫН2. Строение молекулы. Молекула метилами на состоит из двух частей — углеводородного остатка -СН 3 и аминогруппы -ГШ2. Атом Нитрогена в молекуле метиламина (рис. 108) образует три простых ковалентных связи — с атомом Карбона и двумя атомами Гидрогена. В этих связях участвуют три не спаренных электрона второго энергетического уровня атома Нитрогена:

Кроме них, на этом уровне имеется пара 2я-электронов. Поскольку Нитроген более электроотрицате лен, чем Карбон и Гидроген, ковалентные связи атома этого элемента с другими атомами в моле куле метиламина наиболее полярны (рис. 109). Полярной является и сама молекула СН3 МН2.

Р и с. 109. С м ещ ен и е общих электронны х пар в молекуле метиламина

198

н Ъ *

* ^

Физические свойства. В обычных условиях метиламин — газ с резким неприятным запа хом. Соединение хорошо растворяется в воде (как вы думаете, почему?), спирте, ацетоне. Температура кипения метиламина -6 ,3 °С. Она намного выше, чем у соответствующего углево дорода — метана СН3 (-161,5 °С). Это объясняется существованием между молекулами метилами на водородных связей. Химические свойства. Способность метил амина вступать в реакции, рассмотренные ниже, обусловлена наличием в атоме Нитрогена «неподеленной* пары 2 «-электронов. Реакция с водой. Метиламин в водном растворе проявляет основные свойства. Количество ионов ОН в нем значительно больше, чем в чистой воде. Что же происходит в этом растворе? Между молекулами воды и метиламина обра зуются водородные связи 5+

НОН- • Ш12СН3, которые вызывают диссоциацию многих моле кул воды: НОН ^ Н+ + ОН'. Ионы ОН" остаются в растворе, обуславливая его щелочную реакцию, а ионы Н* соединяются с молекулами метиламина СН3МН2. Объясним, почему происходит такое соедине ние. В ионе Н* нет электронов; 15-орбиталь в нем вакантная. При контакте частиц Н* и СН3 Л/Н2 в эту орбиталь переходит пара 25-электронов атома Нитрогена, и частицы соединяются: Н

СНз-Л: + Н*-> [СН3-|!|-Н]*, Н

или СНз1МН2 + Н*->[СН3МНзГ. Таким образом, атом Нитрогена образует четвертую связь. Поскольку эту связь обеспе чивает пара электронов, то она является кова лентной, как и три другие связи атома Нитро гена. 199

Суммарная схема взаимодействия метилами на с водой: СН3 ЫН2 + Н-ОН метиламин

Э то и н те р е с н о

Соединяться с ионом Н* может и молекула аммиака: N113 + Ы -» -> и н ;.

[СНзИНз]* + ОН . ион метиламмония

Щелочную среду в водном растворе метилами на можно обнаружить с помощью индикатора. Если основания КаОН, Са(ОН) 2 и др. мы характеризовали как соединения, диссоциирую щие с образованием ионов ОН~, то метиламин СН3ОТ12 — тоже основание, но иного типа. Его основные свойства обусловлены способностью молекул присоединять катионы Н*. Реакции с кислотами. Метиламин взаимодей ствует с кислотами. Продуктами таких реакций являются соли — ионные соединения, раствори мые в воде: СН3ЫН2 + НС1 -> [СН3ЫН3 ]С1. метиламин

метиламмоний хлорид

Преобразуем молекулярное уравнение в ион но-молекулярное: СНзИНг + Н* + С1 -> [СНзКНзГ + СГ; СН3ЫН2 + Н* -> [СНзИНз]*. Реакция горения. Метиламин горит на воздухе: 4СН3КН 2 + 9 0 2 -> 4С0 2 + 10Н20 + 2Ы2. Смеси метиламина с воздухом взрывоопасны. Применение. Метиламин используют для про изводства лекарств, красителей, растворителей, средств защиты растений от болезней и вредите лей. Физиологическое действие. Метиламин — токсичное соединение. Он раздражает слизистые оболочки, угнетает дыхание, отрицательно дей ствует на нервную систему, внутренние органы.

ВЫВОДЫ

Амины — продукты замещения атомов Гидрогена в молекуле аммиака 1ЧН3 на углево дородные остатки. 200

Простейшим по составу амином является метиламин СН3 1ЧН2. Молекула соединения содержит группу атомов -1ЧН2; ее называют аминогруппой. Метиламин — токсичный газ с резким запа хом, хорошо растворимый в воде. Водный раствор этого соединения содержит ионы ОН". Метиламин — органическое основание. Он взаимодействует с кислотами, образуя соли, содержащие катионы [СН3 МН3] \

9 ■

280. Какие соединения называют аминами? 281. Охарактеризуйте строение молекулы метиламина. 282. Объясните, почему метиламин является органическим основа нием. 283. Как по составу и строению вещества можно предвидеть возмож ность проявления им основных свойств? 284. Напишите уравнения реакций (в молекулярной и ионно-молеку лярной формах) метиламина с бромидной и нитратной кислотами. 285. Вычислите массовую долю Нитрогена в метиламине. 286. Определите плотность метиламина при нормальных условиях и его относительную плотность по водороду. 287. Какой объем воздуха достаточен для полного сгорания 200 мл метиламина? 288. Массовая доля Нитрогена в образце технического метиламина составляет 42 %. Вычислите массовую долю примесей в образце.

Аминокислоты. Аминоуксусная кислота Материал параграфа поможет вам: отличать аминокислоты от других органических соединений; > выяснить строение молекулы аминоуксусной кислоты; 201

объяснить амфотерность аминоуксусной кислоты; понять суть взаимодействия между аминокисло тами. Аминокислоты. Существуют органические соединения, которые играют очень важную роль в природе. Это аминокислоты. А м инокислоты — прои зводн ы е угл ев одор одов, в м о л ек у л а х к о т о р ы х и м ею т ся а м и н о гр у п п ы и к а р б о к си л ь н ы е группы . Пример замещения атомов Гидрогена в моле куле углеводорода на соответствующие функ циональные группы: Н Н Н -С -Н => Н С-СООН. I I

н nh2 углеводород аминокислота

а-Аминокислоты R-CH-COOH I

Кислоты, в молекулах которых амино группа соединена с атомом Карбона, бли жайшим к карбоксильной группе, называют nh2 а-аминокислотами. Двадцать строго определенных аминокислот составляют основу белков. Часть этих амино кислот образуется в клетках из продуктов обмена веществ; их называют заменимыми. Другие, незаменимые а-аминокислоты, чело век и животные получают вместе с пищей. Некоторые а-аминокислоты являются антибио тиками, витаминами. Для а-аминокислот чаще используют триви альные названия. Кроме того, эти соединения обозначают символами. Каждый символ состоит из трех первых букв тривиального названия аминокислоты. Аминоуксусная кислота. Простейшей а-аминокислотой является аминоуксусная кислота NH2CH2COOH (рис. НО). Ее тривиальное наз Аминоуксусная кислота вание — глицин1. Сокращенные обозначения NIK—С Н 2—СООН (символы) соединения — Гли, Gly. 1

202

Название происходит от греческого слова glykys — сладкий.

Р ис. 110.

Модели молекулы аминоуксусной кислоты: а — шаростержневая; б — масштабная

аг

Ф изические свойства. Аминоуксусная кислота (глицин) — кристаллическое вещество (рис. 1 1 1 ), имеющее сладкий вкус, растворимое в воде и нерастворимое в органических раство рителях.

Р ис. 111.

Аминоуксусная кислота (глицин)

Химические свойства. В молекуле аминоук сусной кислоты имеются две функциональные группы: карбоксильная -СООН и аминогруппа -N H 2. Первая обуславливает кислотные свойства соединения, а вторая — основные. Поэтому ами ноуксусная кислота является амфотерным соеди нением. Она реагирует и со щелочами, и с кисло тами. Продуктами таких реакций являются соли. Во взаимодействии аминоуксусной кислоты (глицина) со щелочью принимают участие кар боксильные группы ее молекул NH2CH2COOH + NaOH -> NH 2CH2COONa + Н20 , аминоуксусная натрий кислота аминоацетат а в реакции с сильной кислотой — аминогруппы: NH 2CH2COOH + НС1 -у [NH 3CH2COOH]Cl. глицин соль глицина (хлорид) Аминоуксусная кислота (в растворе), как и карбоновые кислоты, вступает в реакции с активными металлами, основными оксидами, основаниями, некоторыми солями, спиртами. 203

► Напишите уравнение реакции аминоуксус ной кислоты с магнием. Аминоуксусная кислота взаимодействует с купрум(Н) гидроксидом (в щелочной среде); при этом образуется раствор синего цвета (рис. 1 1 2 ).

Рис. 112.

Реакция раствора аминоуксусной кислоты с купрум(П) гидроксидом

Реакции между аминокислотами. В опреде ленных условиях молекулы аминоуксусной и других а-аминокислот могут взаимодейство вать друг с другом. Продуктами таких реакций являются пептиды'. Приводим схему образования дипептида из двух молекул аминоуксусной кислоты: ЫН9 -СН,-С-)0Н + ^ М-СН,-СООН ->

-» МН2-СН 2-С-М -СН2-СООН + н-р.

о н Эта реакция обратима. Противоположное пре вращение — гидролиз дипептида — происходит при нагревании в присутствии сильных кислот или щелочей. В молекуле дипептида, как и аминокислоты, имеются аминогруппа и карбоксильная группа. Любая из этих групп может реагировать с соот ветствующей группой другой молекулы амино кислоты с образованием молекулы трипептида. Из многих молекул аминокислот образуются полипептиды.1 1

204

Термин происходит от греческого слова рер1ов — сваренный.

Молекулы пептидов содержат одинаковые группы атомов, которые называют пептидными группами: -С -Ы и I

Он

Это интересно

Вкус натриевой соли глутаминовой кислоты напоминает вкус мяса. Это соединение используют в качестве приправы.

Образование полипептидов из а-аминокис лот составляет основу синтеза белков в живом организме. Применение. Аминокислоты широко исполь зуют как лекарственные препараты при заболе ваниях крови, печени, поджелудочной железы, нарушениях нервной системы и обмена веществ. Некоторые аминокислоты обезвреживают ток сичные вещества в организме, являются пище выми добавками для животных, сырьем для производства синтетических волокон, пластмасс. Аминоуксусную кислоту (глицин) используют как исходное вещество для получения органиче ских соединений, в медицине, иногда — для обработки кинофотоматериалов.

выводы

Аминокислоты — производные углеводоро дов, в молекулах которых имеются аминогруппы и карбоксильные группы. Если аминогруппа соединена с атомом Карбона, ближайшим к карбоксильной группе, то такие соединения называют а-аминокислотами. Фрагменты молекул двадцати а-аминокислот входят в состав молекул белков. Простейшая а-аминокислота — аминоуксус ная 1ЧН2СН2СООН. Это кристаллическое веще ство со сладким вкусом. Аминоуксусная кислота является амфотерным соединением; она реаги рует со щелочами и сильными кислотами. Молекулы аминоуксусной и других амино кислот могут взаимодействовать друг с другом. При этом образуются пептиды — соединения, молекулы которых содержат остатки молекул аминокислот, соединенные группами атомов —СО—1ЧН—(пептидными группами). 205

Аминокислоты используют в медицине, про изводстве полимерных материалов, добавляют в корма сельскохозяйственных животных.

9 ■

289. Какие соединения называют аминокислотами? 290. Почему аминокислоты являются амфотерными соединениями? 291. Составьте уравнения реакций: а) МН2СН2СООН + 1\^0 -* ...; б) МН2СН2СООН + КОН -> ...; в) ИН2СН2СООН + НВг ->...; г) ... + ... -> М +г-СНг-С-М-СНг-СООН + .... и I О Н 292. Напишите уравнение реакции эстерификации с участием амино уксусной кислоты и этанола. 293. Вычислите массовые доли элементов в аминоуксусной кис лоте. 294. В раствор, содержащий 15 г аминоуксусной кислоты, добавили достаточное количество барий гидроксида. Напишите формулу соли, которая образовалась, и вычислите ее массу. 295. Какой объем газа (н. у.) выделится в результате реакции раство ра аминоуксусной кислоты: а) с 1,2 г магния; б) с 0,03 моль натрий карбоната?

Белки

Материал параграфа поможет вам: > выяснить состав белков; > понять строение молекул белков; > узнать о свойствах белков; получить представление о значении белков для живых организмов. 206

В природе нашей планеты есть вещества, без которых существование живых организмов было бы невозможным. Это — белки.

Белки — полипептиды, выполняющие специфические биологические функции в живых организмах. Известно очень много белков. Они осущест вляют и регулируют обмен веществ в клетках, в то же время являясь для них «строительным* материалом. Белки реагируют на изменение внешней среды, изменяясь и приспосабливаясь к новым условиям. Они обеспечивают двига тельную деятельность организма, а некоторые (так называемые белки-антитела) защищают его от инородных тел. Все реакции в клетках происходят при участии белков-ферментов, которые играют роль катализаторов. Таким образом, белки выполняют в организме разнооб разные функции — энергетическую, строитель ную, сигнальную, двигательную, защитную, каталитическую. Каждый белок отличается от других набором аминокислотных остатков, их строго определен ной последовательностью в молекуле, простран ственным строением молекул, а также осущест вляемыми функциями. В организмах животных и человека содер жится больше белков, чем в растениях. Они вхо дят в состав мышечной и нервной тканей, кожи, волос, ногтей. Вырабатывать белки непосредственно из неорганических веществ могут только растения. В них и некоторых бактериях белки образуются в результате фотосинтеза (как и углеводы): углекислый га з + во д а + н е к ото ры е р а с тв о р и м ы е соли -> б ел к и + к и сл ор о д.

В организмы животных и человека белки поступают с пищей. Они расщепляются фермен тами на аминокислоты, из которых образуются другие белки, свойственные данному организму. Во всех белках содержатся пять основных элементов — Карбон (его массовая доля состав 207

Это интересно При полном расщеплении 1 г белка выделяется свыше 17 кДж энергии.

ляет 50—55 %), Оксиген (21,5—23,5 %), Нитро ген (15—17 %), Гидроген (6,5—7,3 %), Сульфур (0,3—2,5 %), а также небольшие количества Фос фора, Иода, Феррума, других элементов. Белки имеют высокие значения молекуляр ных масс — от десятков тысяч до нескольких миллионов. Химические формулы этих соедине ний очень сложные. Классификация. Различают простые и слож ные белки. Молекулы простых белков1 состоят только из остатков молекул аминокислот, а слож ных2 содержат также остатки молекул соедине ний небелковой природы (углеводов, ортофосфат ной кислоты Н3 Р04, нуклеиновых кислот и др.). Строение молекул. Уникальность белков обусловлена их строением, которого не имеет ни одно из изученных вами соединений. Первый весомый вклад в исследование белков внес немецкий ученый Э. Фишер. Он доказал, что их молекулы построены из остатков молекул а-аминокислот, соединенных пептидными группами. Различают четыре типа структуры белка. Первичная структура белка — это полипептидная цепь со строго определенной последова тельностью аминокислотных остатков (рис. 113): Н2М-СН С-М СН-С-М-СН С- ... -1Ч!-СН-СООН. I II I I П I I » I I Я, о н я 2 о н я 3 о н я , В приведенной формуле буквами Я с различ ными индексами обозначены углеводородные и другие остатки.

ие V

«• •• * . I5 *. е

*. 1я * . е • е

я *« .

Р ис. 113. Ш а р о с те р ж н е в а я м о д е л ь ф р а гм е н та пер в и чн о й стр уктур ы б ел ка. Ч ер н ы е ш а рики — ато м ы К а р б о н а , ж ел ты е — Гидрогена, голубы е — Н и тр о ген а , к р а с н ы е — О к с и ге н а . З е л е н ы е ш арики им итир ую т угл ев о д о р о д н ы е о ста тки

Их называют протеинами (от греческого слова ргбШв — первый). Их называют протеидами (от греческих слов ргбкж — первый и йбов — вид). 1

208

Эмиль-Герман Фишер (1852—1919) Немецкий химик и биохимик, академик Бер линской академии наук. Исследовал белки и продукты их расщепления. Доказал, что при взаимодействии аминокислот образуются полипептиды. Изучал действие ферментов на различные соединения. Разработал класси фикацию углеводов и методы их синтеза. Внес значительный вклад в развитие стерео химии. Лауреат Нобелевской премии (1902).

Вторичная структура белка — это опре деленная пространственная форма (большей частью — спираль), которую приобретает полипептидная цепь (рис. 114). Третичная структура белка образуется в результате свертывания спирали полипептидной цепи в более компактную форму (глобулу) (рис. 115). Четвертичная структура белка являет ся системой очень сложной формы. В ней объединены две или больше глобул. Образу ется единый комплекс, который выполняет определенную функцию в живом организме. Четвертичную структуру имеют лишь некоторые белки, например, гемоглобин; его молекула содержит четыре глобулы (рис. 116).

••• водородная связь Рис. 114. Вторичная структура белка

Учитывая форму молекул, белки делят на фибриллярные и глобулярные. Фибрилляр ные белки имеют нитевидные молекулы, не растворяются в воде. Из них состоят волокна живых тканей, шелк, шерсть, воло сы, рога, когти. Глобулярные белки отлича ются от фибриллярных компактной формой молекул и достаточной растворимостью в воде. Они регулируют биохимические про цессы. К этой группе белков относятся фер менты, многие гормоны, гемоглобин и др. 209

Р ис. 11 5 . Третичная

Рис. 116. Четвертичная структура

структура белка

белка (молекула гемоглобина)

Физические свойства. Белки не имеют темпе ратур плавления и кипения. При нагревании они темнеют и начинают разлагаться, распространяя запах жженых перьев. Некоторые белки раство ряются в воде с образованием коллоидных растворов. При добавлении к раствору белка концентри рованных растворов кислот, щелочей, солей Купрума(П), Плюмбума(П), других («тяжелых») металлических элементов, а также органических растворителей (например, спирта) происходит осаждение белка (денатурация'). Аналогичный эффект наблюдается при нагревании. Он вызван разрушением четвертичной, третичной и вторич ной структур белка. В результате белок теряет способность выполнять свои биологические функции. Но пищевые продукты после денатура ции белков легче усваиваются организмом — яичница или сваренное яйцо по сравнению с сырым, кислое молоко по сравнению со свежим. Химические свойства. Белки, как и амино кислоты, являются амфотерными соединения ми со слабо выраженными оснбвными и кислот ными свойствами. В присутствии кислот или ферментов белки подвергаются гидролизу. Конечными продукта-1 1 Термин происходит от греческого слова бепаШгаию — лишенный природных свойств.

210

ми этого превращения являются аминокислоты, из которых образовался белок. Гидролиз проис ходит в несколько стадий: б е л о к -> п о л и п еп ти д ы -» д и п е п ти д ы -» а м и н о к и с л о ты .

Некоторые реакции с участием белков сопро вождаются изменением цвета, поэтому их назы вают цветными. К ним относятся биуретовая1, ксантопротеиновая12 реакции и др.

ЛАБО РАТО РН Ы Й ОП Ы Т № 26 Б и ур е то вая реакц ия

В пробирку налейте 1 мл раствора щелочи и несколько капель раствора купрум(И) сульфата. К образовавшемуся осад ку добавьте раствор белка куриного яйца и перемешайте содер жимое пробирки. Что наблюдаете? При взаимодействии белков с раствором соли Купрума(Н) в щелочной среде появляется сине фиолетовое окрашивание. Биуретовая реакция позволяет обнаружить пептидные группы в моле кулах.

ЛА БО РА ТО РН Ы Й ОПЫ Т № 27 К сан топ р отеи н ова я реакция

В пробирку налейте 1 мл раствора белка куриного яйца и добавьте 0,5 мл 20 %-го раствора нитратной кислоты. Каков цвет образовавшегося осадка? Нагрейте содержимое пробирки. Изменяется ли цвет осадка? После охлаждения добавьте к осадку немного раствора щело чи. Что наблюдаете?

Если белки нагревать с концентрированной нитратной кислотой, то происходят реакции 1 Название происходит от аналогичной реакции, в которую вступа ет нитрогенсодержащее соединение — биурет. 2 Название происходит от греческих слов хап№ов — желтый и ргМов — первый.

211

с образованием соединений желтого цвета (рис. 117). При попадании этой кислоты на кожу появляется желтое пятно, не смываемое водой. Практическое значение. Белки являются важнейшей составляющей нашего пита ния и рациона животных. Их ценность определяется наличием в молекулах бел ков фрагментов молекул незаменимых аминокислот. Недостаток белков в пище отрицательно влияет на организм, вызывает некоторые заболевания. В животновод Рис. 117. стве и птицеводстве с целью увеличения Реакция белка с пищевой ценности кормов их обогащают концентрированной искусственными белками, произведенны нитратной кислотой ми с помощью микробиологического син теза. Вещества и материалы, основу которых соста Это интересно вляют белки, имеют широкое применение. Среди Суточная них — шерсть, шелк, кожа, меха, клеи, желатин потребность и др. В современные стиральные порошки вводят в белках биодобавки — ферменты, катализирующие рас взрослого пад белковых загрязнений белья и одежды. человека Белки используют и в медицине. составляет в среднем Синтез белков. В живых организмах синтез 1 0 0 — 1 1 0 г. белков происходит при участии нуклеиновых кислот. Эти соединения рассмотрим в следующем параграфе.

ВЫВОДЫ

Белки — полипептиды, «построенные» из остатков молекул а-аминокислот и выполняю щие специфические биологические функции в живых организмах. Эти соединения осуществля ют и регулируют обмен веществ в клетках, а также являются для них «строительным» мате риалом. В организмы животных и человека белки поступают с пищей. Они расщепляются ферментами на аминокислоты, из которых обра зуются другие белки, свойственные данному организму. 212

В белках содержатся Карбон, Оксиген, Нитро ген, Гидроген, Сульфур, а иногда и некоторые другие элементы. Различают первичную, вторичную, третич ную и четвертичную структуры белка. При нагревании раствора белка или добавле нии к нему кислот, щелочей, некоторых солей происходит его денатурация, т. е. разрушение пространственной структуры и потеря биологи ческих функций. В присутствии кислот, щело чей или ферментов белки подвергаются гид ролизу.

9■ 296. Какие соединения называют белками? Какие функции они выполняют в живых организмах? 297. Насколько правильны такие утверждения: а) все белки являются полипептидами; б) все полипептиды являются белками? 298. Охарактеризуйте первичную, вторичную и третичную структуры белка. 299. Что такое денатурация белка? Чем она может быть обусловлена? 300. Каковы химические свойства белков? 301. Почему белковую пищу нельзя заменить пищей, в которой пре обладают жиры или углеводы? 302. Массовая доля белков в листьях шпината составляет 2,3 %, а средняя массовая доля Нитрогена в белках — 16 %. Какая масса Нитрогена содержится в 1 кг шпината?

ЭКСПЕРИМ ЕНТИРУЕМ ДОМА

П риготовление р аств о р а белка

Отделите белок куриного яйца от желтка. Поместите в стакан одну столовую ложку белка, добавьте приблизительно 1/3 стакана охлажденной кипяченой воды. Перемешайте смесь и профильтруй те ее, используя воронку и вату или бинт, сложенный в несколько ■ раз.

ч _____________________________^ 213

И зуче н и е св о й с т в б ел к а

В четыре аптечных бутылочки налейте небольшие порции водного раствора белка. В первую бутылочку добавьте немного нашатырного или этилового спирта, в другую — столько же уксуса, в третью — раствора поваренной соли, а в четвертую — воды, нагретой до кипе ния (вместо этого можно нагреть раствор белка в термостойкой посу де). Зафиксируйте происходящие изменения. Добавьте в третью бутылочку порцию поваренной соли, достаточ ную для образования ее насыщенного раствора. Через несколько минут обратите внимание на содержимое бутылочки. Долейте в нее немного воды. Что наблюдаете? Запишите в таблицу результаты своих наблюдений и выводы отно сительно действия на белок растворов различных веществ, а также нагревания. Нашатырный или этиловый спирт

Уксусная кислота

Поваренная соль

Нагревание

Наблю дения Вывод

Нуклеиновые кислоты

Материал параграфа поможет вам: > получить представление о нуклеиновых кислотах и их роли в живых организмах; > выяснить строение молекул нуклеиновых кислот; > понять, что такое генномодифицированные орга низмы.

Способность организмов передавать следую щим поколениям свои признаки, а также тип 214

обмена веществ называют наследственностью. Ученые обнаружили, что за наследственность «отвечают* соединения очень сложного стро ения — нуклеиновые' кислоты.

Нуклеиновые кислоты — это высокомолекулярные1 2при родные соединения, которые сохраняют и воспроизводят в организмах генетическую информацию, а также при нимают участие в синтезе белков. Существуют два вида нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (сокращенное обозначение — РНК) и дезоксирибонуклеиновые (ДНК). Их назрания происходят от названий моносахаридов — рибозы (С5Н 10О5) и дезоксирибозы (С5 Н 10О4), остатки молекул которых содержатся в молеку лах нуклеиновых кислот. В клетках живых организмов количество молекул РНК превышает количество молекул ДНК. Значения относительных молекулярных масс ДНК составляют несколько десятков миллионов, а РНК — от 20 тысяч до нескольких миллионов. Строение молекул. Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются природными полимерами. Если молекула белка состоит из остатков молекул аминокислот, то молекула нуклеиновой кисло ты — из остатков молекул ортофосфатной кис лоты Н3Р 04, моносахарида и некоторых нитро генсодержащих соединений. Три соединенных остатка различного типа называют нуклеотидом. Упрощенно нуклеотид можно изобразить так: остаток молекулы ортофосфатной кислоты

остаток молекулы моносахарида I

остаток молекулы нитрогенсодержащего соединения 1 Термин происходит от латинского слова nucleus — ядро (нуклеи новые кислоты были впервые обнаружены в ядрах клеток). 2 Так называют соединения, молекулы которых состоят из чрезвы чайно большого числа атомов. К ним принадлежат, в частности, крах мал, целлюлоза, полиэтилен.

215

Цепь молекулы нуклеиновой кислоты полу чила название полинуклеотидной (молекулы белков имеют полипептидную цепь). Приводим схему ее строения:

, 1

Рис. 118. Упрощенная модель молекулы

ДНК

216

" Я

* 1 " д -

Пространственное строение молекул нуклеи новых кислот напоминает строение молекул белков. Молекула ДНК имеет первичную, вто ричную и третичную структуры, а РНК — толь ко первичную, но определенные ее участки вследствие образования водородных связей «закручиваются», формируя вторичную или даже третичную структуры. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей (рис. 118), закрученных вокруг общей оси. Остатки молекул нитрогенсодержащих соединений расположены внутри спирали и пер пендикулярно ее оси, а остатки молекул ортофос фатной кислоты и моносахарида образуют каркас молекулы ДНК. Обе цепи молекулы ДНК удер живаются вместе с помощью водородных связей, существующих между различными остатками молекул нитрогенсодержащих соединений. Функции нуклеиновых кислот. Биологическая роль ДН К в организме состоит в сохранении генетической информации. Такая информация, присущая данному биологическому виду, «запи сана» в молекуле ДНК строго определенной последовательностью нуклеотидов. Эта инфор мация используется для синтеза белков и рибо нуклеиновых кислот. Единицей генетической информации является ген — часть молекулы ДНК (тринуклеотид). Биологическая роль РН К в организме — осуществление синтеза белков (молекулы ДНК непосредственного участия в нем не принимают). В живой клетке есть три вида рибонуклеино вых кислот: информационные, транспортные и рибосомные. Информационная РНК «копирует» определенный участок молекулы ДНК и служит основой (матрицей) для биосинтеза белка. Последовательность нуклеотидов на этом участке

Это интересно

Применение трансгенной технологии в животно водстве позволяет увеличить содержание белков в молоке.

отвечает последовательности аминокислотных остатков в молекуле белка. (Именно поэтому ДНК отвечает за структуру белков определенного организма.) Эту последовательность (код) рас шифровывает транспортная РНК и «переносит» молекулы аминокислот к месту синтеза белка. Каждой аминокислоте соответствует своя транс портная РНК. Рибосомная РНК принимает участие в биосинтезе белка. Воспроизведение каждой ДНК и ее передача от предыдущего поколения последующему обес печивают синтез одних и тех же белков. Этим объясняется сохранение специфических приз наков данного вида организмов. Свойства. ДНК и РНК растворяются в воде с образованием коллоидных растворов, при нагре вании которых они осаждаются, теряя свои био логические функции. Радиоактивное излучение, а также некоторые вещества вызывают изменения в последователь ности расположения нуклеотидов в молекуле ДНК. Это может привести к ошибкам в передаче генетической информации, синтезе белка и, как следствие, к заболеванию организма или даже его гибели. Генная инженерия. Исследования нуклеино вых кислот положили начало новому направле нию биологической науки — генной инженерии. Появилась возможность руководить процессами, происходящими в живой клетке, синтезировать в ней «запрограммированные* белки. Открылись широкие перспективы в решении таких глобаль ных проблем, как нехватка продуктов питания, борьба с неизлечимыми болезнями. Ученые уже вывели генетически модифицированные сорта картофеля, кукурузы, сои, сахарной свеклы, других сельскохозяйственных культур. Новые растения оказались устойчивыми к болезням и вредителям. Они дружно созревают, дают высо кие урожаи, хорошо хранятся и транспортируют ся. Возможно, вскоре будут выведены растения и животные, которых в природе не существует. Использование достижений генной инженерии должно быть под строгим контролем. Пищевые 217

продукты с «инородными» для человека белками могут оказаться токсичными, вызывать аллер гию. Перед тем, как внедрять генетически моди фицированные растения, необходимо проводить разносторонние и комплексные исследования, чтобы не причинить серьезного вреда существую щим видам организмов. Ученые-генетики не дол жны переступать границу, за которой результаты их работы отрицательно повлияют на здоровье людей и окружающую среду.

ВЫВОДЫ

Нуклеиновые кислоты — высокомолекуляр ные природные соединения, которые сохраняют и воспроизводят в организмах генетическую информацию, а также принимают участие в синтезе белков. Молекула нуклеиновой кислоты состоит из огромного числа нуклеотидов, в каждом из которых содержатся остатки молекул ортофос фатной кислоты, моносахарида и нитрогенсо держащего соединения. Существуют рибонуклеиновые (РНК) и дезок сирибонуклеиновые (ДНК) кислоты. Биологи ческая роль ДНК в организме состоит в сохра нении и передаче последующему поколению генетической информации, а РНК — в осу ществлении синтеза белков. Ученые, работающие в области генной инже нерии, разрабатывают методы конструирования молекул ДНК. Это открывает широкие перспективы в решении проблем сельского хозяйства, здравоохранения. Вместе с тем необходимо выяснить, не причинят ли вреда человеку пищевые продукты, содержащие генномодифицированные компоненты.

9я 303.

218

Какие соединения называют нуклеиновыми кислотами? Назовите два вида этих соединений. Чем они различаются?

304. Охарактеризуйте состав молекулы нуклеиновой кислоты. Что представляет собой нуклеотид? 305. Каковы особенности пространственного строения молекул нуклеиновых кислот? 306. Какие функции выполняют в живой клетке ДНК и РНК? 307. Охарактеризуйте свойства нуклеиновых кислот. 308. Подготовьте по материалам Интернета или других источников информации небольшое сообщение о новых достижениях в области генной инженерии. 309. Массовая доля Нитрогена в некотором нуклеотиде составляет 5,6 %. Нуклеотид содержит два атома Нитрогена. Вычислите мас совую долю Фосфора в нуклеотиде.

Физиологически активные вещества1 Материал параграфа поможет вам: узнать о том, какие вещества называют физио логически активными; выяснить важность витаминов для организма; понять причину стимулирующего действия чая, кофе, шоколада; осознать вред курения и употребления наркоти ков.

Существует большая группа органических соединений, которые ввиду их особого воздей ствия на организм назвали физиологически активными веществами.

Физиологически активные вещества — это органические соединения, активно влияющие на различные биологи ческие процессы в живых организмах. Такие вещества были вначале обнаружены в грибах, растениях, животных, а со временем их научились синтезировать в лаборатории. 1

Параграф не обязателен для изучения. 219

К физиологически активным ве ществам относят витамины, алка лоиды, антибиотики, гормоны и др. Антибиотиками называют органичес кие вещества, обладающие способ ностью препятствовать росту и раз множению микробов, бактерий. В природе их вырабатывают некоторые микроорганизмы (например, пле сень), растения и животные. Гормоны Рис. 119. Некоторые природные регулируют протекание химических источники витаминов процессов в организме. В этом параграфе рассмотрим витамины и алкалоиды. Витамины. Человеку для обеспечения нормаль ной жизнедеятельности кроме воды, белков, жиров, углеводов, солей необходимы витамины1. Их главным источником являются растения (рис. 119), однако некоторые витамины образуют ся в организмах животных и человека.

Витамины — органические соединения, которые необхо димы организму в незначительных количествах для осуществления важных биохимических процессов. Известно около 20 витаминов. Они имеют сложные формулы и химические названия. Для удобства эти соединения обозначают большими латинскими буквами (А, В, С и др.), иногда — с числовыми индексами (например, В,, В2). Одну и ту ж е букву используют для обозначения витаминов, выполняющих в организме подобные функции. Витамины делят на водорастворимые и жиро растворимые. Водорастворимые витамины. В воде раство ряются витамин С, витамины группы В (В,, В2, В6, В12) и некоторые другие. Витамин С (аскорбиновая кислота) является одним из важнейших. Он участвует в образовании ' Термин происходит от латинского слова vita — жизнь и назва ния класса соединений — амины (часть витаминов является их производными). 220

Э то и н тер есн о

Витамин С добавляют в безалко гольные напитки, сладости, продукты для детского питания.

белков и желчных кислот, усиливает сопротив ляемость организма различным инфекциям, улучшает состояние кожи, ускоряет ее заживле ние. При недостатке этого витамина в пищевых продуктах человек заболевает цингой, у него начинают кровоточить десны, ослабевает скелет, происходят изменения в нервной и кровеносной системах. Формула витамина С — С6Н80 6. Это белое кристаллическое вещество. Водный раствор витамина С проявляет кислотные свойства; соединение действует на индикаторы, реагирует со щелочами, некоторыми солями, а также вступает в окислительно-восстановительные реакции (рис. 120). Этот витамин в водном растворе, на свету или при нагревании разла гается.

Рис. 120. Опыты с раствором витамина С: а — дей ствие на универсальный индикатор; б — реакция с натрий карбонатом; в — реакция с раствором калий

Витамин С содержится в шиповнике, орехах, черной смородине, сладком перце, хрене, цитру совых и др.

перманганата

Витамины группы В входят в состав фермен тов и отвечают за их каталитическую актив ность. Витамин В1 участвует в обмене веществ. Его недостаток в организме человека приводит к заболеванию нервной системы, нарушениям сердечной деятельности. Витамин В2 принима ет участие в процессах окисления белков, жиров и углеводов. Он необходим при заболе ваниях глаз, кожи. Витамины группы В содержатся в раститель ных и мясных продуктах, в частности, в зароды шах пшеницы, дрожжах, молоке, яичном желт ке, печени. 221

Эго интересно В корма для сельскохозяй ственных животных часто добавляют витамины А, В |2 » О* Б* поскольку их в растениях недостаточно.

222

Ж ирорастворимые витамины. К витами нам этой группы относятся витамины А, О и некоторые другие. Витамин А (ретинол) называют витамином роста. Он необходим для нормального развития организма, прежде всего молодого, увеличивает устойчивость к инфекционным заболеваниям. Его недостаток вызывает «куриную слепоту» — нарушение зрения при слабом освещении. Витамин А — желтоватое вещество, которое разрушается в кислой среде и окисляется на воз духе (быстрее — на солнечном свету). Витамин А содержится только в пищевых продуктах животного происхождения — рыбьем жире, печени (в частности, тресковой), яичном желтке, молоке. Заменителем этого витамина является соеди нение, название которого — каротин. Его моле кулы расщепляются в организме на две молекулы витамина А. Органические соединения, спо собные превращаться в витамины, называют провитаминами. Каротин — это провитамин А. Он содержится в моркови, тыкве, помидорах, некоторых фруктах, ягодах и обуславливает их оранжевый или красный цвет. В организме человека и животных вырабаты ваются лишь некоторые витамины, причем в недостаточном количестве. Поэтому они долж ны поступать в организм вместе с пищевыми продуктами. Для укрепления здоровья, ско рейшего выздоровления врачи рекомендуют принимать различные витаминные препараты. Суточная потребность человека в витаминах составляет от нескольких микрограммов1 до нескольких миллиграммов, а в витамине С — 50—60 мг. Жирорастворимых витаминов орга низму нужно значительно меньше, чем водора створимых. Существует группа лекарственных препара тов, название которой — поливитамины. Они содержат, помимо витаминов, также глюкозу, сахар, крахмал, пищевые красители. Хорошо

микрограмм ( 1 мкг) равен

10 6

грамма.

известны отечественные поливита минные препараты «Ревит», «Гексавит», «Декамевит» (рис. 121). Существенный недостаток вита минов в пищевых продуктах или нарушение их усвояемости приводит к авитаминозу'. При употреблении витаминов в чрезмерном количестве, прежде всего А и О (в больших дозах они токсичны), возникает гипервиРис. 121. Витам инны е препараты таминоз2. Алкалоиды. Люди еще в древности замечали, что при употреблении соков или отваров некоторых расте ний появляется бодрость, дополнительная энер гия, проходит боль и усталость. Физиологически активные вещества, которые содержатся в этих соках и отварах, ученые назвали алкалоидами.

Алкалоиды — нитрогенсодержащие органические соеди нения, оказывающие сильное физиологическое действие на организмы животных и человека.

Рис. 122 . Некоторые источники алкалоидов

Известны несколько тысяч алкалоидов. Они содержатся в семенах и стеблях мака, бобах какао, плодах кофейного дерева, в листьях чая (рис. 1 2 2 ) и табака, коре хин ного дерева, некоторых грибах и водорос лях. Названия некоторых алкалоидов про исходят от названий растений. Молекулы алкалоидов состоят из атомов Карбона, Гидрогена и Нитрогена, а иногда еще и Оксигена. Все эти соединения, как и амины, проявляют основные свойства (на звание «алкалоиды» означает «похожие на щелочи»); они реагируют с кислотами с образованием соответствующих солей. Алкалоиды кофеин (содержится в зернах кофе, чайных листьях) и теобромин (в бобах какао, шоколаде, чайных листьях)

Греческое а — приставка, означающая отрицание. Греческое hyper — приставка со значением «сверх». 223

Это интересно

Алкалоид хинин был первым эффективным противо малярийным средством. Он содержится в коре хинного дерева.

благотворно влияют на организм человека. После чашки кофе или крепкого чая исчезает усталость, повышается умственная и физическая активность. Алкалоид никотин (содержится в табаке1) — сильный яд; его смертельная доза — 40 мг. Он действует на нервную и кровеносную системы. Никотин вызывает вредную привычку — курение. О вреде курения. О том, что курить вредно, знают все. Тем не менее курильщики составля ют значительную часть человечества. Известно, что в табачном дыме содержатся чрезвычайно вредные вещества, в частности, никотин, а также карбон(Н) оксид (угарный газ). Попадая в легкие, этот газ блокирует способность гемогло бина переносить кислород к клеткам организма. Кроме этого, при горении сигареты происходят различные реакции и образуются свыше 3600 со единений, в том числе очень вредных. Дым сига реты содержит и вещества-канцерогены (они вызывают появление злокачественных опухо лей). Смола от табачного дыма накапливается в легких. По статистике, курильщики болеют раком легких в 10 раз чаще, чем люди, не имею щие этой вредной привычки. Табачный дым вредит не только курильщи кам, но и тем, кто находится рядом и вынужден его вдыхать. Таких людей называют «пассивны ми курильщиками*. Курение особенно опасно для молодого и женского организмов. Никотин относится к наркотическим веще ствам. Наркотиком является и морфин — первый алкалоид, полученный химиками из растений. Он содержится в соке опийного мака. Это белое кристаллическое вещество, малорастворимое в воде и спирте. Оно обладает обезболивающим и снотворным действием, вызывает состояние эйфории.

1В действительности растение содержит соли никотина, образован ные им как органическим основанием, и кислотами — уксусной, лимонной,яблочной. 224

Это интересно

Существуют наркотики, зависимость от которых возникает после одногодвух приемов.

Опасность наркотиков для жизни. Наркоти ческие вещества сильно влияют на центральную нервную систему. Человек легко привыкает к их употреблению, попадает в устойчивую психиче скую и физическую зависимость от этих ве ществ, постепенно деградирует как личность, а потом погибает. Это — трагедия как для самого наркомана, так и для его родных и друзей. Современная медицина может избавить челове ка от привычки употреблять наркотики. Но очень важным является наличие у человека сильного желания возвратиться к здоровому образу жизни.

выводы Физиологически активные вещества — со единения, активно влияющие на биологические процессы в живых организмах. Некоторые из них содержатся в растениях, организмах живот ных, а другие получают в лабораториях. Физиологически активными веществами являются витамины, алкалоиды, антибиотики, гормоны. Витамины — органические соединения, необходимые организму в незначительных количествах для осуществления важных био химических процессов. Витамины делят на водорастворимые и жирорастворимые. Алкалоиды — нитрогенсодержащие органи ческие соединения, оказывающие сильное фи зиологическое действие на организмы животных и человека. Они содержатся в чае, кофе, какао, табаке. Некоторые алкалоиды являются нарко тиками. Человек легко привыкает к их употре блению и тем самым наносит серьезный вред своему организму.

9я 310. Какое значение имеют витамины для нашего организма? 311. Назовите важнейшие водорастворимые и жирорастворимые витамины. 225

312. Подготовьте по материалам Интернета или других источников информации небольшое сообщение о витаминах, не упомянутых в параграфе. 313. Какие вещества называют алкалоидами? В чем заключается их действие на организм? 314. Как вы считаете, почему выделение алкалоидов из растений с помощью кислот является эффективным? 315. Почему курение и употребление наркотиков опасно для жизни? 316. Найдите соотношение масс элементов в витамине С. 317. Вычислите относительную молекулярную массу витамина В2, если его молекула содержит четыре атома Нитрогена, а массо вая доля этого элемента в витамине составляет 14,9 %.

Химия и прогресс человечества Материал параграфа поможет вам: оценить значение новых веществ и материалов в современной жизни; выяснить пути развития современной химиче ской технологии; понять, почему роль науки химии и химических знаний в наше время возрастает.

Новые вещества. Ученые-химики синтезиру ют много новых соединений. Они определяют их состав, строение, исследуют свойства, пред лагают сферы и способы практического приме нения этих соединений. Возрастает количество новых лекарств. Они содержат вещества, которые эффективнее, чем обычные средства, помогают лечить людей, укреплять их здоровье. Благодаря современным лекарственным препаратам удалось победить некоторые болезни, которые ранее считались неизлечимыми. Сельское хозяйство ныне имеет широкий выбор химических средств защиты растений от болезней и вредителей. Эти вещества успешно

226

применяют и те, кто выращивает овощи и фрук ты на приусадебном участке. Трудно оценить количество производимых кос метических средств. Многие из веществ, полу ченных в химических лабораториях, входят в состав кремов, гелей, лосьонов; они благотворно влияют на кожу, волосы. Новые вещества применяют и в строитель стве. Это красивые и устойчивые краски, лаки, заменители цемента. В последнее время появи лись эффективные средства бытовой химии — стиральные порошки, клеи, жидкости и пасты для чистки и дезинфекции. Новые материалы. Сегодня люди уже не могут обойтись без полимеров и пластмасс — на работе, учебе, в повседневной жизни, на отдыхе (схема 4). XX век стал эрой открытия этих веществ и материалов на их основе. Они стреми тельно входят во все сферы нашей жизни. Схема 4 Применение полимеров и пластмасс

В современном строительстве широко исполь зуют разные искусственные покрытия, облицо227

Э то и н тер есн о

Пластмассы с наполнителем из алмазной пыли являются прекрасными шлифо вальными материалами.

228

вочную плитку, металлопластиковые окна и двери, полимерные герметики и изоляционные материалы. Это позволяет экономить древесину, беречь лесные насаждения. Из каучука, наиболее распространенного поли мера, производят автомобильные шины. В транс портных средствах все больше металлических деталей и оборудования заменяют пластмассовы ми. Из искусственных материалов изготовляют современную мебель, предметы домашнего оби хода, бытовую технику. Благодаря этому изделия имеют привлекательный вид, они удобны, легки, прочны. Каждый из вас пользуется письменны ми принадлежностями, папками, различными пленками, пакетами, изготовленными из синте тических полимеров. За последние десятилетия с внедрением поли меров значительно изменилось и усовершен ствовалось спортивное оборудование. Синтетические волокна являются более долго вечными и прочными, чем натуральные. Из искусственных материалов в сочетании с при родными производят все больше одежды и обуви. Новые материалы применяют и в медицине. Благодаря химической устойчивости, прочности, совместимости с организмом их используют для протезирования в стоматологии и ортопедии, в хирургических операциях. Космическая техника выдвигает к новым мате риалам жесткие требования, среди которых — способность выдерживать высокие температуры и глубокий вакуум, устойчивость к различным излучениям. Своими успехами в освоении космического пространства человечество во многом обязано достижениям химии. Новые химические технологии. Украина является государством с развитой промышлен ностью. На отечественных заводах производят минеральные удобрения, полимеры и пластмас сы, цемент, стекло, нефтепродукты. Основу каждого технологического процесса составляют химические реакции. С учетом результатов научных исследований разрабатываются и внедряются новые технологии с комплексным

использованием природного сырья, оптими зируются способы переработки и утилизации промышленных и бытовых отходов. С химическими технологиями неразрывно связана система мероприятий по охране окружа ющей среды. При участии химиков внедряются эффективные методы очистки воды, удаления вредных веществ из газовых выбросов промы шленных предприятий и транспортных средств. Наше поколение стало свидетелем становления новой отрасли науки — нанотехнологии. Объек том ее изучения являются частицы, размеры которых выражают в нанометрах (X нм = 1 0 9 м). По своим свойствам такие частицы отличаются от отдельных атомов и молекул, а также от значительно бблыних частиц — кристалликов, капелек. Катализаторы, состоящие из наноча стиц, оказались намного эффективнее обычных, а молекулы лекарственных препаратов, «спря танные* в частицах такого размера, могут изби рательно лечить тот или другой внутренний орган, уничтожать злокачественные опухоли. Наноматериалы являются перспективными для применения и в других сферах. Химические знания. Химия — один из основ ных предметов в среднем образовании каждой страны. Знания по химии, которые получают школьники от учителя, из учебников, помогают им правильно обращаться с веществами и матери алами, понимать необходимость здорового спо соба жизни, охраны природы. Достижения химической науки находят прак тическое применение. Эту науку, несомненно, ждет успешное развитие и большие перспективы.

ВЫВОДЫ

Благодаря достижениям химической науки человек использует все больше новых веществ и материалов. Ученые-химики совершенствуют технологи ческие процессы с целью улучшения переработки 229

сырья и уменьшения загрязнения окружающей среды. Химические знания нужны людям для пра вильного обращения с веществами и материа лами, эффективного их применения. Они спо собствуют становлению в обществе здорового образа жизни, формированию экологического сознания.

9■ 318. Почему искусственным материалам часто отдают предпочтение по сравнению с материалами природного происхождения? 319. Назовите несколько искусственных материалов, которые ис пользуют в производстве одежды. 320. Какой материал по химии вызвал у вас наибольший интерес во время учебы в школе? 321. Какие знания по химии вам пригодились в жизни?

230

Ответы к задач ам и упражнениям Раздел 1. Вода. Растворы 7. А(Н) = 6,7 • 1019. 9. т(молекулы Н20) = 3 - 10 23 г. 15. К(Н2) = 1244 л. 16. Да. 20. т(Ва(ОН)2) = 3,42 г. 21. т(Н 20 ) : т(А1(Ш 3)3) = 0,76 : 1 « 3 : 4. 22. т(Ыа 2С03 • ЮН20 ) = 14,3 г. 23. 2пБ0 4 • 7Н20 . 24. М — 1д. 41. К(//2) —22,4 мл. 42. В приготовленном растворе можно растворить еще 6 г К 2С03. 43. а) т(Н 20) = 14,3 г; б) т(К Ж )3) = 72 г. 44. т(Яа1) = 29 г. 51. т(Н 20 ) = 114 г. 52. т(соли) = 18 г; К(Н20) = 1982 мл. 53. в(соли) = 0,24. 55. т(ЯаОН) - 8 г. 56. в(1д28 0 4) = 12,5 %. 57. и(Си804) —28,6 %. 59. Необходимо в растворе растворить еще 0,42 г калий хлорида. 60. Необходимо к раствору добавить 1 0 мл воды. 6 8 . б) //(ионов) = 6 • 1 0 23. 75. //(К*) = 2 • 1022; ЛГ(!30| ) = 1 • 1022. 76. а. 77. и(СГ) = 0,88 %. 78. «(N 8 *) - 0,09; н(вО^) = 0,094; >.{ОН ) - 0,033. 80. а; практически нерастворимые ионные соединения (Ва804, СаС03, и др.) также являются сильными электролитами. 81. в. 83. а(НА) - 0,35. 84. а(НЖ>2) - 0,33.85. ЛГ(НСМ) = 499. 87. ДГ(Н') - 6 • 10'2. 8 8 . и(Нч) = 1 • 10 10, или 1 • 10 8 %. 91. б, в. 94. г) НгБ + 2КаОН = N 3 ^ + 2Н20; д) Ма28 0 3 + 2НС1 = 2ЫаС1 + 8 0 2Т + Н20 (возможны другие ответы). 95. а) Ее3+ + ЗОН = Ре(ОН)34-; б) Н* + К - НЕ. 96. Возможны реакции б и г. 97. б) КагвЮэ и НС1; К 28 Ю3 и Н280., (возможны другие ответы). 98. в) Ва(ОН)2 + Ее804 —ВаБ041 + Ее(ОН)21 (возможны другие ответы). 99. а) Ва(Ы03)2 + Н28 0 4 = Ва8041 + 2НЖ)3; в) К2С0 3 + ЕеБ04 = К28 0 4 + ЕеС031 (возможны другие ответы).

Раздел 2. Химические реакции 111. т(соли) = 236,8 г. 112. Смесь тяжелее воздуха в 1,84 раза. 113. н(СаС03) = 84,3 %; >.(СаО) - 15,7 %. 122. в) Атом С, ион Fe2\ 125. а) Атом Сульфура присоединяет два электрона. 126. К(Н2) = 16 л. 128. в) 3H2S + 2HN0 3 - 3 S l + 2NOt + 4H 20 . 129. a) 2FeCl3 + HjS = 2FeCl2 + S-l + 2HC1. 131. в) N (e ) - 1,07 • 1023. 137. ДЯ, - +27 кДж. 138. K(N20 ) - 8,96 л. 139. m(S) = 84,7 r. 148. Одно из химических уравнений: СО + Н20 = С0 2 + Н2. 231

Раздел 3. Важнейшие органические соединения Углеводороды 176. Используйте общую формулу алканов. 178. в) Один из продуктов реакции — С3Н7С1.181. ф(С3Н8) = 27,1 %; Ф(С4Н10) = 72,9 %. 190. К(СН4) = К(С2Н«) = 0,224 л; К(С2Н4) = 0,672 л. 194. п = 450. 195. К(С2Н4) = 2,8 л. 202. И(НС1) = 358,4 л. 206. т(кальций карбида) —10 кг. 208. К(С02) = 2л ; К(02) = 1,5 л. 209. Н(02) = К(Н2) = 20 мл. 210. : К(возд.) = 2 :1 5 , если объемную долю кислорода в воздухе принять равной 2 0 %. 211. С2 Н2. 212. С4Н10. 213. С2Н6.

Оксигенсодержащие соединения 219. Примите во внимание тип химической связи в молекуле спирта. 221. а) СН3ОН; б) С3Н7ОН (используйте общую формулу спиртов данного типа). 222. »(СН3ОН) = 41 %; и(С2Н6ОН) = 59 %. 223. С2 Н5ОН + 3 0 2 = 2С0 2 + ЗН 20; АН = -1 3 7 ,1 кДж. 230. и(глицерина) = 39 %. 235. СН3СООН. 236. а) НСООН; б) С2Н5СООН. 237. и(НСООН) = 37,1 %; и(СН3СООН) - 48,4 %. 244. (СН3СОО)21 ^ . 245. т(р-ра КОН) = 17,5 г. 246. т(укс. эс.) = 45 г; т(воды) = 355 г. 247. н(НСООН) = 65,7 %; в(СН3 СООН) = 34,3 %. 256. т(глицерина) = 1,02 кг. 257. Н(Н2) = 4,18 м3. 258. 2С3Н5(С17Н30СОО)3 + 15702 = 108С02 + 110Н 2О; АН = -7 1 200 кДж. 260. Нет. 264. К(С02) = 22,4 л. 265. т(глюкозы) = 83,1 г. 273. и(сахарозы) - 14 %. 274. Н(спирта) = 35,5 л. 278. т(картофеля) = 1036 кг. 279. т(крахмала) = 6,75 т.

Нитрогенсодержащие соединения 283. Примите во внимание способность соединения к электроли тической диссоциации, особенности этого процесса, возможность частиц вещества соединяться с ионами Н*. 287. К(возд.) - 2,25 л. 288. н(прим.) = 7 %. 294. т((ЫН 2СН2СОО)2Ва) = 28,5 г. 295. а) К(Н2) = 1,12 л; б) К(С02) = 672 мл. 302. т ( 1М) = 3,68 г. 309. >.<Р) - 6,2 %. 314. Сравните отношение алкалоидов, крахмала, целлюлозы к кислотам. 316. т(С) : т ( Н ) : т(О) = 9 : 1 : 12. 317. Мг(вит. В2) = 376. 232

Сл оварь терм инов Алкалоиды — нитрогенсодержащие органические соединения, оказывающие сильное физиологическое действие на организмы животных и человека. Алканы — насыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется открытая цепь из атомов Карбона. ,0

Альдегидная группа — группа атомов -С х^ Амины — продукты замещения атомов Гидрогена в молекуле аммиака на углеводородные остатки. Аминогруппа — группа атомов -К Н 2. Аминокислоты — производные углеводородов, в молекулах которых содержатся аминогруппы и карбоксильные группы. Белки — полипептиды, выполняющие специфические биологи ческие функции в живых организмах. Витамины — органические соединения, необходимые организ му в незначительных количествах для осуществления важных биохимических процессов. Внутренняя энергия вещества — сумма энергий всех частиц вещества и энергий химических связей между ними. Водородная связь — электростатическое взаимодействие между молекулами с участием атомов Гидрогена. Восстановитель — частица (вещество), которая отдает элек троны. Восстановление — присоединение электронов частицей (веще ством). Высшие карбоновые кислоты — карбоновые кислоты, в моле кулах которых содержатся 10 и больше атомов Карбона. Гигроскопичность — свойство вещества поглощать влагу. Гидратированный ион — ион, соединенный с молекулами воды. Гидроксильная группа — группа атомов -ОН. Гидролиз — реакция обмена между соединением и водой. Гомологи — соединения, принадлежащие к определенному гомологическому ряду. Гомологическая разность — группа атомов СН2. Гомологический ряд — ряд органических соединений, молеку лы которых имеют подобное строение и отличаются по составу на одну или несколько групп атомов СН2. Диполь — частица (молекула), имеющая два разноименно заря женных полюса. 233

Жиры — эстеры глицерина и высших карбоновых кислот. Изомерия — явление существования изомеров. Изомеры — соединения, молекулы которых имеют одинаковый состав, но разное строение. Ионно молекулярное уравнение — уравнение, содержащее фор мулы веществ и формулы ионов. Истинный раствор — раствор, в котором размеры частиц (ато мов, молекул, ионов) всех веществ не превышают 1 нм. „

Карбоксильная группа — группа атомов

„*0

Карбоновые кислоты — производные углеводородов, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп. Катализатор — вещество, которое увеличивает скорость реак ции, принимая в ней участие, но после реакции остается неизмен ным. Кетонная группа — группа атомов ,С = 0 . Кислоты — электролиты, диссоциирующие в водном растворе с образованием катионов одного типа — ионов Гидрогена Н+. Коллоидный раствор — раствор, в котором размеры частиц растворенного вещества составляют от 1 до 1 0 0 нм. Концентрированный раствор — раствор, в котором содержится значительно больше растворенного вещества, чем растворителя. Кристаллизационная вода — вода, которая входит в состав кристаллогидрата. Кристаллогидрат — кристаллическое вещество, в состав кото рого входят молекулы воды. Массовая доля растворенного вещества — отношение массы вещества к массе раствора. Мономер — исходное вещество в реакции полимеризации. Насыщенные углеводороды — углеводороды, в молекулах кото рых атомы Карбона соединены друг с другом простыми ковалент ными связями. Насыщенный раствор — раствор, в котором при данных усло виях вещество больше не растворяется. Ненасыщенные углеводороды — углеводороды, в молекулах которых атомы Карбона соединены друг с другом не только просты ми ковалентными связями, но и двойными, тройными связями. Ненасыщенный раствор — раствор, в котором можно раство рить определенную порцию вещества. Необратимая реакция — реакция, которая происходит лишь в одном направлении (ее продукты не могут взаимодействовать с образованием реагентов). 234

Неэлектролиты — соединения, водные растворы и расплавы которых не проводят электрический ток. Нуклеиновые кислоты — высокомолекулярные природные соединения, которые сохраняют и воспроизводят в организмах генетическую информацию, а также принимают участие в синтезе белков. Нуклеотид — часть молекулы нуклеиновой кислоты, которая состоит из соединенных остатков молекул ортофосфатной кисло ты Н3 Р 04, моносахарида и нитрогенсодержащего соединения. Обратимая реакция — реакция, которая может протекать в противоположных направлениях. Окисление — отдача электронов частицей (веществом). Окислитель — частица (вещество), которая присоединяет элек троны. Окислительно восстановительная реакция — реакция, кото рая происходит с изменением степеней окисления элементов. Органическая химия — область химии, предметом которой является изучение органических соединений и их превращений. Органические вещества — соединения Карбона (с некоторыми исключениями). Основания — электролиты, которые диссоциируют в водном растворе или расплаве с образованием анионов одного типа — гидроксид-ионов. Пена — неоднородная смесь жидкости и газа. Пептид — продукт взаимодействия между молекулами одной или нескольких аминокислот. Пептидная группа — группа атомов —С—И - . О Н Полимер — соединение, молекулы которого состоят из большо го числа одинаковых групп атомов. Разбавленный раствор — раствор, в котором содержится зна чительно больше растворителя, чем растворенного вещества. Раствор — однородная смесь веществ. Растворимость — свойство вещества образовывать с другим веществом раствор. Растворитель — компонент раствора, который находится в таком же агрегатном состоянии, что и раствор. Если таких компо нентов раствора несколько, то растворителем считают вещество с наибольшей массой. Реакция гидратации — реакция присоединения воды к веще ству. Реакция гидрирования — реакция присоединения водорода к органическому веществу. 235

Реакция дегидратации — реакция отщепления воды от соеди нения. Реакция замещения (в неорганической химии) — реакция между простым и сложным веществом, в результате которой обра зуются другие простое и сложное вещества. Реакция обмена — реакция между двумя сложными вещества ми, в результате которой они обмениваются своими составными частями (атомами, группами атомов, ионами). Реакция полимеризации — реакция соединения многих одина ковых молекул вследствие разрушения кратных связей. Реакция присоединения — название реакции соединения в орга нической химии. Реакция разложения — реакция, в результате которой из одно го вещества образуются несколько веществ. Реакция соединения — реакция, в результате которой из нес кольких веществ образуется одно вещество. Реакция хлорирования — реакция между органическим соеди нением и хлором. Реакция эстерификации — реакция между спиртом и кислотой с образованием эстера и воды. Сильный электролит — электролит, который полностью или почти полностью распадается на ионы в растворе. Слабый электролит — электролит, который в незначительной степени распадается на ионы в растворе. Соли — электролиты, которые диссоциируют вводном растворе или расплаве на катионы металлических элементов и анионы кислотных остатков. Спирты — производные углеводородов, в молекулах которых один или несколько атомов Гидрогена замещены на гидроксиль ные группы. Степень окисления — условный целочисленный заряд атома в веществе. Степень электролитической диссоциации — отношение числа молекул электролита, распавшихся на ионы, к общему числу его молекул до диссоциации. Суспензия — перемешанная смесь жидкости и нерастворимого в ней, хорошо измельченного твердого вещества. Термохимическое уравнение — химическое уравнение с запи сью числового значения теплового эффекта реакции. Углеводородный остаток — часть молекулы органического соединения, состоящая из атомов Карбона и Гидрогена. Углеводороды — соединения Карбона с Гидрогеном. Углеводы — органические соединения с общей формулой С„(Н20)„,. 236

Физиологически активные вещества — органические соедине ния, активно влияющие на различные биологические процессы в живых организмах. Фотосинтез — синтез органических веществ из неорганичес ких (углекислого газа, воды, растворимых солей) в растениях с участием солнечной энергии. Функциональная группа — группа атомов в молекулах соедине ний данного класса, которая обуславливает их характерные хими ческие свойства. Экзотермическая реакция — реакция, протекающая с выделе нием теплоты. Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Электролитическая диссоциация — распад вещества на ионы при его растворении или плавлении. Электролиты — соединения, водные растворы и расплавы которых проводят электрический ток. Эмульсия — перемешанная смесь двух жидкостей, нераствори мых друг в друге. Эндотермическая реакция — реакция, протекающая с погло щением теплоты. Эстеры — производные карбоновых кислот, в молекулах кото рых атом Гидрогена карбоксильной группы замещен на углеводо родный остаток.

237

Предметный указатель А Алкалоиды 223 Алканы (гомологи метана) 119 названия 119 применение 126 распространенность в природе 124 свойства 124, 125 формулы 118 Аминокислоты 202 заменимые 2 0 2 незаменимые 2 0 2 применение 205 а-аминокислоты 2 0 2 Аминоуксусная кислота 202 свойства 2 0 2 строение молекулы 2 0 2 Амины 197 Аскорбиновая кислота см. Витамин С Ацетат-ион 167 Ацетаты 167 Ацетилен (этин) 140 получение 143 применение 144 свойства 142 строение молекулы 140

Б Белки 207 свойства 2 1 0 строение молекул 208

В Витамин С 221 Витамины 220 водорастворимые 2 2 0 жирорастворимые 2 2 2 238

Внутренняя энергия вещества 89 Вода 5 распространенность в природе 5 свойства 1 0 , 1 1 строение молекулы 7 Водородная связь 8 Восстановитель 80 Восстановление 79

Г Генная инженерия 217 Гигроскопичность 158 Гидратированный ион 20 Гидролиз жиров 174 солей 65 Глицерин (глицерол) 158 применение 160 свойства 158 Глицин см. Аминоуксусная кислота Глюкоза 180 применение 182 свойства 180, 181 Гомологи 119 Гомологическая разность 119 Гомологический ряд 119

Декстрины 191 Денатурация белков 2 1 0 Диполь 8

ж Жиры 173 классификация 173 получение 176 применение 177 свойства 174

И Изомерия 122 Изомеры 123 Ионно-молекулярное уравнение 59

К Карбоновые кислоты 162 высшие 163 жирные 164 классификация 162 монокарбоновые 162 названия 163 распространенность в природе 162 Катализатор 100 Кислота муравьиная 163 олеиновая 164, 173 пальмитиновая 164, 173 стеариновая 164, 173 уксусная (этановая) 163, 165 диссоциация 167 получение 169 применение 169 свойства 166, 167 строение молекулы 166 Кислоты 50 Крахмал 189 применение 192 свойства 190, 191 строение молекул 190

Кристаллизационная вода 16 Кристаллогидрат 15

м Массовая доля растворенного вещества 35, 36 Метан 109 распространенность в природе 1 1 0 свойства 112, 113 строение молекулы 1 1 0 Метанол 152 применение 155 свойства 153 строение молекулы 153 физиологическое действие 156 Метиламин 198 свойства 199 строение молекулы 198 Метод электронного баланса 84 Мономер 135

н Наркотики 224 Неэлектролит 43 Никотин 224 Нуклеиновые кислоты 215 свойства 217 строение 215 функции 216 Нуклеотид 215

О Окисление 79 Окислитель 80 239

Органическая химия 106 Органические соединения (вещества) 105 Основания 47

полимеризации 135 присоединения 131 разложения 72 соединения 71 хлорирования 115 экзотермическая 89 эндотермическая 89 эстерификации 168

п Парафин 125 Пена 19 Пептидная группа 205 Пептиды 204 Пластмассы 139 Полимер 135 Полимеры 189 Полиэтилен 134 Природный газ 110

Р Раствор 19 истинный 23 коллоидный 23 концентрированный 2 0 насыщенный 28 ненасыщенный 28 разбавленный 2 0 Растворенное вещество 19 Растворимость 27 Растворитель 19 Реакция биуретовая 2 1 1 брожения 182 гидратации 131 гидрирования 131 дегидратации 132, 154 замещения 73, 114 ксантопротеиновая 2 1 1 необратимая 75 обмена 62, 74 обратимая 75 окислительно восстановительная 78 240

С Сахароза 184 получение 187 применение 188 свойства 185, 186 Скорость химической реакции 95 Сложные эфиры см. Эстеры Соли 47 Спирты 151 классификация 152 получение 155 свойства 153 строение молекул 152 Степень электролитической диссоциации 54 Суспензия 19

Тепловой эффект реакции 89 Термохимическое уравнение 90 Тефлон 138

Углеводородный остаток 151 Углеводороды 109 насыщенные 109 ненасыщенные 109

Углеводы 179 классификация 180

Ф Физиологически активные вещества 219 Фотосинтез 179 Фруктоза 184 Функциональная группа 150 альдегидная 180 аминогруппа 198 гидроксильная 150 карбоксильная 150,162 кетонная 184

X Хлоропроизводные 115

Электролит 43 сильный 55 слабый 55 Электролитическая диссоциация 46 Элементы-органогены 105 Эмульсия 19 Эстеры 168 Этан 120 Этанол 152 применение 155 свойства 153 физиологическое действие 156 Этилен (этен)128 получение 132 свойства 130 строение молекулы 128

Целлюлоза 189, 193 применение 193 свойства 193

241

Литература для учащихся Учебная 1. Березан О. В. Енциклопедія хімічних задач. — Тернопіль: Підручники і посібники, 2001. — 304 с. 2. Бочеваров А. Д ., Жикол О. А. Хімія у визначеннях, табли цях і схемах: Довідково-навч. посіб. — Харків: Ранок, 1998. — 128 с. 3. Буринська Н. М. Методи розв’язування задач. — К.: Либідь, 1996. — 80 с. 4. Крикля Л. С., Попель П. П. Хімія: задачі та вправи. 8 клас. — К.: Видавничий центр «Академія», 2002. — 232 с. 5. Кузьменко М. Є., Єрьомін В. В. Хімія. 2400 задач для школя рів та абітурієнтів / Пер. з рос. — Тернопіль: Навчальна книга — Богдан, 2001. — 560 с. 6 . Кукса С. П. 600 задач з хімії. — Тернопіль: Мандрівець, 1999. — 144 с. 7. Попель П. П. Складання рівнянь хімічних реакцій: Навч. посіб. — К., Рута, 2000. — 128 с. 8 . Слободяник М. С. та ін. Хімія: Навч. посіб. — К.: Либідь, 2003. — 352 с. 9. Хімія: завдання та тести / Амірханов В. М., Білодід О. І., Вер ховод М. М. та ін.; під ред. Корнілова М. Ю ./ — К., Школяр, 2000. — 512 с. 10. Хімія. Тести. 8 —11 класи: Посібник / Автори-укладачі: Курмакова І. М., Куратова Т. С., Грузнова С. В. та ін. — К.: Видавничий центр «Академія», 2007. — 280 с. 11. Ярошенко О. Г., Новицька В. І. Збірник задач і вправ з хімії: Навч. посіб. — 5-те вид. — К.: Станіца, 2003. — 245 с.

Научно-популярная и познавательная 1. Аликберова Л. Ю. Занимательная химия: Книга для учащих ся, учителей и родителей. — М.: АСТ-ПРЕСС, 2002. — 560 с. 2. Базелюк І. I., Величко Л. П., Титаренко Н. В. Довідкові мате ріали з хімії. — Ірпінь: ВТФ «Перун», 1998. — 224 с. 3. Большая детская энциклопедия: Химия / Сост. К. Люцис. — М.: Русское энциклопедическое товарищество, 2001. — 640 с. 4. Василега М. Д. Цікава хімія. — К.: Рад. шк., 1989. — 188 с. 242

5. Гроссе Э., Вайсмантель X. Химия для любознательных. Осно вы химии и занимательные опыты / Пер. с нем. — Л.: Химия, 1978. — 392 с. 6 . Зоммер К. Аккумулятор знаний по химии / Пер. с нем. — М.: Мир, 1985. — 294 с. 7. Карпова А. А. Химия без формул. — СПб.: Авалон, Азбукаклассика, 2005. — 112 с. 8 . Левицкий М. М. Увлекательная химия. Просто о сложном, забавно о серьезном. — М.: ACT; Астрель, 2008. — 448 с. 9. Леенсон И. А. 100 вопросов и ответов по химии: Учеб, пособие. — М.: ACT; Астрель, 2002. — 347 с. 10. Леенсон И. А. Занимательная химия. — М.: РОСМЭН, 2000. — 104 с. 11. Степин Б. Д ., Аликберова Л. Ю. Книга по химии для домашне го чтения. — М.: Химия, 1995. — 400 с. 12. Химия. (Иллюстрированная энциклопедия школьника.) — М.: Мир энциклопедий, 2006. — 96 с. 13. Химия: Школьный иллюстрированный справочник / Пер. с англ. — М.: РОСМЭН, 1998. — 128 с. 14. Химия: Энциклопедия химических элементов / Под ред. проф. А. М. Смолеговского. — М.: Дрофа, 2000. — 432 с. 15. Энциклопедический словарь юного химика / Сост. В. А. Крицман, В. В. Станцо. — М.: Педагогика, 1990. — 319 с. 16. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В. А. Воло дин. — М.: Аванта+, 2000. — 640 с. 17. Яковшшн Л. О. Щкав1 дослади з xiMii: у школ! та вдома. — Севастополь: Б1блекс, 2006. — 176 с.

С а й ты И н те р н е та , гд е м ож н о най ти и н те р есн ы й м атер и ал по химии

. http://wwrw.alhimik.ru . http://chemistryandchemists.narod.ru 3. http://chemworld.narod.ru 4. http://www.hemi.nsu.ru 5. http://www.hij.ru 6 . http://www.ostriv.in.ua 7. http://www.xumuk.ru 1

243

Содержание

Дорогие девятиклассники.....................................................................3

раздел

Вода. Растворы § 1. Вода....................................................................................................5 § 2. Свойства воды................................................................................ 10 § 3. Кристаллогидраты........................................................................ 14 § 4. Растворы. Образование раствора............................................. 18 Экспериментируем дома. Тепловой эффект при растворении вещества в воде. Тепловой эффект при образовании кристаллогидрата..................................................................... 26 § 5. Растворимость веществ................................................................27 Экспериментируем дома. Сравнение растворимости веществ в воде................................................33 Внеурочный эксперимент. Выращивание кристаллов медного купороса................................................33 § 6 . Количественный состав раствора. Массовая доля растворенного вещества.................................. 34 П р а к т и ч е с к а я р а б о т а №1 . Приготовление водного раствора соли с определенной массовой долей растворенного вещества.......................................................... 40 § 7. Электролиты и неэлектролиты.................................................. 41 § 8 . Электролитическая диссоциация.............................................46 § 9. Степень электролитической диссоциации. Вода как электролит.................................................................. 53 §10. Ионно-молекулярные уравнения. Реакции обмена между электролитами в растворе................58 Для любознательных. Гидролиз солей................................65 244

П р а к т и ч е с к а я р а б о т а №2 . Реакции ионного обмена в растворах электролитов......... 67 П р а к т и ч е с к а я р а б о т а №3 . Распознавание неорганических соединений....................... 6 8

л - раздел Химические реакции §11. Классификация химических реакций..................................... 70 § 12. Окислительно-восстановительные реакции.......................... 77 § 13. Составление уравнений окислительно-восстановительных реакций.......................... 83 § 14. Тепловой эффект химической реакции.................................. 8 8 Для любознательных. Калорийность пищевых продуктов.................................................................. 93 § 15. Скорость химической реакции................................................95 Для любознательных. Об условиях хранения пищевых продуктов............................................... 1 0 2

3 раздел Важнейшие органические соединения § 16. Органические соединения. Органическая химия................103 У гл ев о д о р о д ы ...................................................................................108 § 17. Метан............................................................................................. 109 На досуге. Изготовление масштабной модели молекулы метана..................................................................... 117 § 18. Гомологи метана (алканы)........................................................118 Для любознательных. Изомерия........................................122 На досуге. Изготовление масштабных моделей молекул этана и пропана........................................................ 123 § 19. Свойства и применение алканов............................................. 124 § 20. Этилен...........................................................................................128 На досуге. Изготовление масштабной модели молекулы этилена.................................................................. 134 § 21. Полиэтилен................................................................................ 134 Для любознательных. Тефлон............................................. 138 Для любознательных. Пластмассы.................................. 139 245

§ 22. Ацетилен..................................................................................... 140 На досуге. Изготовление масштабной модели молекулы ацетилена................................................145 § 23. Соотношение объемов газов в химических реакциях...........................................................145 О к с и г е н с о д е р ж а щ и е о р г а н и ч е с к и е с о е д и н е н и я ........150 § 24. Спирты. Метанол и этанол........................................................ 151 § 25. Глицерин..................................................................................... 157 § 26. Карбоновые кислоты................................................................ 161 § 27. Уксусная кислота..................................................................... 165 П р а к т и ч е с к а я р а б о т а №4 . Свойства уксусной кислоты................................................171 § 28. Жиры............................................................................................ 173 § 29. Углеводы. Глюкоза...................................................................179 Для любознательных. Фруктоза...........................................184 § 30. Сахароза........................................................................................ 184 § 31. Крахмал. Целлюлоза................................................................ 189 Экспериментируем дома. Обнаружение крахмала в пищевых продуктах. Извлечение крахмала из картофеля.................................. 195 П р а к т и ч е с к а я р а б о т а №5 . Распознавание оксигенсодержащих органических соединений..................................................... 196 Н и т р о г е н с о д е р ж а щ и е ор га н и ч еск и е с о е д и н е н и я ........197 § 32. Амины. Метиламин.................................................................. 197 § 33. Аминокислоты. Аминоуксусная кислота.......................... 201 § 34. Б ел к и .......................................................................................... 206 Экспериментируем дома. Приготовление раствора белка. Изучение свойств белка........................................................213 § 35. Нуклеиновые кислоты............................................................. 214 § 36. Физиологически активные вещества.....................................219 § 37. Химия и прогресс человечества............................................. 226 Ответы к задачам и упражнениям.................................................. 231 Словарь терминов................................................................................233 Предметный указатель........................................................................238 Литература для учащихся................................................................242 246

Навчальне видання

П О П Е Л Ь П авло Петрович К Р И К Л Я Л ю дмила Сергіївна

ХІМІЯ Підручник для 9 класу загальноосвітніх навчальних закладів (російською м овою )

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України Редактор А. А. Д аниленко Коректор В. П. М усійченко Х удож нє оформлення В. М. Ш тогрина Комп’ютерна верстка Є. М. Байдю ка Підписано до друку 27.07.2009. Ф ормат 60 x 90/16. П апір офс. № 1. Гарнітура Ш кільна. Д рук офсетний. Ум. друк. арк. 15,5. Обл.-вид. арк. 11,1. Зам . 9 -450 В идавничий центр «Академія» 04119, м. К иїв-119, а /с 37. Т ел ./ф акс: (044) 483-12-11; 456-84-63. E-mail: academia-pc<qsvitonline.com Свідоцтво: серія Д К № 555 від 03.08.2001 р. Видру ковано у ВАТ «Поліграфкнига» корпоративне підприємство Д А К «У крвидавполіграфія» 03057, м. Київ, вул. Д овж енка, З Свідоцтво про внесення суб’єкта видавничої справи до держ авного реєстру видавців, виготовників і розповсюджувачів видавничої продукції Д К № 3089 від 2 3 .01.2008 р.

П57

Попель П. П. Хімія : підруч. для 9 кл. загальноосвіт. навч. закл., рос. мовою / П. П. Попель, Л. С. Крикля. — К. : ВЦ «Академія», 2009. — 248 с. : іл. ІвВИ 978-966-580-299-0 Підручник підготовлено за програмою з хімії для 7—11 кла сів загальноосвітніх навчальних закладів. У ньому розглянуто матеріал із розділів «Вода. Розчини», «Хімічні реакції», «Най важливіші органічні сполуки». Підручник містить практичні роботи, лабораторні досліди, запитання, вправи, задачі, завдан ня для позакласного і домашнього експерименту, додатковий матеріал для допитливих, а також словник хімічних термінів і предметний покажчик. ББК 24. я 721