Естествознание. Базовый уровень. 10 класс

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. При реакции газообразного водорода H₂ с газообразным хлором Cl₂ образуется хлороводород HCl. Найдите в периодической системе атомную массу хлора и определите, какое количество водорода и хлора надо использовать для того, чтобы получить 10 г хлороводорода.

§ 51 Скорость и энергия химических реакций

Скорость и энергия химических реакций

Скоростью химической реакции называется изменение концентрации одного из реагирующих веществ за единицу времени. Для того чтобы произошла химическая реакция, атомы или молекулы реагирующих веществ должны прийти в соприкосновение или, попросту говоря, столкнуться. Это необходимое условие для возникновения реакции, но оно не является достаточным. Взаимодействующие частицы должны обладать определённым сродством друг к другу. Это сродство зависит от строения и энергии атомов и молекул, и чем оно больше, тем выше вероятность того, что они образуют соединение. Очевидно, что чем больше частиц содержится в данном объёме реакционной среды, тем чаще они будут сталкиваться. Поэтому скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Это правило называют законом действующих масс. Он был сформулирован норвежскими химиками К. Гульдбергом и П. Вааге в 1867 г. Закон действующих масс выражают в виде формулы:

V = k [A] a • [B] b,

где [A] и [B] – концентрации реагирующих веществ, а и b – их стехиометрические коэффициенты. Величина k называется константой скорости реакции и зависит от степени сродства реагирующих веществ и внешних факторов, влияющих на скорость химической реакции, например температуры.

Факторы, влияющие на скорость химической реакции.

При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается и, следовательно, увеличивается не только вероятность, но и, что гораздо важнее, энергия их соударения. Согласно правилу Вант-Гоффа, при повышении температуры на каждые 10 °C скорость реакции возрастает в 2–4 раза. Отношение константы скорости реакции, протекающей при определённой температуре, к константе скорости при температуре в 10 раз меньшей называют температурным коэффициентом химической реакции.

Если один из компонентов реакции находится в твёрдом состоянии, а другой – в жидком или газообразном, то на скорость реакции влияет также величина поверхности, которой они соприкасаются между собой. Например, растворение металла в кислоте будет происходить тем быстрее, чем больше степень его измельчения. Если опустить в кислоту большой кусок металла, он может реагировать с ней очень долго, а если то же количество металла растереть в порошок, реакция пройдёт практически мгновенно (рис. 132).

Очень важным фактором протекания химической реакции является энергетическая составляющая. Энергию, необходимую для начала реакции, называют энергией активации. Чем меньше энергия активации, тем быстрее протекает реакция. Например, при образовании ионной связи между катионами и анионами энергия активации очень мала, поэтому такие реакции протекают почти мгновенно.

Катализаторы.

Многие химические реакции можно ускорить или замедлить введением в реакционную среду некоторых дополнительных веществ. Эти вещества не участвуют в реакции и не расходуются в ходе её протекания, но оказывают влияние на её скорость. Вещества, ускоряющие реакцию, называют катализаторами, а вещества, оказывающие противоположное действие, – ингибиторами. Процесс ускорения реакций под действием катализатора называют катализом. Катализаторы чаще всего действуют следующим образом. На их поверхности имеются особые участки – активные центры. К этим участкам присоединяются и накапливаются молекулы реагентов. Такое явление называют адсорбцией.

Рис. 132. Зависимость скорости реакции от площади соприкосновения реагирующих веществ

Рис. 133. Схематическое изображение экзотермической и эндотермической реакций

В результате в районе активных центров концентрация взаимодействующих молекул становится очень большой, и это ведёт к ускорению реакции. Кроме того, под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляются связи между атомами.

Экзо– и эндотермические реакции.

Как правило, сумма энергий исходных реагентов не бывает равной сумме энергий конечных продуктов реакции. Образующиеся в результате химической реакции вещества обладают либо меньшей, либо большей энергией по сравнению с исходными веществами. В первом случае реакция сопровождается выделением лишней энергии в виде кинетической энергии молекул, т. е. тепла. Такие реакции называют экзотермическими (от лат. exo – наружу и thermo – тепловой) (рис. 133). Так, экзотермической реакцией является любое горение (рис. 134).

Рис.134. Горение как пример экзотермической реакции

Если подобные реакции протекают очень быстро, то за короткое время выделяется большое количество тепла, что часто сопровождается взрывом. Примером такой реакции служит сгорание пороха.

Однако для начала даже экзотермических реакций необходима энергия активации. Иногда эта энергия чрезвычайно мала, и реакция (например, взрыв) может произойти в результате случайных причин. Но в некоторых случаях, для того чтобы запустить реакцию, т. е., как говорят, преодолеть энергетический барьер, требуется некоторая энергия, поступающая извне. Порох сам по себе не взорвётся. Для взрыва требуется энергия в виде искры, которая вызовет реакцию в небольшом количестве молекул, а освободившаяся в результате этой реакции энергия запустит аналогичный процесс в соседних участках. Далее реакция сгорания будет распространяться с огромной скоростью. Такой самоусиливающийся процесс называют цепной реакцией. Точно так же обстоит дело со смесью водорода и кислорода – гремучим газом. Стоит в гремучий газ попасть небольшой искре или поднести к нему что-то горящее, как начнётся цепная реакция соединения кислорода с водородом, которая будет сопровождаться выделением большого количества энергии, т. е. взрывом[12].

Химические реакции, при которых энергия конечных продуктов оказывается выше энергии исходных веществ, требуют постоянного притока этой энергии извне. Такие реакции называют эндотермическими, они сопровождаются поглощением тепла (см. рис. 133). Самым наглядным примером эндотермической реакции служит приготовление пищи. Для того чтобы сырые продукты превратились в варёные или жареные, в них должно произойти много различных реакций, большинство из которых требуют постоянного поступления теплоты из внешней среды. Поэтому эти продукты приходится в течение какого-то, иногда довольно длительного, времени держать в кастрюле с кипящей водой, на сковороде или в духовке.

Выделение и поглощение энергии в химических реакциях играют огромную роль в процессах, обеспечивающих существование и жизнедеятельность всех живых организмов, в том числе и человека, о чём будет подробно рассказано в дальнейших главах этого учебника.

Проверьте свои знания

1. Сформулируйте закон действующих масс.

2. Что такое температурный коэффициент скорости реакции?

3. Какую роль выполняют катализаторы и ингибиторы химических реакций?

4. Что такое экзотермические и эндотермические реакции?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Объясните, почему стирка одежды или мытьё посуды в горячей воде обычно гораздо эффективнее, чем в холодной.

§ 52 Строение и свойства неорганических веществ. Кислоты и основания

Вещества органические и неорганические.

Все существующие в природе химические вещества можно разделить на органические и неорганические. Все органические вещества являются сложными, т. е. состоят из атомов более чем одного элемента, и одним из этих элементов обязательно является углерод. Неорганические вещества могут быть как простыми, так и сложными. При этом они за некоторыми исключениями не содержат в своём составе углерода. Такими исключениями являются углекислый газ (CO₂), угарный газ (CO), угольная кислота (H₂CO₃) и её производные, карбиды, представляющие собой соединения углерода с некоторыми другими элементами, и ещё небольшое количество веществ. Эти вещества, хотя и содержат в своём составе углерод, органическими не являются.

Простые неорганические вещества.

Простые неорганические вещества делят на металлы и неметаллы. Металлы обладают сходными физическими свойствами – металлическим блеском, способностью проводить теплоту и электрический ток. Типичные металлы пластичны, их можно подвергать ковке и прокатке, вытягивать из них тонкую проволоку. Металлами являются, например, литий (Li), натрий (Na), калий (K), кальций (Ca), магний (Mg), цинк (Zn), алюминий (Al), железо (Fe), марганец (Mn). Неметаллы, как правило, не проводят или плохо проводят электрический ток, в твёрдом состоянии являются хрупкими веществами. Многие простые вещества-неметаллы в обычных условиях газообразны. Неметаллами являются, например, хлор (Cl₂), фтор (F₂), кислород (O₂), сера (S), фосфор (P). Чёткой границы между металлами и неметаллами нет. Так, некоторые неметаллы (графит, иод) обладают блеском и способностью проводить электрический ток, хотя их электропроводность всё равно в десятки тысяч раз ниже, чем у металлов. Среди неметаллов выделяют особое семейство – благородные газы: гелий (He), неон (Ne), аргон (Ar), криптон (Kr), ксенон (Xe), радон (Rn). Валентная электронная оболочка их атомов полностью заполнена, поэтому эти вещества почти не обладают химической активностью. Благодаря этой особенности благородные газы используют для создания инертной атмосферы. Например, гелий используют для наполнения летательных аппаратов и детских воздушных шариков, с помощью аргона и криптона создают защитную атмосферу в лампах накаливания и т. д.

Сложные неорганические вещества: кислоты и основания.

Среди сложных неорганических веществ большой интерес представляют кислоты и основания (щёлочи). В состав кислот входят атомы водорода, способные в ходе электролитической диссоциации отщепляться в виде ионов Н+ от остальной части молекулы. Наиболее известными кислотами являются серная (H₂SO₄), азотная (HNO₃), фосфорная (H₃PO₄), угольная (H₂CO₃), соляная (HCl). При электролитической диссоциации кислот образуются положительно заряженные ионы водорода Н+ (катионы) и отрицательно заряженные анионы (HSO-₄ или SO2-₄, H₂PO₄, Cl- и т. д.), которые называют кислотными остатками. Таким образом, в растворах, содержащих кислоты, всегда присутствует большое количество ионов водорода. Чем больше концентрация ионов водорода в растворе, тем большей кислотностью он обладает.

При электролитической диссоциации оснований в качестве аниона образуется отрицательно заряженный ион ОН-, который называют гидроксилом или гидроксид-ионом. К основаниям относятся гидроксиды натрия (NaOH), калия (KOH), кальция (Ca(OH)₂) и др. Растворимые в воде основания называют щелочами.

Одновременно слабой кислотой и слабым основанием является вода. В обычных условиях вода очень слабо диссоциирует с образованием ионов Н+ и ОН-. Содержание ионов в ней мало, поэтому вода плохо проводит электрический ток. В 1 л чистой воды при комнатной температуре содержится 10—7 моль, т. е. 6,02 1016 катионов водорода и такое же количество гидроксид-ионов. Среду, в которой концентрации ионов Н+ и ОН- равны, называют нейтральной. Если концентрация ионов водорода [H+] в растворе превышает концентрацию гидроксид– ионов [OH– ], то раствор имеет кислотную среду, а если больше гидроксид-ионов [OH– ] – щелочную.

Степень кислотности или щёлочности раствора характеризуют так называемым водородным показателем – рН. Он представляет собой взятый с обратным знаком показатель степени концентрации ионов водорода в растворе, выраженный в моль/л.

В нейтральной среде [H+] = [OH– ], pH = 7,0 (чистая вода).

В кислотной среде [H+] > [OH – ], pH < 7,0.

В щелочной среде [H+] < [OH– ], pH > 7,0.

В желудочном соке человека содержится соляная кислота, которая диссоциирована на ионы H+ и Cl-. Концентрация ионов водорода в желудочном соке равна 0,01 или 10-2 моль/л. Это значительно больше, чем их концентрация в воде. Поэтому желудочный сок является очень кислым, а его рН ≈ 2,0.

В щелочных растворах концентрация ионов водорода снижена и соответственно повышено содержание ионов ОН-. Например, кровь человека обладает слабой щелочной реакцией (рН ≈ 7,3–7,5). Большинство употребляемых в пищу продуктов и напитков имеют слабокислую реакцию. Так, рН яблочного сока около 3, кофе – примерно 5, чая – около 6, а молока – чуть меньше 7. Щелочной реакцией обладает раствор питьевой соды, растворы мыла и стиральных порошков.

Некоторые вещества способны менять свой цвет в зависимости от кислотности среды. В химии такие вещества используют в качестве индикаторов, с помощью которых можно различить кислые, щелочные и нейтральные растворы. Примерами индикаторов являются фенолфталеин и лакмус. Однако увидеть подобную реакцию можно при помощи обычных продуктов. Возьмите немного вишнёвого, клюквенного или другого красного сока и капните в него немного раствора пищевой соды. Сок немедленно изменит цвет на синий или фиолетовый. Это происходит потому, что при добавлении соды создаётся щелочная реакция, и содержащийся в соке пигмент теряет красную окраску, которой он обладал в кислой среде.

Не все кислоты и основания в равной степени способны к диссоциации. Те из них, значительная часть молекул которых распадаются при растворении в воде на ионы, называют сильными кислотами или сильными основаниями соответственно. Те, в которых диссоциирует лишь небольшая часть молекул, называют слабыми кислотами или слабыми основаниями. Так, соляная, серная и азотная кислоты – сильные, а угольная кислота – слабая.

Гидроксиды натрия и калия являются сильными основаниями, а нашатырный спирт (раствор аммиака в воде) – слабым основанием. Сильные кислоты и щёлочи обладают очень высокой химической активностью, способны растворять и разрушать многие материалы, а их соприкосновение с кожей или со слизистыми оболочками могут вызвать ожоги (рис. 136).

Рис.135. Обугливание бумаги. концентрированной серной кислотой

Проверьте свои знания

1. На какие ионы диссоциируют кислоты и основания при растворении в воде?

2. Как изменяется значение pH в зависимости от степени кислотности или щёлочности растворов? Чему равен pH чистой воды?

3. Какие из пищевых или бытовых веществ имеют кислую, а какие – щелочную реакцию?

4. Чем различаются сильные и слабые кислоты и основания?

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Проверьте опытным путём, как изменяется окраска вишнёвого или черничного сока при добавлении к ним слабых растворов уксуса и питьевой соды. Сделайте вывод.

§ 53 Соли и их применение

Соли.

Кислоты обладают способностью взаимодействовать с металлами. В ходе этих реакций катион Н+ в молекуле кислоты замещается на катион металла. В результате образуются соединения, называемые солями. Если в молекуле кислоты находится не один, а два или три атома водорода, способных отщепляться в виде ионов Н+ в ходе электролитической диссоциации, то такая кислота называется двух– или трёхосновной. В её молекуле может замещаться металлом один, два или все три водородных атома. В качестве примера рассмотрим угольную кислоту. Она имеет формулу Н₂СО₃ и является двухосновной. Если только один из атомов водорода заменить на катион натрия, то получится соединение NaHCO₃ – гидрокарбонат натрия, или пищевая сода. Если же на катион натрия замещаются оба атома водорода, то получается карбонат натрия (Na₂CO₃), или техническая сода, непригодная для употребления в пищу. Соли образуются также в результате реакции нейтрализации – взаимодействия кислот с основаниями. Так, при взаимодействии соляной кислоты НCI и гидроксида натрия NaОН образуется хлорид натрия (NaCl). В любом случае в состав солей входят катионы металла и анионы кислотных остатков. При обычных условиях соли являются кристаллическими веществами. Многие соли, такие как хлорид калия (KCl) или хлорид натрия (NaCl), хорошо растворяются в воде. Растворимость других солей, например хлорида серебра (AgCl), в воде очень мала – в 1 л воды может раствориться менее 1 мг вещества. В кристаллах солей катионы металлов и анионы кислотных остатков связаны между собой ионной связью. Поэтому при растворении в воде соли диссоциируют на ионы (см. § 48). В результате в растворах солей нет их молекул, а присутствуют только положительно и отрицательно заряженные ионы, окружённые молекулами воды (см. рис. 125). Поскольку ионы заряжены и могут свободно перемещаться в электрическом поле, то растворы солей хорошо проводят электрический ток. Растворы солей называют проводниками второго рода. В отличие от проводников первого рода (например, металлов), где переносчиками электричества являются электроны, в растворах солей происходит перенос ионов, т. е. частиц вещества.

Электролиз.

Если в раствор соли погрузить два разноимённо заряженных электрода, соединённых с источником тока, то отрицательно заряженные анионы будут двигаться к аноду, а положительно заряженные катионы металлов – к катоду. Затем на электродах начинают протекать окислительно-восстановительные процессы. Например, на катоде катионы металла могут принимать электроны, в результате чего будет происходить выделение металла в свободном виде. На аноде анионы, например, Cl- отдают электроны, и выделяется газообразный хлор Cl₂. Такой процесс, протекающий при прохождении через растворы солей электрического тока, называется электролизом и широко используется в науке и технике.

Происходящие при электролизе процессы зависят от природы растворённой соли. Если проводится электролиз солей активных металлов, например натрия или калия, то на катоде выделяется газообразный водород. Для того чтобы получить эти металлы электролизом, нужно использовать не растворы, а расплавы их солей. На аноде при электролизе солей могут выделяться галогены или кислород. Впервые для химических исследований электролиз применил английский исследователь Гемфри Деви (1778–1829). С помощью электролиза он смог впервые получить в чистом виде такие элементы, как калий, натрий, кальций, стронций, барий и магний, а также предсказал существование алюминия.

Электролиз растворов солей используют в электрохимии для получения слоя металла на поверхности какого-либо предмета (серебрение, золочение, хромирование). Эту технологию называют гальванопластикой (рис. 136). С помощью гальванопластики можно получить точные металлические копии предметов. Если после электролиза снять с формы отложенный на ней слой металла, он будет повторять её очертания.

Применение солей.

Соли широко используют в различных областях промышленности и хозяйства (рис. 137). Многие из них незаменимы в качестве минеральных удобрений: соли азотной кислоты (селитры), соли фосфорной кислоты (фосфатные удобрения).

Рис. 136. Чайнокофейный сервиз мануфактуры Кристофля (1875) – одно из первых применений гальванопластического серебрения и золочения

В строительстве и медицине широко используют гипс – сульфат кальция, главным достоинством которого является способность быстро застывать после смешивания с водой, образуя прочное соединение. Другие соли серной кислоты, например железный и медный купоросы, находят своё применение в производстве красителей, фунгицидов, в медицине и строительстве. Главной составной частью известняка, мела и мрамора является соль угольной кислоты и кальция – карбонат кальция (CaCO₃). Очищенный от посторонних примесей, карбонат кальция широко используется в строительстве, в бумажной и пищевой промышленности, при производстве красок, пластмасс, продукции бытовой химии.

Проверьте свои знания

1. Какие вещества относят к солям?

2. Что происходит в процессе электролиза?

3. Расскажите, где в быту используют карбонат кальция.

Задания

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Приведите примеры солей, использующихся в промышленности и сельском хозяйстве.

3. Вспомните из курса географии, к какому типу пород относится известняк.

Рис. 137. Многообразие солей (А: синяя – медный купорос, красная – дихромат калия, жёлтая – жёлтая кровяная соль, тёмно-фиолетовая – перманганат калия, белая – хлорид натрия, зелёная – нитрат никеля (II)) и их применение (Б – Ж)

§ 54 Строение и свойства органических веществ

Органическими веществами (за тем небольшим исключением, о котором говорилось выше) являются химические соединения, содержащие в своей молекуле углерод. Кроме него, в состав органических соединений почти всегда входит водород, часто кислород, азот, сера и фосфор, а иногда и многие другие элементы, включая различные металлы. Органические вещества входят в состав всех живых организмов и постоянно в них образуются. Раньше считали, что образование этих соединений вообще невозможно без участия живых организмов, отсюда и произошло их название. Действительно, в неживой природе эти вещества образуются редко и в небольших количествах, поэтому их либо извлекают из организмов, либо получают путём сложного химического синтеза.

Для того чтобы правильно представлять себе формулы органических соединений, следует иметь в виду, что атом углерода в них всегда четырёхвалентен, водород – одновалентен, кислород имеет валентность два, азот – три, а фосфор – пять. Впервые теорию строения органических веществ предложил в 1861 г. российский химик Александр Михайлович Бутлеров (1828–1886). В то время ещё ничего не было известно о строении атома и электронных оболочках, но на основании экспериментальных данных немецким химиком Фридрихом Кекуле (1829–1896) была высказана мысль о том, что атом каждого элемента обладает некоторым числом «единиц сродства» с другими атомами. Ф. Кекуле удалось установить валентности серы, углерода и водорода.

Построение структурных формул. Углеводороды.

На основе этих идей А. М. Бутлеров разработал принципы построения графических формул химических веществ. Для этого требуется знать валентность каждого элемента, которую изображают на рисунке в виде соответствующего числа чёрточек. Пользуясь этим правилом, легко установить, возможно или невозможно существование вещества с определённой формулой. Так, существует соединение, называемое метаном и имеющее формулу СН₄. Соединение с формулой СН₅ невозможно, так как для пятого водорода у углерода уже не найдётся свободной валентности.

Рассмотрим сначала принципы строения наиболее просто устроенных органических соединений. Их называют углеводородами, так как в их состав входят только атомы углерода и водорода (рис. 138). Самым простым из них является упомянутый метан, в котором есть всего один атом углерода. Прибавим к нему ещё один такой же атом и посмотрим, как будет выглядеть молекула вещества, называемого этаном. У каждого атома углерода одна валентность занята его собратом – другим углеродным атомом. Теперь надо заполнить водородом оставшиеся валентности. У каждого атома осталась по три свободных валентных связи, к которым и присоединим по одному атому водорода. Получилось вещество, имеющее формулу С₂Н₆. Прибавим к нему ещё один атом углерода.