Зайкевич

АНАСТАСИЙ ЄГОРОВИЧ (1842-1931)

Відомий український учений-агроном, один з перших організаторів сільськогосподарського дослідництва в Росії. Народився на Полтавщині, закінчив фізико-математичний факультет Новоросійського (Одеського) університету, з 1884 р.- професор Харківського університету. Наукова спадщина багатогранна, включає роботи з агрохімії, фізіології рослин, агротехніці, селекції, тваринництву, бджільництву. Він уперше запропонував спосіб рядкового внесення мінеральних і органічних добрив. Зробив великий внесок у справу виведення вітчизняних сортів пшениці, кукурудзи, цукрового буряка, визначив самі ефективні добрива для цих культур.

Отже, ви довідалися, що найважливіші фосфорні добрива це:

подвійний суперфосфат - Са(Н₂РО₄)₂;

простий суперфосфат - Са(Н₂РО₄)₂ + CaSO₄;

преципітат - СаНРО₄ • 2Н₂О;

фосфоритне борошно - Са₃(РО₄)₂.

Останнім часом широке поширення одержали комбіновані добрива, що містять трохи необхідних рослинам елементів. Наприклад, азот у комбінації з фосфором входить до складу добрив, називаних аммо-фосами,-NH₄H₂PO₄, (NH₄)₂O₄.

• Хімічні формули амофосів запишіть у зошит і для кожного з них укажіть хімічну назву.

Якщо амофосі змішати з калійною селітрою, то вийде аммофоска-комбинированное добриво, що містить одночасно, азот, фосфор і калій.

Розвиток агрохімії зв'язаний з роботами Д. И. Менделєєва. Він досліджував роль гіпсування ґрунтів, був ініціатором вивчення в ґрунтових умовах ефективності кісткового борошна (містить Са₃(РО₄)₂) і суперфосфати; передбачав, що "ера фосфорних добрив ще наступить".

В Україні найважливіші дослідження з питань агрохімії, фізіології рослин і ґрунтознавства зв'язані з роботами професора Харківського університету Л. Е. Зайксвича і професора Київського університету, у подальшому професора Інституту фізіології рослин АН України, академіка П. А. Власюка.

Завдання для самоконтролю

106. Як відбувається круговорот азоту в природі?

107. Напишіть рівняння в молекулярної, повної і скорочений іонних формах наступних реакцій:

а) фосфат калію + нітрат барію;

б) фосфат кальцію + сірчана кислота;

в)* фосфат кальцію + фосфорна кислота.

108. Унаслідок нейтралізації гідроксиду натрію масою 20 м фосфорною кислотою масою 49 м утворилася сіль

(а) фосфат натрію;

(б) гідро фосфат натрію;

(в) дигидрофосфат натрію. Маса солі, що утворилася, дорівнює

(г) 30 м; (д) 60 м; (е) 90 м; (ж) 120 р.

109*. Якщо відомо, що масова частка дигидрофосфат кальцію в суперфосфаті дорівнює 35 %, то масова частка оксиду фосфору(V) у цьому добриві складає

(а) 21, 2 %; (б) 42,4 %; (в) 68,6 %; (г) 50 %.

ВУГЛЕЦЬ І КРЕМНІЙ

§ 19. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ВУГЛЕЦЮ І КРЕМНІЮ

Історичні зведення. Ім'я першовідкривача вуглецю невідомо. Невідомо і те, яка з алотропних форм елементарний чи алмаз графила-була відкрита раніш. Історія використання людиною цієї речовини іде в глиб століть, у доісторичні часи. Виразно затверджувати можна лише те, що до алмаза і графіту людина вже була знаком з вугіллям. А визнання вуглецю хімічним елементом відбулося лише в 1775 р., завдяки роботам французького вченого А. Лавуазьє.

Кремній, незважаючи на велику поширеність його в природі, відкрили порівняно пізно. У 1811 р. французькі хіміки Ж. Л. Гей-Люссак і Л. Ж. Тенар одержали чистий кремній. Новий елемент назвали силіцієм (від лат. sіlex-кремень), що означає "камінь, що дає вогонь". Так називали дуже твердий камінь, що при ударі висікав іскру і тривалий час служив замість сірників для добування вогню.

Вуглець і кремній -типові елементи ІV групи періодичної системи, входять до складу головної підгрупи.

• Згадаєте будівлю атомів вуглецю і кремнію, на підставі положення цих елементів у періодичній системі і запишіть їхні електронні формули.

Електронна будівля. Електронні формули вуглецю 1s²2s²2p² і кремнії 1s²2s²2p⁶3s²3p² показують, що в їхніх атомах на зовнішньому електронному шарі міститься по 4 електрони. Вони розташовані на обителях у такий спосіб:

Структура зовнішнього електронного шару атома кремнію аналогічна структурі атома вуглецю.

• Покажіть графічно розташування на обителях електронів зовнішнього шару атома кремнію.

Зверніть увагу: в атомах вуглецю і кремнію на зовнішньому електронному шарі мається вільна р - обитель. Тому один 5-електрон зовнішнього шару при порушенні атома може переходити на р - обитель (збуджений стан атома):

Відповідно до такої електронної будівлі атомів елементи вуглець і кремній виявляють у з'єднаннях ступінь окислювання -4, +2, +4.

• Напишіть формули з'єднань вуглецю з киснем і воднем. Укажіть ступеня окислювання елементів і назви речовин. Поясните в кожнім випадку, чим обумовлений даний ступінь окислювання.

Алотропія вуглецю і кремнію. У природі зустрічаються три алло троп форми вуглецю: алмаз, графить і карбин. Алмаз (від греч. adamas-незламний, твердий) - кристалічна речовина, тугоплавке, хімічно малоактивне, діелектрик, практично електричний струм не проводить. Кристалічні ґрати атомна (мал. 10). Кристали можуть бути безбарвні або пофарбовані в жовтий, коричневий, рожево-бузковий, зелений, блакитний, синій і чорний колір. Кристали можуть бути прозорі і непрозорі, вони мають сильний блиск.

У кристалі алмаза кожен атом вуглецю з'єднується міцними ковалентними зв'язками з чотирма сусідніми атомами. Такою будівлею кристалів порозумівається виняткова твердість алмаза. Він самий твердий із усіх відомих речовин. Завдяки твердості алмаз широко використовується для свердління твердих порід, виготовлення шліфувальних дисків, різців, свердлів, склорізів (див. мал. 10) і ін. З цією метою використовують технічні алмази, тобто такі, котрі забруднені різними домішками.

Чисті алмази - безбарвні прозорі кристали. Їх піддають огранюванню, шліфують (червоний мазням порошком) і виготовляють з них діаманти. Прозорі алмази красивого синього, зеленого, червонуватого кольору надзвичайно рідкісні і коштують дуже дорого. Чим більше граней має кристал, тим краще він "грає". Маса діамантів виміряється каратами (1 карат = 0,2 г).

Самий з коли-небудь, знайдених на Землі алмаз-це алмаз "Куллинан". lіra знайшли в 1905 р. Назва він одержав по імені одного з власників. До огранювання його розмір був з жіночого куркуля і маса 3106 каратів, тобто 621 р. У процесі обробки алмаз розкололи але напрямку тріщин, що малися в ньому, і вирізували 105 діамантів. Найбільший з них назвали "Зоряна Африка". У нього форма краплі і маса 530 каратів.

Цікаво, що серед індійських алмазів є знаменитий "Шах" масою 89 каратів, яким перський уряд, "умилостивляючи білого царя", розплатилося за кров відомого російського дипломата і видатного письменника Л. С. Грибоєдова, що упало від рук розлютованої юрби перських фанатиків у 1X29 р. у Тегерані - столиці Персії.

Розроблено штучне одержання алмазів (1954 р., США) із графіту в умовах високих тисків і температур. Як правило, утворяться дрібні кристали. Їх використовують для виготовлення різальних інструментів і як опору для підшипників і інших рухливих частин у точних вимірювальних інструментах. В даний час виробляються синтетичні алмази ювелірної якості. Промисловий синтез алмазів - величезне досягнення науки і техніки.

Графить (від грсч. grapho-пишу)- кристалічну речовину, жирне на щуп, сірий або чорний кольори з металевим блиском. Структура графіту шарувата (мал. 11): атоми вуглецю розташовані шарами, що складаються із шестичленних кілець. У межах одного шару кожен атом вуглецю утворить три хімічні зв'язки з трьома сусідніми атомами. Всі атоми вуглецю поєднуються в макромолекули, що - являють собою нескінченні шари із шестичленних кілець.

За рахунок четвертих електронів зовнішнього електронного шару кожного атома вуглецю, не приймаючої участі в утворенні хімічних зв'язків у площині, виникає загальний зв'язок, делокализованная в межах усієї макромолекули. Саме цим і обумовлюється електрична провідність графіту, темно-сірий колір і металевий блиск.

Шари атомів вуглецю поєднуються в кристалічні ґрати за рахунок міжмолекулярних сил.

У графіті усередині шаруючи зв'язку між атомами ковалентні, досить міцні, а між шарами - слабкі (діють міжмолекулярним силам). Тому графить легко расслаивается. Це робить кристали графіту неміцними, а сам мінерал м'яким. Навіть при слабкому терті графіту по папері на ній залишається сірий слід.

Графить тугоплавкий (t_пл = 3800 °С), хімічно дуже стійкий. З нього виготовляють тугоплавкі тиглі, синтетичні алмази, електроди, обкладки для електролітичних ванн, труби теплообмінників, змащення (див. мал. 11). У ядерних реакторах графить застосовують як сповільнювач нейтронів., Із графіту роблять грифель для олівців. У промисловості, крім природного, використовують штучний графіт. Його одержують із кращих сортів кам'яного вугілля (кокс, антрацит). Процес відбувається в електропечах при температурі 2600-3000 "С и тиску 250 Мпа без доступу повітря.

Карбин - речовина чорного кольору. Складається з довгих ланцюгів атомів

вуглецю - С = С - С = С - С = С -, має властивості напівпровідника.

Існують ще так називані вуглецеві матеріали (раніш називали "аморфний вуглець"). До них відносяться вугілля (кокс, деревне вугілля), технічний вуглець (сажа) і ін. Вони не є самостійними алотропними формами вуглецю, як це вважалося раніш, тому що мікрокристалічна структура їхній така ж, як і в графіту, але кристали розташовані безладно.

Саджу застосовують як наполнитель для гуми і пластмас, як чорний пігмент при виготовленні типографської фарби, копіювального папера, стрічок для друкарських машинок.

Кокс застосовують у металургії як паливо і востановитель.

Застосування деревного вугілля засновано на його здатності притягати на свою поверхню молекули речовин з навколишнього середовища (поглинання на поверхні). Таке явище називають адсорбцією. Зрозуміло, що чим більше поверхня, тим сильніше адсорбція. Щоб збільшити поверхня вугілля, його активують-обробляють перегрітою водяною парою для видалення з його пір сторонніх домішок і збільшення пористості вугілля. Таке вугілля називають активованим.

Активоване вугілля - прекрасний адсорбент (поглинає). Тому його застосовують у промисловості для очищення газів, уловлювання коштовних органічних розчинників, виробництва протигазів, у медицині - для очищення крові і поглинання шкідливих речовин зі шлунково-кишкового тракту.

Кремній як проста речовина має кристалічну будівлю. Він тендітний, темно-сірого кольору, з металевим блиском. Як хімічний елемент кремній на відміну від вуглецю існує лише в одній формі, структура якої аналогічна структурі алмаза (див. мал. 10), оскільки графито-подобная форма дуже хитлива. Але на відміну від алмаза кремній - напівпровідник. Це порозумівається тим, що немоторне ковалентні зв'язки між його атомами легко руйнуються, що й обумовлює помітну рухливість електронів у кристалі.

Кремній застосовують в електроніці як напівпровідник, а також при виготовленні діодів, транзисторів, сонячних батарей, фотоприймачів, детекторів часток в ядерної фізиці. У металургії кремній застосовують як востановитель і для видалення кисню з розплавлених металів. Кремній-компонент електротехнічних сталей, чавунів, бронзи, силумінів (сплавів з алюмінієм).

Кремній - другий хімічний елемент після кисню по поширеності в. природі. Його масова частка в земній корі 26,6 %. Але у вільному стані він не зустрічається, тільки у виді з'єднань. Найбільш розповсюдженим у природі з'єднанням кремнію є оксид кремнію(ІV) Sі2, чи кремнезем. Це - мінерал кварц і багато хто його різновиди (пісок, гірський кришталь, кремінь, яшма, опал, агат, аметист і ін.). Кремній у виді силікатів і алюмосилікатів входить до складу таких мінералів, як азбест, тальк, польовий шпат, каолін, нефелін, слюда й ін. Входить він і до складу рослинних (хвощ, бамбук і ін.) і тваринних організмів (кістяк, сполучна тканина).

Завдання для самоконтролю

110. Яке місце в періодичній системі хімічних елементів займають вуглець і кремній? Як це зв'язано з будівлею їхніх атомів?

111. Порівняєте фізичні властивості алмаза і графіту.

112. Як пояснити різка відмінність фізичних властивостей алмаза і графіту?

113. Що таке активоване вугілля? Чому його рекомендують приймати усередину, якщо виник розлад шлунка?

114. Охарактеризуйте фізичні властивості кремнію. Назвіть області його застосування.

115. Як пояснити з погляду електронної теорії структуру атома кремнію? Чому неметалічні ознаки виявлені в нього в меншому ступені, а металеві ознаки в більшої, ніж в елемента вуглецю?

116. Кремній плавиться при температурі 1420 *З, а білий фосфор - при 44 'С. Як пояснити така різка відмінність температур плавлення цих простих речовин?

117. Біла глина містить каолін Аl2ОБ3 • 2Sі2 2Н2О и сторонні домішки, масова частка яких у глині складає 10 %. Обчислите масову частку кремнію в глині.

§ 20. ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕЦЮ І КРЕМНІЮ

Для вуглецю характерна невисока хімічна активність: більшість реакцій з його участю відбувається тільки при високій температурі.

Кремній ще менш активний, чим вуглець. При низьких температурах він навіть хімічно інертний, а при нагріванні його реакційна здатність різко зростає.

Сама головна хімічна властивість вуглецю і кремнію - це їхня відбудовна здатність. У вуглецю вона виражена яскравіше, ніж у кремнію. Вуглець-один з найкращих восстановителей.

1. Взаємодія з оксидами металів. При нагріванні вуглець відновлює метали з їхніх оксидів.

За умови вільного доступу повітря утвориться оксид вуглецю(ІV) СО₂:

У металургійній практиці, як правило, утвориться суміш газів З і З2.

Такі процеси, засновані на відновленні металів з їхніх з'єднань вуглецем, називаються карботерміей.

Кремній виявляє також відбудовні властивості, але вони виражені значно слабкіше, ніж у вуглецю. Наприклад, у процесі виплавки стали кремній поводиться як востановитель: при високій температурі він відновлює металеве залізо з оксиду заліза(П), що міститься в металобрухті поряд з іншими речовинами (Fe₂O₃ • хH₂О):

Метод відновлення металів кремнієм називають силікотермією.

2. Взаємодія з киснем. Вуглець легко горить на повітрі. При цьому виділяється велика кількість теплоти, що свідчить про велику міцність зв'язків у молекулі оксиду вуглецю, що утвориться,(ІV):

Продукт реакції горіння вуглецю залежить від температури: при порівняно невисоких температурах горіння утвориться диоксида вуглецю З2, а при високих (вище 1000 °С) поряд із З2 утвориться значна кількість оксиду вуглецю(ІІ) З:

Саме така реакція (поряд з іншими) відбувається в процесі спалювання коксу, вугілля, бензину при високій температурі і недоліку кисню. Тому вихлопні гази автомобільних двигунів, що відходять гази печей за умови поганої тяги, тютюновий дим обов'язково містять чадний газ З і забруднюють повітря.

Кремній при звичайних умовах хімічно стійкий. Але при сильному нагріванні (вище 400 °С) порошок кремнію горить, утворити оксид кремній(ІV):

При цьому також виділяється велика кількість теплоти, що свідчить про велику міцність зв'язку між атомами кремнію і кисню.

3. Взаємодія з металами. При нагріванні вуглець може взаємодіяти з деякими металами, утворити карбіди:

Карбиды — твердые и тугоплавкие вещества.

В этих реакциях углерод выступает как окислитель, что для него не характерно.

Кремний также проявляет окислительные свойства по отношению к некоторым металлам, например:

Утвориться органічна речовина - метан СН4 (основна складова частина природного газу).

o Який ступінь окислювання виявляє атом вуглецю в молекулі метану СН4? На вашу думку, чи окислювачем восстановителей у даному випадку є вуглець. Чому для нього взаємодія з воднем нехарактерно?

Кремній з воднем безпосередньо не взаємодіє. Його водневе з'єднання Sі4 -силан одержують непрямим шляхом.

Завдання для самоконтролю

118. Порівняєте хімічні властивості простих речовини-вуглецю і кремнію. Напишіть необхідні рівняння реакцій.

119. При спалюванні вугілля масою 187,5 м утворився диоксида вуглецю обсягом 336 л (н.у.). Масова частка вуглецю в куті складає

(а) 12 %; (в) 48 %;

(б) 24 %; (г) 96 %.

120. У спеціальних умовах окислили 120 м вугілля (тепловий ефект реакції 110,5 кдж/моль) до оксиду вутлерода (П). Кількість теплоти, що виділилася при цьому, дорівнює

(а) ПО, 5 кДж; (в) 1105 кДж;

(б) 221 кДж; (г) 2210 кДж.

121. Маса міді, яку можна одержати, відновлюючи оксид міді(И) за допомогою 24 кг вугілля, з огляду на, що виробничі втрати міді складають 5 %, дорівнює

(а) 121,6 кг; (в) 134.4 кг;

(б) 128 кг; (г) 64 кг.

§ 21. ОКСИДИ ВУГЛЕЦЮ І КРЕМНІЮ

Вуглець утворить з киснем два оксиди - СО₂ і СО

СО₂ - оксид вуглецю(IV), диоксида вуглецю, вуглекислий газ.

СО - оксид вуглецю(П), моно оксид вуглецю, чадний газ.

Для елемента кремнію характерним є Sі2 - оксид кремнію(IV), диоксида кремнію, кремнезем.