Хімічні властивості

Оксид вуглеводу (ІV) СО₂ і оксид кремния(ІV) Sі2 – солі утворюючи кислотні оксиди, а оксид вуглецю(П) СО – не солі утворюючий оксид.

1. Взаємодія з водою. Якщо в пробірку з водою (1-2 мол) додати 1-2 краплі розчину фіолетового лакмусу і пропускати туди вуглекислий газ, лакмус змінить своє фарбування, і розчин почервоніє. Це порозумівається тим, що З2 взаємодіє з водою, утворити неміцну вугільну кислоту:

• Знаючи закономірності зсуву хімічної рівноваги, укажіть, у якому напрямку можна змістити рівновага в реакції, рівняння якої записано вище, якщо: а) підвищувати тиск; б) підвищувати температуру.

Оксид кремнію (ІV) Sі₂ хоча і відноситься до кислотних оксидів, але з водою не реагує. Відповідна йому кремнієва кислота H₂Sі₃ утвориться іншим способом (буде вивчатися пізніше).

2. Взаємодія з підставами й основними оксидами. Оксид вуглецю(ІV) З2 взаємодіє з лугами у водяних розчинах і з твердими лугами і з основними оксидами при звичайних умовах, утворити солі-карбонати:

Оксид кремния (IV) SiO₂ взаимодействует с твердыми щелочами и основными оксидами при сплавлении, образуя соли — силикаты:

Оксид вуглецю(ІІ) З, будучи несолеобразующим оксидом, відзначених вище реакцій не дає (солей не утворить). Для нього характерні інші властивості:

а) здатність горіти Василькова - сивим полум'ям, виділяючи велику кількість теплоти:

через що його використовують (разом з іншими газами) як газоподібне паливо (у доменному виробництві); б) здатність відновлювати метали з оксидів (при нагріванні):

Зазначена властивість використовується при виплавці металів з руд.

Одержання оксиду вуглецю(ІV). У лабораторних умовах З2 одержують дією соляної кислоти на мармур:

• Запишіть рівняння даної реакції в повній і скороченої іонних формах. У промисловості оксид вуглецю(ІV) одержують прожарюванням вапняку:

Застосування. Вуглекислий газ З2 застосовують з виробництві соди, цукру, для газування води, гасіння пожеж (содові вогнегасники). Сухий лід використовується для збереження швидкопсувних продуктів.

Двооксид кремнію Sі2 у виді піску широко застосовують у будівництві, для одержання скла, кераміки, порцеляни, фаянсу, цегли, цементу, абразивів1. У виді кварцу Sі2 застосовують у радіотехніку, акустоэлектронике, оптичному приладобудуванні. Синтетичний диоксида кремнію Sі2 ("біла сажа") використовується як наполнитель у виробництві гуми.

Завдання для самоконтролю

122. Порівняєте фізичні властивості диоксида вуглецю З2 і монооксида вуглеці З.

123. Охарактеризуйте фізичні властивості диоксида кремнію Sі2.

124. При спалюванні оксиду вуглецю(П) обсягом 112 л (н.у.) утвориться оксид вуглецю(ІV) обсягом

(а) 28 л; (в) 112 л;

(б) 56 л; (г) 224 л.

125. При окислюванні коксу кількістю речовини 4 моль утвориться оксид вуглецю(П) обсягом (н.у.)

(а) 22,4 л; (в) 11,2 л;

(б) 89,6 л; (г) 5,6 л.

126. Прожарюванням вапняку масою 250 кг, масова частка домішок у який 20 %, можна одержати вуглекислий газ обсягом (н.у.)

(а) 44,8 м3; (в) 89,6 м3;

(б) 22,4 м3; (г) 112 м3.

127. У лабораторії для одержання чистого кремнію застосовують кварцовий пісок і магній. При підпалюванні суміші утвориться білий порошок оксиду магнію і кристалічний кремній. Напишіть рівняння реакцій і запропонуєте спосіб очищення кремнію від домішки оксиду магнію.

128. При відновленні коксом у дугових печах при 1800 "З 1 кг оксиду кремнію(ІV), масова частка домішок у який 10 %, можна одержати кристалічний кремній масою

(а) 28 м; (в) 840 м;

(б) 280 м; (г) 420 р.

129*. Суміш оксиду вуглецю(И) З і оксиду вуглецю (ІV)

З2 обсягом 16 мол (н.у.) спалили в надлишку кисню, після чого обсяг суміші зменшився на 2 мол. Обчислите масову частку З у суміші.

§ 22. ВУГІЛЬНА КИСЛОТА І КАРБОНАТИ

Вугільна кислота. Солі утворюючи оксиду вуглецю(ІV) СО₂ відповідає вугільна кислота Н₂СО₃.

Вугільна кислота Н₂СО₃ - хитливу речовину. Вона існує тільки у водяному розчині. При спробі виділити її з розчину вона легко розкладається на воду і вуглекислий газ. У водяному розчині встановлюється рівновага:

Цим порозуміваються кислотні властивості Н₂СО₃. Вугільна кислота належить до слабких кислот, тобто диссоциирует на іони в незначному ступені. Будучи двохосновний, вона утворить два ряди солей: середні - карбонати і кислі - гідрокарбонати. Наприклад, Na₂CO₃ - карбонат натрію, NaHCO₃ - гідрокарбонат натрію, СаСО₃ - карбонат кальцію, Са(НСО3)2 - гідрокарбонат кальцію.

Карбонат-кристалічні речовини. Багато хто з них у воді не розчиняються, виключення складають карбонати лужних металів і амонію.

У результаті дії кислот на сухі карбонати або їхні водяні розчини виділяється оксид вуглеводу ІV), що викликає вспенивание:

• Приведене рівняння запишіть в іонній формі і складіть ще два рівняння реакцій, що ілюструють дію інших кислот на карбонати або їхні розчини.

Лабораторна робота 7

Якісна реакція на карбонат-іони

У двох пробірок усипайте потроху (аби покрилося дно) карбонату магнію і карбонату натрію. В обох пробірок додайте по 1 мол розведеної соляної кислоти і відразу ж закрийте кожну пробірку пробкою з газо обводнюй трубкою, кінець якої опустите в пробірку з вапняною водою (розчин Са(ВІН)2).

Що спостерігається? Напишіть рівняння реакцій у молекулярної повній і скороченої іонних формах. Зробіть висновок про те, що є реактивом на карбонат-іони З3

Отже, для розпізнавання карбонатів (і гідрокарбонатів) застосовують сильні кислоти. При їхній дії відбувається характерне "скипання" унаслідок бурхливого виділення вуглекислого газу З2. Суть реакції виражається іонним рівнянням:

• Поясните, чому карбонати, як і підстави, можна застосовувати для нейтралізації кислот.

Практичне значення. Із солей вугільної кислоти важливе значення має карбонат кальцію СаСО₃. Він зустрічається в природі у виді мармуру, вапняку, крейди. Мармур служить матеріалом для скульпторів і як оздоблювальний матеріал у будівництві. Вапняк використовують для одержання сповісти, його вносять також у ґрунт для зниження кислотності і поліпшення її структури. Крейда використовують для побілки, а також у скляній, гумовій і іншій галузях промисловості.

Карбонат кальцію Сасо3 у воді не розчиняється. Тому вапняна вода (розчин гідроксиду кальцію) при пропущенні крізь неї оксиду вуглецю(ІV) каламутніє:

Але якщо довго пропускати СО₂, то каламуть зникає. Це порозумівається утворенням розчинної кислої солі - гідрокарбонату кальцію:

Гідрокарбонат кальцію Са(НСО₃)₂ - речовина хитливе. При кип'ятінні чи розчину тривалому збереженні на повітрі він розкладається з виділенням С0₂ і утворенням середньої солі:

Гідрокарбонати щелочноземельних металів, на відміну від карбонатів, добре розчиняються у воді. Розчинністю гідрокарбонатів у воді порозумівається постійне переміщення карбонатів у природі. Ґрунтові води, що містять оксид вуглецю(ІV), проходячи крізь ґрунт і особливо через шар вапняку, розчиняють карбонат кальцію і несуть його із собою у виді гідрокарбонату в струмочки, ріки і моря. Відтіля він попадає в організм морських тварин і використовується на побудову їхніх чи кістяків, виділяючи вуглекислий газ, знову перетворюється в карбонат кальцію і відкладається у виді вапняку і т.д..

Карбонат натрію Na₂CO₃ (кальцинована сода) і його кристалогідрат Na₂CO₃ • 10Н₂О (кристалічна сода) використовують у виробництві скла, мила, миючих засобів, барвників і ін. У великих кількостях вони застосовуються в целюлозно-паперовій, текстильній, нафтовій і іншій галузях промисловості.

Гідрокарбонат натрію NaHCO₃ (питна сода) широко застосовується при випіканні хліба, у харчовій промисловості, медицині, побуті. Питна сода входить до складу наполнитель для вогнегасників.

Карбонат калію К₂СО₃ (поташ) застосовують у виробництві скла, мила, у фотографії.

Твердість води. Вода, що біжить по вапняних гірських породах, взаємодіє з вуглекислим газом і перетворює карбонати кальцію і магнію в розчинні кислі солі - гідрокарбонати.

• Напишіть відповідні рівняння реакцій у молекулярній і іонній формах.

Перетворення нерозчинних карбонатів у розчинні гідрокарбонати викликає вимивання карбонатів із земної кори, у результаті чого утворяться порожнечі - печери. А вода, що насичується розчинними гідрокарбонатами кальцію і магнію, стає твердою.

Твердість води, обумовлена присутністю іонів Са і іонів Mg²⁺, називається загальною твердістю води.

Чим вище зміст у воді цих іонів, тим більше твердість води.

Загальна твердість води складається з карбонатної (тимчасовий) і не карбонатної (постійної). Карбонатна твердість обумовлюється присутністю у воді гідрокарбонатів кальцію і магнію. Вона усувається кип'ятінням. Не карбонатна твердість викликається присутністю у воді сульфатів, хлоридів, нітратів і ін. кальцію і магнію.

Ми розглянемо карбонатну, чи тимчасову, твердість води.

Тверда вода непридатна для промислових і господарських нестатків. У ній погано милиться мило, неможливо вимити волос, важко стирати білизну, погано розварюються овочі. При використанні твердої води в парових казанах утвориться шумовиння. У неї погана теплопровідність, тому виникає місцеве перегревание стінки казана, перевитрата енергії і корозія матеріалу стінок. Випадкове отлущивание шматочка шумовиння від розпеченої стінки може викликати швидкий випар води і зривши казана.

У зв'язку з цим тверду воду перед вживанням умягчают, тобто видаляють з її гідрокарбонати кальцію і магнію, переводячи їх у нерозчинний стан. Це досягається, насамперед, кип'ятінням води. При цьому гідрокарбонати кальцію і магнію розкладаються:

Карбонати кальцію і магнію, а також гідроксид магнію випадають в осад, і вода утрачає свою твердість.

У домашніх умовах (при пранні, наприклад) для зм'якшення води можна додавати соду Na₂CO₃, у промислових умовах частіше додають гашене вапно Са(ВІН)2 і інші речовини:

• Напишіть приведені вище рівняння реакцій в іонній формі.

Завдання для самоконтролю

130. В одну порцелянову чашку насипали карбонат кальцію, в іншу - нітрат калію, у третину-хлорид натрію і почали прожарювати, забувши відзначити, у якій чашці - яка сіль. Як можна, спостерігаючи процес прожарювання і досліджуючи продукти реакції, розпізнати узяті солі?

131. Як здійснити наступні перетворення:

а) Са ¢ Са(ОН)₂ ¢ СаСО₃ ¢ СаО ¢ Са(ОН)₂ ¢ СаС1₂;

б) MgCl₂ ¢ MgCO₃ ¢ Mg(HCO₃)₂ ¢ MgCO₃ ¢ CO₂ ¢ Na₂CO₃?

Напишіть відповідні рівняння реакцій.

132. Як, маючи у своєму розпорядженні тільки соляну кислоту, розпізнати карбонат барію, сульфат барію, сульфіт барію? Відповідь проілюструйте рівняннями реакцій.

133. Як позбутися від тимчасової твердості води? Відповідь проілюструйте рівняннями реакцій у молекулярній і іонній формах.

134. Через розчин їдкого натру пропустили 5,6 л (н.у.) оксиду вуглецю(ІV). Маса гідрокарбонату натрію, що утворився, дорівнює

(а) 21 м; (в) 84 м;

(б) 42 м; (г) 22,4 л.

135. У результаті термічного розпаду 1 моль гідрокарбонату натрію, масова частка домішок у який складає 2 %, утвориться вуглекислий газ обсягом (н.у.)

(а) 5,5 л; (в) 22 л;

(б) 11 л; (г) 22,4 л.

136*. Для аналізу вапняку на зміст карбонату кальцію взяли навішення 5 р. На розчинення карбонату, що міститься

в цій пробі, витрачено 100 мол 0,9 М розчину хлороводорода. Яка масова частка карбонату кальцію у вапняку?

137*. Суміш карбонату і гідрокарбонату натрію масою 146 м нагрівали доти, поки не припинилося зменшення маси. Маса залишку, що утворився після нагрівання, складає 137 р. Обчислите масову частку карбонату натрію в цій суміші.

§ 23. КРУГОВОРОТ ВУГЛЕЦЮ В ПРИРОДІ. КРЕМНІЙ У ПРИРОДІ

Природні речовини, до складу яких входить вуглець, постійно піддаються змінам, у результаті яких здійснюється круговорот вуглецю в природі.

Важлива роль у круговороті вуглецю належить оксиду вуглецю(IV), що входить до складу атмосфери Землі. З2 надходить в атмосферу в результаті багатьох процесів: виверження вулканів, спалювання палива, розкладання вапняку, подиху людей, тварин і рослин, процесів шумування і гниття.

З повітря вуглекислий газ О₂ у великих кількостях поглинається наземними рослинами і фітопланктоном Світового океану. Процес поглинання О₂ відбувається тільки на світ-фотосинтез, у результаті якого утворяться органічні речовини, що містять вуглець. У результаті фотосинтезу в атмосферу виділяється кисень О₂.

З рослин, службовців їжею для тварин, вуглець переходить у їхні організми. Тварини виділяють вуглець у виді вуглекислого газу при подиху. Згодом рослини і тварини відмирають, починається процес гниття, окислювання, і вуглець частково перетворюється в О₂, що повертається в атмосферу і знову поглинається рослинами. А частково рослинні і тваринні залишки в ґрунті перетворюються в пальні копалин-кам'яне вугілля, нафту, природний газ. Пальні копалини використовують як паливо, при згорянні якого О₂ знову повертається в атмосферу.

Вуглекислий газ з атмосфери поглинається також водами Світового океану і взаємодіє з гірськими породами

при їхньому руйнуванні. У результаті утворяться вапняки, доломіти й інші карбонати. Таке різноманіття процесів забезпечує постійний круговорот вуглецю в природі (мал. 12).

Однак через різке збільшення спалювання різних видів палива зміст вуглекислого газу в атмосфері поступово збільшується, а зміст кисню зменшується. Порушення рівноваги між змістом кисню і вуглекислого газу в атмосфері може привести до так називаного "парниковий ефекту" (шар З2 грає таку ж роль, як стекло в теплиці). Це досить загрозливе явище. Справа в тім, що вуглекислий газ вільно пропускає на Землю випромінювання Сонця, але сильно затримує теплове випромінювання Землі. Порушується нормальна тепловіддача Землі в космічний простір, а це приводить до потеплення клімату.

Потеплення клімату Землі може викликати танення льодовиків і привести до підвищення рівня Світового океану. У результаті відбудеться затоплення всіх низьке розташованих частин материків - незмінностей, що граничать з океаном і густонаселених. Почнеться танення вічної мерзлоти, що приведе до заболочування великих - територій, випаданню рясних дощів і безсумнівно позначиться на селюком господарстві й ін.

Відомо, що головним регулятором співвідношення вуглекислого газу і кисню в атмосфері Землі є фотосинтез. Ще 50 років тому це співвідношення була оптимальним: об'ємна частка кисню в атмосфері 21 %, вуглекислого газу -0,03 %. Тепер же нормальне співвідношення порушене. Господарська діяльність людини, з одного боку, приводить до посилення викидів З2 в атмосферу, а з до знищенню "природних лабораторій", у яких здійснюється фотосинтез, тобто поглинається вуглекислий газ (вирубка лісів, масова загибель фітопланктону й ін.). Отже, сьогодні гостро коштує проблема охорони навколишнього середовища, у тому числі і повітря, без рішення якої людство не зможе вижити.

Кремній у природі. Кремній - другий хімічний елемент після кисню по поширенню в земній корі, його масова частка складає 27,6 %. У вільному стані в природі не зустрічається, тільки у виді з'єднань, переважно у виді диоксида кремнію Sі₂ і силікатів.

Диоксид кремнію Sі₂ у природі зустрічається у виді кварцу і багатьох його різновидів (кварцовий пісок, гірський кришталь, кремінь, яшма, агат, аметист, обпа й ін.). Кремнезем Sі₂ - головний компонент будь-якого піску.

У земній корі містяться силікати й алюмосилікати. До природних силікатів відносяться мінерали азбест і тальк, до алюмосилікат-польовий шпат, каолін, слюда, нефелин. Алюмосилікати зустрічаються Р природі окремо й у сумішах. Так, біла глина - це чистий каолін, а звичайна жовто-бура клина - це каолін з домішками з'єднань заліза. Гірська порода граніт являє собою суміш кристалів польового шпату, слюди і кварцу.

Кремній у виді Sі₂ входить до складу рослинних і тваринних організмів (діатомові водорості, губки, хвощ, бамбук, солома, частини кістяка й ін.). Масова частка Sі₂ у крові і плазмі людини складає 0,001 %. Але штучне проникнення пилу Sі2 у живі тканини шкідливо, викликає роздратування бронхів, силікоз легень, захворювання шлунково-кишкового тракту.

Завдання для самоконтролю

138. Як відбувається круговорот вуглецю в природі? Яку роль у цьому процесі грає фотосинтез?

139. Що таке "парниковий ефект"? Які міри необхідні, щоб уникнути цього явища? Відповідь мотивуйте.

140. У якому виді елемент кремній зустрічається в природі?

§ 24. КРЕМНІЄВА КИСЛОТА І СИЛІКАТИ

Кремнієва кислота H₂Sі0₃ відноситься до слабких двохосновним кислотам (слабкіше вугільної кислоти). У воді практично не розчиняється, але легко утворить колоїдні розчини.

Колоїдні розчини - це системи, що складаються з дуже здрібнених часток, рівномірно розміщених в однорідному середовищі. Вони займають проміжне положення між щирими розчинами і суспензіями. До колоїдних розчинів відносять, наприклад, молоко, кров, яєчний білок.

Кремнієва кислота при нагріванні поступово розкладається на оксид кремния(ІV) Sі₂ і воду:

Кремнієву кислоту не можна одержати взаємодією її оксиду з водою (чому?). Її одержують дією кислот на силікати Na₂Sі0₃ чи K₂Sі₃:

Кремнієву кислоту можна синтезувати з Sі₂ і Н₂О, але тільки при нагріванні і при високому тиску. Така реакція відбувається в глибинах Землі. Подібним способом у лабораторіях одержують монокристалі штучного кварцу - "гірського кришталю".

Силікату-солі кремнієвої кислоти (наприклад, Na₂Sі0₃ - силікат натрію, CaSі₃; - силікат кальцію).

Природні силікат-це досить складні речовини. Їхній склад, як правило, зображують як з'єднання декількох оксидів. Так, склад силікату кальцію CaSі3 можна показати в такий спосіб: СаО • Sі2, а склад силікату натрію Na2Sі3 - Na2O • Sі2.

Якщо до складу природних силікатів входить оксид Алюмінію, то їх називають алюмосилікатами. Наприклад, каолін - біла глина А1₂О₃ • 2SiO₂ • 2Н₂О, польовий шпат К₂О • А1₂О₃ • 6SiO₂, нефелин Na₂O • А1₂О₃ • 2SiO₂.

Силікати, як правило, у воді практично не розчиняються. Виключення складають силікати натрію і калію, тому їх називають ще розчинним склом, а розчин - рідким склом.

Силікати широко використовуються в техніку. Розчинним склом просочують тканини і деревину, щоб запобігти їхнє загоряння (протипожежний засіб). Рідке скло входить до складу вогнетривких замазок для склеювання скла, порцеляни, фаянсу, цементу, бетону, цегли і різних керамічних виробів і застосовується для готування силікатного клею (розчину Na₂Si0₃ чи K₂Si0₃ у воді).

Завдання для самоконтролю

141. Охарактеризуйте кремнієву кислоту. Які хімічні властивості характерні для неї? У чому полягає подібність і відмінність її від вугільної кислоти?

142. Як, виходячи з диоксида кремнію і маючи в розпорядженні всі необхідні речовини, одержати кремнієву кислоту? Напишіть рівняння необхідних реакцій.

143. Напишіть рівняння реакцій між:

а) кремнеземом і содою;

б) кремнеземом і негашеним вапном;

в) силікатом натрію і соляною кислотою.

Укажіть, при яких умовах відбувається кожна з цих реакцій.

§ 25. БУДІВЕЛЬНІ МАТЕРІАЛИ

З природних матеріалів, що містять кремній, одержують скло, кераміку, цемент.

Це твердий прозорий матеріал. Найбільш поширене силікатне скло, основним компонентом якого є оксид кремнію(ІV) Sі₂.

Сировиною для виробництва звичайного скла є сода Na₂CO₃, вапняк СаСО₃ і пісок SіО2. Усі складові частини очищають, змішують і сплавляють при температурі близько 1400 °С. Відбуваються наступні реакції (спрощено):

Фактично до складу скла входять силікати натрію і кальцію, а також надлишок Sі₂. Тому склад обачної шибки можна виразити наступною спрощеною формулою: Na₂O • СаО • 6SiO₂.

Змінюючи склад шихти, вносячи різні добавки, одержують скло з заздалегідь заданими властивостями. Так, якщо замість соди Na₂CO₃ узяти поташ К₂СО₃,, то можна одержати високоякісне тугоплавке скло, з якого виготовляють хімічний посуд. А якщо взяти поташ К₂СО₃, кремнезем Sі₂O₂ і оксид свинцю(II) РЬО, те вийде кришталь.

Особливий вид скла - кварцове скло. Воно являє собою стеклообразную форму чистого кремнезему Sі2. Таке скло досконале не відчутно до різких коливань температури. До того ж воно володіє коштовними оптичними властивостями (пропускає ультрафіолетові промені).

Стекло широке використовується майже у всіх галузях промисловості й у побуті. З нього виготовляють труби, тару, лабораторний посуд, деталі оптичних приладів, художні вироби, побутовий посуд. На основі скла роблять скловолокно, що застосовується для виготовлення спецодягу, а також склопластики, зокрема стеклотекстолит. Цей склопластик - прекрасний будівельний матеріал (дуже міцний, не гнеться, легко обробляється). Стеклотекстолит застосовують у машинобудуванні як конструкційний матеріал, а в електроніці - як ізолятор. На основі скла створюють мікрокристалічні материалы-ситаллы. Це дуже міцний матеріал, хімічно і термічно стійкий, тому заліза застосовують для виготовлення апаратури хімічних виробництв, деталей машин і механізмів, труб, электроизоляторов і ін. Сучасна скляна промисловість робить спеціальне скло, стійке до впливу радіоактивного випромінювання.

Кераміка. Виробу з глини називають керамікою, а виробництво керамічних виробів - гончарним. Найбільш поширена кераміка, що складається з різних оксидів, у тому числі - оксиду кремнію(ІV) Sі2. З керамических виробів найбільше значення мають порцеляна і фаянс.

Порцелян-один з видів тонкої керамік-білий матеріал, складається в основному з SiO₂, А1₂О₃ и К₂О. Як сировину для одержання порцеляни використовують білу глина-каолін, кварцова пісок і польовий шпат (К₂О • А1₂О₃ • 6SiO₂). Порцеляна має невелику пористість (тому він водою і газонепроникний), досить високу механічну міцність і термостійкість, електроізоляційні властивості: З нього виготовляють санітарно-технічні вироби, электроизоляторы, предмети побуту і художні вироби.

Фаянс - керамічний матеріал, схожий на порцеляну, покритий тонкої стеклообразной плівкою-глазур'ю. Містить ті ж компоненти що і порцеляна, але в інших співвідношеннях. З фаянсу виготовляють лицювальні плитки, посуд, художні вироби.

Велика група спеціальних керамічних виробів використовується в будівництві. З кераміки виготовляють цегла, панелі для стін, плитку для підлоги, черепицю, труби, а також глиняний посуд, вазони.

Цемент. Цемент являє собою сірий порошок, що складається із силікатів і алюмінатів кальцію. При змішуванні з водою він швидко висихає і твердіє, перетворюючи в камнеподобную масу.

Для одержання цементу як сировину використовують вапняк, глину й інші речовини. Сировина завантажується в піч, перемішується і спікається при температурі в межах 1400-1600 °С. Спечену масу, основними компонентами якої є СаО, SiO₂ и А1₂О₃, прохолоджують і подрібнюють у порошок. Одержують цемент різних сортів: морозотривкий, бістро твердючий і ін.

Цемент-важливий будівельний матеріал. Із суміші цементу, піску і води готують будівельний розчин. Цемент, змішаний з водою і наполнителями (піском, щебенем, чи гравієм шлаком), утворить суміш, при затвердінні якої виходить бетон. Якщо бетоном залити сталевий каркас, утвориться залізобетон. З нього роблять балки, панелі для домобудівництва, труби, мости, перекриття, шпали й ін.

§ 26. ВУГЛЕЦЬ У ПРИРОДІ

Масова частка елемента вуглецю на Землі порівняно невелика, складає 0,1 %. Але його значення в житті природи винятково велико. На відміну від кремнію, вуглець зустрічається в природі як у вільному стані у виді простих речовин (алмаз, графить), так і в зв'язаному - у виді численних мінералів: карбонатів, нафти, торфу, природного газу, сланців, вугілля й ін. Вуглець міститься в атмосферному повітрі у виді вуглекислого газу (об'ємна частка 0,03 %). Крім того, усі рослинні і тварини організми складаються з речовин, в утворенні яких головна роль належить вуглецю. У гідросфері оксид вуглецю(ІV) З2 у розчиненому виді міститься в деяких мінеральних водах (Свалява, Лужанская, Єсентуки, Боржомі). Отже, цей елемент-один з найбільш розповсюджених на В літосфері, атмосфері, гідросфері, хоча загальний зміст його і невелика.

Речовини, що містять у своєму складі вуглець, прийнято називати органічними.

Виключення складають оксиди вуглецю, карбіди, вугільна кислота, карбонати і деякі інші з'єднання вуглецю, що вважаються неорганічними.

Розмаїтість і величезна кількість органічних речовин обумовили вимеленим хімії з'єднань вуглецю, тобто органічної хімії, в окремий розділ сучасної хімії, до вивчення якого ви приступаєте.

Глава ІІ

ОРГАНІЧНІ СПОЛУКИ

§ 27. ЩО ТАКЕ ОРГАНІЧНОЇ СПОЛУКИ

Ви вже знаєте, що серед з'єднань різних елементів окрему групу складають ті, котрі утворені вуглецем, так називані органічні сполуки. Це слово не випадкове має загальний корінь зі словом "організм". Ще на початку XІ ст., коли був уведений цей термін, вважалося, що органічні речовини можна виділяти з продуктів рослинного і тваринного походження і вивчати їх у готовому виді, але неможливо одержати в лабораторії з інших речовин, тобто хімічним способом. Існувала навіть так називана віталістична теорія, відповідно до якої органічні речовини утворяться під впливом "життєвої сили" (від лат. vіs vіtalіs), що діє тільки в організмі.

Дійсно, живі організми є як би хімічними лабораторіями, у яких утворяться і розпадаються органічні речовини. Однак, як виявилося, їх можна одержати й у лабораторних умовах. Уперше це було доведено в 1828 р., коли німецький хімік Ф. Вслер синтезував сечовину - продукт життєдіяльності тваринних організмів. Пізніше була синтезована оцтова кислота, жири, цукриста речовина. У 1882 р. И. Я. Горбачовський синтезував сечову кислоту. Так хімічна наука розвінчала віталістичні представлення.

Згодом була розроблена безліч способів одержання органічних речовин шляхом синтезу, у тому числі з неорганічних речовин. Але назва "органічні речовини" збереглося, і ціла галузь хімічної науки," яка вивчає з'єднання вуглецю, традиційно називається органічною хімією.

ГОРБАЧОВСЬКИЙ ІВАН ЯКОВИЧ

(1854-1942)

Український учений, академік. Народився в Україні, працював у Відні, Празі, професор, ректор Українського університету в Празі. Наукові праці стосуються органічній хімії і біохімії. Уперше синтезував сечову кислоту і з'ясував шляху її утворення в організмі. Висловив думку про амінокислотний склад білків. Уніс вклад у розвиток української наукової термінології. Автор підручників з хімії українською мовою.

Навколо нас переважають органічні речовини: з них виготовлені меблі, одяг, взуття; харчові продукти - жири, також належать до органічних сполук. Папір для книжки, що ви зараз читаєте, виготовлена з целюлози, що є органічною речовиною. В основі рослинних і тваринних організмів лежать органічні речовини, а життєво важливі біохімічні процеси, що відбуваються в них, є реакціями між органічними сполуками.

Люди здавна використовували органічні речовини і реакції між ними. Обробкою жирів рослинною золою одержували ми-органічне з'єднання, використовували барвники рослинного і тваринного походження - індиго, пурпур і інші. Вино, оцет виготовляли шумуванням виноградного соку (при цьому взаємодіють органічні речовини). До складу засобів древньої медицини і косметики також входили органічні сполуки.

Якої ж особливості з'єднань вуглецю обумовлюють вивчення їх окремо від з'єднань інших елементів? Насамперед, з'єднань вуглецю в багато разів більше, ніж тих, котрі його не містять. В даний час відомо понад 10 мільйонів органічних речовин. Щорічно їхня кількість поповнюється 200-300 тисячами нових, отриманих синтетично. Помітьте, що неорганічних речовин відомо усього лише близько 200 тисяч.

Атоми вуглецю здатні послідовно з'єднуватися між собою, утворити молекули різноманітної форми: лінійні і розгалужені, довгі і короткі, ланцюжки і кільця. Наприклад:

Завдяки такій розмаїтості будівлі речовини мають різноманітні властивості. Наприклад, молекули полиэтилена мають форму нерозгалужених вуглецевих ланцюгів, а молекули аспірину - форму шестичленних вуглецевих кілець.

Є з'єднання, що містять у молекулі один атом вуглецю, а є такі, до складу яких входять тисячі цих атомів. Крім них, молекули органічних сполук містять атоми водню, кисню, азоту, галогенів, сірки, фосфору і деяких інших елементів.

На відміну від неорганічних речовин якісний склад органічних сполук обмежений, зате кількісний - значно богаче.

Валентність більшості елементів у неорганічних з'єднаннях перемінна (згадаєте з'єднання, у яких сірка, фосфор, азот мають різну валентність), а елементи органічних сполук виявляють значно менше валентних станів. Вуглець, водень, кисень в органічних речовинах узагалі мають постійну валентність.

Більш різноманітні і види хімічного зв'язку в неорганічних речовинах -іонна, ковалентна, металева. Органічні ж речовини утворяться в більшості випадків за допомогою ковалентних зв'язків, хоча є серед них і іонні з'єднання.

Кристалічні ґрати більшості органічних сполук молекулярні, тому вони легкоплавкі, багато хто з них мають запах. На відміну від тугоплавких, стійких до нагрівання неорганічних речовин (температура плавлення хлориду натрію складає 800 °С), органічні згоряють з утворенням води, вуглекислого газу і виділенням чи теплоти розкладаються при нагріванні до 300- 400 "С. Горючість органічних речовин обумовлює їхній використання у виді палива і пального (вугілля, деревина, гас, бензин і ін.).

Проводячи реакції між неорганічними речовинами, ви часто використовували їхні водяні розчини. Органічні ж речовини переважно не розчиняються у воді. Наприклад, для видалення жирних плям на тканині необхідно застосувати спеціальні органічні розчинники, а не воду.

Вивчаючи хімічні властивості неорганічних речовин, ви спостерігали утворення опадів, газів, зміна фарбування й ін., при цьому ефект виявлялася відразу ж після змішування речовин, тобто реакції відбувалися швидко, практично миттєво. Органічні речовини реагують між собою, як правило, повільно, до того ж реакції можуть мати кілька напрямків, з утворенням різних продуктів.

Однак, незважаючи на істотні розходження між органічними і неорганічними речовинами, поділ їх на двох груп дуже умовно. Утворення і реакції органічних речовин підкоряються тим же законам, що і неорганічних речовин. Серед органічних речовин є розчинні у воді з'єднання, електроліти (наприклад солі органічних кислот), є термоустойчивые (з них, наприклад, виготовляють термоустойчивую посуд).

Органічні і неорганічні речовини поєднує і те, що вони можуть взаємно перетворюватися. Згадаєте круговорот речовин у природі. Наприклад, азот, що міститься в органічних залишках, у процесі їхнього окислювання і розкладання переходить до складу з'єднань, що відносяться до неорганічних, зокрема, в аміак. З іншого боку, азотсодержащих мінеральні добрива засвоюються рослинами, і азот переходить до складу органічних речовин. У такий же спосіб можна простежити перетворення з'єднань ' вуглецю, кисню, водню, фосфору.

Розрізняють органічні речовини, що існують у чи природі виділені з природної сировини, і ті, котрі утворені синтетичними шляхом, за допомогою хімічних перетворень з інших органічних чи неорганічних речовин. До природних органічних продуктів належить нафта, природний газ, вугілля, тобто корисні копалини органічної природи, продукти рослинного походження, такі як деревина, цукор, крохмаль, ростительные олії, природний каучук, волокна бавовни, льна, продукти тваринного походження - амінокислоти, білки, жири, волокна вовни. Багато органічних речовин містить планктон.

До синтетичних органічних продуктів належать пластичні маси, синтетичні волокна і каучуки, хімічні засоби захисту рослин, лікарські препарати, барвники, мило й інші миючі засоби, фотоматеріали, ароматичні і смакові речовини і багато хто

інші.

Синтетична органічна хімія подарувала людству величезна кількість речовин, що не існують у природі, до того ж значно більш дешевих у порівнянні з виділеними з природної сировини. Розпитаєте людей похилого віку, як змінилися протягом їхнього життя матеріали, з яких виготовляють одяг, предмети побуту, які зміни відбулися на транспорті, у будівництві, у готуванні і збереженні їжі, у пранні і чищенні одягу й ін. Ви переконаєтеся, що продукти органічної хімії змінили наше життя, зробили її комфортніше.

Завдання для самоконтролю

144. Який елемент складає основу органічних сполук?

145. Яка подія в науці прийнято вважати початком розвитку синтетичної органічної хімії?

146. Поясните умовність терміна "органічна хімія".

147. Чому, на вашу думку, кількість органічних речовин значно переважає над кількістю неорганічних речовин?

148*. У чому розходження між органічними і неорганічними речовинами? Складіть порівняльну таблицю по ознаках, що розглядалися в тексті параграфа.

149. Розглянете предмети навколо вас. Які з них, але вашій думці, виготовлені з органічних речовин?

§ 28. МЕТАН

Склад і будівля молекули метану. Найпростішою органічною сполукою, до складу якого входять тільки один атом вуглецю і чотири атоми водню, є метан. Його молекулярна формула СН₄.

• Згадаєте електронну будівлю атомів вуглецю і водню.

На зовнішньому електронному рівні атома вуглецю в збудженому стані містяться чотири неспарених електрони, завдяки яким можуть утворитися чотири ковалентні зв'язки з іншими атомами, тобто вуглець виявляє валентність чотири. Атоми водню мають по одному електроні і є одновалентними. Надаючи в загальне користування чотири електрони, вуглець утворить чотири ковалентні зв'язки з чотирма атомами водню.

Позначивши валентні електрони крапками, одержимо електронну формулу метану:

Замінимо крапки, що позначають електронні пари, рисками - одержимо структурну формулу метану:

Фізичні властивості метану і його поширення в природі. При нормальних умовах метан-газ, безбарвний, без запаху, майже вдвічі легше повітря. У воді майже не розчиняється, але добре розчинний в органічних розчинниках.

Природний газ, що надходить у газову магістрату на 98 % складається з метану і має, як ви знаєте, неприємний запах. Він створюється штучно додаванням спеціальних речовин, що пахнуть.

• З якою метою, на вашу думку, їх використовують?

У природі метан утвориться в результаті гниття рослинних залишків без доступу повітря. Метан можна спостерігати на болотах у виді пухирців на поверхні води (болотний газ). У вугільних шахтах є рудничний газ - це теж метан.

Як основа природного газу метан утворився в надрах Землі, імовірно, у результаті взаємодії розпечених карбідів металів з водяною парою.

Метан є не тільки на Землі. Він складає основу атмосфери планет Юпітер і Сатурн.

Хімічні властивості метану. З одним з хімічних властивостей метану ви знайомі в побуті - реакцією горіння. Це основна реакція, що відбувається при згорянні природного газу, що надходить по газопроводу. У результаті згоряння метану, як і інших органічних речовин, утворяться вода і вуглекислий газ:

Продукти реакції можна знайти за допомогою досвіду. Якщо підпалити метан, зібраний у циліндрі, чи опустити газо обводнюю трубку з полум'ям метану в скляний циліндр, то через деякий час можна помітити утворення вологи на стінках циліндра. Вапняна вода, додана в циліндр, каламутніє. Виходить, у результаті горіння метану виділяються вода і вуглекислий газ. Ці продукти утворилися з вуглецю і водню, що входять до складу метану. Досвід підтверджує якісний склад цього з'єднання.

• Згадаєте, як відбувається реакція вуглекислого газу з вапняною водою. Складіть рівняння реакції. Чому вода каламутніє?

Горіння метан-ця взаємодія з киснем, що відбувається до повного окислювання. Крім продуктів окислювання, виділяється велика кількість теплоти. Повне рівняння реакції горіння метану записується так:

• Згадаєте, як називаються реакції, що відбуваються з виділенням теплоти.

У випадку недоліку кисню метан окисляється не цілком, і замість оксиду вуглецю(ІV) утвориться вуглець (у виді сажі) і оксид вуглецю(П). Це дуже токсична речовина без запаху і кольору. Варто знати, що в умовах неповного окислювання метану його полум'я здобуває жовте фарбування завдяки розпеченим часткам вуглецю, що утвориться при розкладанні метану.

• Згадаєте, чому чадний газ отрутний. Яким образом можна уберегтися від отруєння їм?

Метан у суміші з чи киснем повітрям вибухонебезпечний. Вибух може відбутися навіть від іскри, якщо концентрація метану досягає критичної; саме тому варто дотримувати правил безпеки, постійно провітрювати приміщення, у яких установлені газові опалювальні прилади.

При звичайних умовах метан не окисляється таким окислювачем, як перманганат калію КМnО₄. Якщо через його розчин пропустити метан, фіолетове фарбування не зникне, реакція не відбудеться. Не діють на метан кислоти і лугу.

При нагріванні метану до високої температури (вище 1000 °С) без доступу кисню відбувається реакція розкладання з утворенням вуглецю і водню:

Метан реагує з хлором Сl₂. При висвітленні скляної судини із сумішшю цих двох газів ультрафіолетовим чи світлом при нагріванні відбувається реакція хлорування метану:

На розсіяна сонячна світло реакція відбувається повільно: можна спостерігати поступове зникнення жовто-зеленого фарбування хлору, що витрачається на взаємодію з метаном.

По хімічному характері це реакція заміщення. Вона не припиняється на першій стадії, а відбувається до повного заміщення атомів водню:

• Напишіть рівняння приведених реакцій за допомогою молекулярних формул.

Сумарне рівняння повного хлорування метану:

На практиці утвориться суміш з'єднань, так званих хлор похідних метану.

На підставі викладеного вище зробимо висновки щодо хімічної активності метану. Для того щоб він прореагировал, необхідно нагріти його до високої чи температури підпалити, застосувати такий активний реагент, як хлор. Таким чином, метан - досить інертне з'єднання. Для нього характерні реакції заміщення, він не вступає в реакції приєднання.

Застосування метану. Хоча склад метану як основи болотного і рудничного газів був визначений на початку XІ ст., його широке застосування почалося тільки спусти сто років. Завдяки теплоті, що виділяється в результаті згоряння метану, він використовується як відносно дешеве паливо в побуті і багатьох промислових процесах.

Широко приганяються продукти хімічних перетворень метану: вуглецю(сажа)-для виготовлення гуми, типографських фарб, у синтезі аміаку; хлор-метан використовується в органічному синтезі; дихлорметан, трихлорметан - розчинники; трихлорметан (інша назва - хлороформ) тривалий час використовувався в медицині при хірургічних операціях; тетрахлоретан - засіб гасіння вогню. Продукти неповного окислювання метану є вихідними для виготовлення пластмас, використовуються в органічному синтезі.

Завдання для самоконтролю

150. Як можна довести досвідченим шляхом хімічний склад метану?

151. Завдяки якій властивості метану його можна спостерігати у виді пухирців на поверхні заболочених водойм?

152. Який тип зв'язків між атомами в молекулі метану?

153. У які реакції вступає метан? Напишіть рівняння, визначите типи реакцій.

154. Метан можна синтезувати з простих речовин. Складіть рівняння реакції. Чи має вона практичне значення? Теоретичне? Дайте пояснення.

155. Складіть електронні формули хлор похідних метану.

156. Обґрунтуйте хімічними властивостями області застосування метану.

157. Метан містить 5 % (по обсязі) непальних домішок. Для одержання 2670 кДж теплоти необхідно спалити такий газ в обсязі (н.у.)

(1) 67,2 л; (3) 22,4 л;

(2) 70,7 л; (4) 11,2 л.

§ 29. ГОМОЛОГИ МЕТАНУ

Склад і будівля молекул гомологів метану. Ви вже знаєте, що атомам вуглецю властиво з'єднуватися між собою з утворенням ланцюгів. Якщо два атоми вуглецю з'єднуються між собою ковалентним зв'язком, надаючи в загальне користування по одному електроні, то в кожного з атомів залишається по трьох електрона, здатних утворити загальні електронні пари з трьома атомами водню. Хімічний склад такого з'єднання С₂Н₆. Його електронна і структурна формули:

Це з'єднання називається етаном.

Запишемо електронну і структурну формули з'єднання вуглецю і водню, у якому містяться три послідовно з'єднаних вуглецевих атоми, пам'ятаючи при цьому, що вуглець чотирьох -, а воден-одновалентний:

Молекулярна формула пропану (а саме так називається це з'єднання) С₃Н₈.

Структурні формули можна записувати в спрощеному виді. Наприклад, для стана СН₃—СН₃, для пропану СН₃— CH2— СН3.

Оскільки до складу приведених з'єднань входять лише атоми вуглецю і водню, цілком, до межі свої валентності, що використовували, (інакше кажучи, валентності атомів вуглецю цілком насичені атомами водню), такі з'єднання називаються граничними, чи насиченими вуглеводнями. До них належить і метан.

У таблиці 3 приведені характеристики граничних вуглеводнів у порядку зростання числа атомів вуглецю в молекулах. Назви з'єднань цього ряду, починаючи з пентану, обмазується від грецький числівників додатком суфікса -АН.

Таблиця 3. Граничні вуглеводні

Назва з'єднання	Молекулярна формула	Структурна формула (скорочена)	tкип., º С
Метан	СН4		-162
Етан	С2Н6	СН3—СН3	-39
Пропан	С3Н8	СН3-—СН2—СН3	-42
Бутан	С4Н10	СН3—(СН2)2—СН3	-0,5
Пентан	С5Н12	СН3—(СН2)3—СН3
Гексан	С6Н14	СН3—(СН2)4—СН3
Гептан	С7Н16	СН3—(СН2)5—СН3
Октан	C8H18	CH3—(CH2)6—CH3
Нонан	С9Н20	СН3—(СН2)7—СН3
Декан	С10Н22	СН3— (СН2)8— СН3

Структурні формули, якими часто користаються в органічній хімії, є площинними схемами молекул, що відбивають тільки послідовність розміщення атомів у молекулах. Реальне ж їхня будівля відрізняється від схематичного зображення, оскільки атоми розміщаються в тривимірному просторі. Виявляється, що молекула метану має форму правильної тригональний

піраміди (тетраедра). Якщо атом вуглецю вписати в середину цієї геометричної фігури, то чотири валентні зв'язки будуть спрямовані під кутом 109,5° до вершин тетраедра, де розміщаються атоми водню (мал. 13).

Тетраэдрическое напрямок зв'язків дозволяє валентним електронам знаходитися на максимальній відстані друг від друга. Така будівля молекул обумовлена електронною будівлею атома вуглецю і підтверджується фізико-хімічними дослідженнями.

Реальна будівля молекул можна передати за допомогою моделей. Для збирання моделей атоми вуглецю і водню виготовляють у виді кульок, а хімічні у виді стрижнів, тому такі моделі називаються шару стержневими (мал. 14, м; мал. 15, г).

Використовують також масштабні моделі, у яких різ-

міри атомів і зв'язків передаються точніше, пропорційно реальним розмірам молекул (мал. 14, д; мал. 15, д).

Спробуємо зібрати модель молекули пентану, дотримуючи тетраэдрического напрямку хімічних зв'язків атомів вуглецю (під кутом 109,5" друг до друга). Ми помітимо, що ланцюг вуглецевих атомів являє собою не пряму, а зиґзаґоподібну лінію (мал. 16, а).

У молекулі навколо простих вуглець - вуглецевих зв'язків при звичайних умовах можливо вільне обертання. У результаті цього молекула може приймати й інші форми, як показано на мал. 16, б, в. Зиґзаґоподібне строєний найбільше енергетично вигідно, оскільки атоми в цьому випадку максимально віддалений друг від друга. Варто пам'ятати, яку б форму ні здобував кут-рідний ланцюг, послідовність з'єднання атомів у молекулі залишається у всіх випадках однієї і тієї ж, що і виражається структурною формулою.

Фізичні властивості граничних вуглеводнів. Агрегатний стан речовин рада, родоначальником якого являться метан, змінюється поступово від газоподібного до твердого (при звичайних умовах) зі збільшенням числа атомів вуглецю в молекулі. Як свідчать приведені в таблиці 3 константи, перші чотири з'єднання при обачних умовах - гази, далі випливають рідини, а починаючи з вуглеводню складу С₁₈Н₃₈ (у табл. не приведений) - тверді речовини. Граничні вуглеводні не розчиняються у воді, але розчинні в органічних розчинниках.

Основне природне джерело граничних вуглеводнів - нафта. Про витяг вуглеводнів з нафти ви довідаєтеся пізніше.

Хімічні властивості граничних вуглеводнів. По хімічних властивостях ці вуглеводні дуже схожі на метан: горять, розкладаються при нагріванні, реагують із хлором, не вступають у реакції приєднання:

• Порівняєте ці реакції з реакціями метану.

Усі ці реакції відбуваються при визначених додаткових умовах: нагріванні до температури чи розкладання загоряння, дії світла.

При звичайних умовах граничні вуглеводні досить інертні, не реагують з кислотами, лугами, не окисляються таким сильним окислювачем, як перманганат калію. У цьому можна переконатися на досвіді, діючи на різні граничні вуглеводні розчинами названих речовин.

Саме хімічною стійкістю граничних вуглеводнів, відносною інертністю порозумівається їх інша назва - парафіни (від лат. рапип -мало, affіnіs - спорідненість).

Таким чином, граничні вуглеводні, чи парафіни, мають подібні властивості, хоча і відрізняються друг від друга кількісним складом молекул. Уважно розглянувши таблицю 3, ви заметете, що це розходження виражається кількістю груп СН₂:

З'єднання, що мають подібну будівлю молекул і подібні хімічні властивості, але отличаются між собою по складу на одну чи кілька груп СН₂, називаються гомологами, а ряд з'єднань - гомологическим поруч (від греч. слова, що означає відповідність).

Група СН₂ - гомологическая різниця складу.

Явище гомології дуже поширено серед органічних речовин. Розглянуті нами метан, етан, пропан, бутан і інші вуглеводні належать до гомологическому ряду метану. Далі ви ознайомитеся з іншими гомологическими рядами.

Загальна формула граничних вуглеводнів С_яН_2я+2- знаючи неї, можна вивести формулу кожного з цих з'єднань. Наприклад, формула граничного вуглеводню, що містить 15 атомів вуглецю, С₁₅Н₃₂ (пентадскан).

Завдання для самоконтролю

158. Які з'єднання називаються граничними вуглеводнями?

159. Приведіть загальну формулу граничних вуглеводнів.

160. Відстаньте молекулярну, структурну (скорочену) формули гомолога метану, що містить дванадцять атомів вуглецю.

161. Як називається граничний вуглеводень, що має відносну молекулярну масу 114? 72?

162. Яка зі структурних формул відповідає гексану:

163. Яка зі структурних формул найбільше наближається до реального розміщення атомів у просторі:

164. Чи можна змити водою нафтова пляма з тканини? Чому?

165. У чому відмінність між молекулярною і структурною формулами? Між структурною формулою і моделлю? Між шару стержневій і масштабної моделями?

166. Чи існує залежність між агрегатним станом гомологів метану і їх відносною молекулярною масою? Зробіть пояснення.

167. Намалюйте графік зміни температури кипіння гомологів метану. Продовжите графік пунктиром. Яку температуру кипіння можна допустити для з'єднання складу С1₄Н₃₀?

168*. Користаючись довідником, спробуйте визначити закономірність у зміні щільності п ряду гомологів метану.

169. Назвіть загальні і відмітні ознаки гомологів.

170. Чи виправдане хімічно інша назва граничних вуглеводнів - парафіни? Доведіть це.

171. Парафін для свіч складається переважно з вуглеводню, що містить у складі молекули 25 атомів вуглецю. Складіть молекулярну формулу з'єднання і рівняння реакції його горіння.

172. Етан реагує з

(1) сульфатною кислотою; (3) киснем;

(2) вапняною водою; (4) лугом.

173*. Проаналізуйте дані, приведені в таблиці 4. Яким образом теплота згоряння зв'язана зі складом молекул парафінів?

Таблица 4. Теплота сгорания углеводородов

Название	Формула	Теплота згорання кдж/моль
Метан	СН4
Етан	С2Н6

Продолжение табл. 4

Назва	Формула	Теплота згоряння кДж/моль
Пропан	С3Н8
Бутан	С4Н10
Центам	С5Н12
Гексан	С6Н14
Гептан	С7Н16
Октан	С8Н18

174*. Чому, але вашій думці, і побутових газових балонах використовують пропан-бутанові суміш, а не метан?

175*. На основі даній, приведених і таблиці 4, і з огляду на, що теплота згоряння вугілля (у перерахунку на чистий вуглець) складає 394 кдж/моль, поясните, який чи метан доцільніше (по масі) використовувати як паливо в побуті. Які переваги і недоліки кожного з цих видів палива?

§ 30. ТЕОРІЯ ХІМІЧНОЇ БУДІВЛІ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК

У молекулах гомологів метану атоми вуглецю послідовно з'єднуються в ланцюзі. Спробуємо зібрати модель молекули бутану З4Н10, з'єднавши між собою чотири атоми вуглецю в іншій послідовності, але при збереженні їхній четырех валентного.

Лабораторна робота 6

Виготовлення моделей молекул бутану й ізобутану

Моделі молекул можна зібрати з деталей стандартного набору заводського чи виготовлення зробити з пластиліну і сірників.

Вам знадобиться пластилін двох квітів. Виготовте четові кульки одного кольору більшого діаметра (атоми вуглецю) л десять кульок іншого кольору меншого діаметра (атоми водоводу). З'єднаєте послідовно за допомогою сірників хімічні зв'язки) кульки більшого діаметра, потім приєднаєте до них кульки меншого діаметра.

Зміните послідовність з'єднання атомів вуглецю і приєднаєте до них атоми водню.

Ви переконалися, що атоми можуть з'єднуватися в послідовності, який відповідають такі структурні формули (рис 17).

Для пентану С₅Н1₂ можливі три варіанти будівлі (мал. 18).

Виявляється, ці формули належать різним речовинам з різними властивостями, про що свідчать приведені константи. Однаковий у цих речовин тільки склад молекул.

З'єднання, що мають однакову молекулярну формулу, але різна будівля і різні властивості, називаються ізомерами (від греч. изос - однаковий і мером - частина)

Ми розглянули приклади так називаної структурної ізомерії, обумовленої будівлею вуглецевого кістяка.

Явище ізомерії свідчить про існування взаємозв'язку між будівлею і властивостями органічних сполук. Цей взаємозв'язок пояснює теорія химического

будівлі органічних сполук, автором якого є видатний росіянин вчений А. М. Бутлеров.

Теорія говорить, що атоми в молекулі розмішаються не безладно, а у визначеному порядку відповідно до їхньої валентності. Кожна речовина має властиву тільки йому послідовність з'єднання атомів у молекулі, тобто хімічна будівля, що виражається структурною формулою, чи формулою будівлі. Атоми в молекулі впливають один на одного.

Властивості органічних речовин визначаються складом і хімічною будівлею їхніх молекул.

Дане положення теорії Бутлерова є хімічним законом.

Явище ізомерії було відомо до А. М. Бутлерова, але не мало наукового пояснення. Бутлеров ввів у науку поняття хімічної будівлі і, керуючись теорією, допустив, що для молекули складу З4Н10 можливі два варіанти розміщення атомів, тобто повинні існувати два бутани з різною хімічною будівлею. Учений синтезував невідомий на той час ізобутан, що, як і очікувалося, відрізнявся по властивостях від бутану. Цим і іншим синтезами була доведена справедливість теорії хімічної будівлі органічних речовин.

• Згадаєте, які наукові передбачення були зроблені Д. И. Менделєєв на підставі періодичного закону. Чи здійснилися вони? Про що це свідчить?

Теорія хімічної будівлі, сформульована А. М. Бутлеров у 1861 р., засвідчила існування взаємозв'язку між хімічною будівлею органічних сполук і їхніх властивостей. Це положення було значно поглиблене, коли науці відкрилася внутрішня будівля атомів і молекул. Виявилося, що властивості речовин обумовлюються не тільки хімічним, але й електронним, а також просторовою будівлею молекул. У сучасному трактуванні основне положення теорії будівлі (закон) формулюється так:

Властивості органічних речовин визначаються складом, хімічною, електронною і просторовою будівлею їхніх молекул.

Таким чином, щоб охарактеризувати речовина відповідно до сучасної теорії будівлі, необхідно вказати його якісний і кількісний склади, порядок з'єднання атомів,у молекулі, форму і розмір молекул, розподіл електронів у молекулах.

Закономірність взаємозв'язку будівлі речовин і їхньої властивостей поширюється не тільки на фізичні і хімічні властивості, але і на біологічні функції. Цей взаємозв'язок лежить в основі конструювання речовин з необхідним комплексом технічних, біологічних чи інших характеристик, наприклад барвників, полімерів, лікарських препаратів, засобів захисту рослин.