Автор: Головко Ю.С. Набиуллин А.Р. Хвалюк В.Н.
Теги: химия химические науки
ISBN: 978-985-557-020-3
Год: 2013
Текст
Игра-конкурс по химии «Белка»
организована и проводится
Общественным объединением
«Белорусская ассоциация «Конкурс»
совместно с Государственным
учреждением образования «Академия
последипломного образования»
при поддержке Министерства
образования Республики Беларусь
Адреса и телефоны оргкомитета
игры-конкурса «Белка»:
220013, г. Минск, ул. Дорошевича, 3
телефакс (017) 292 80 31,290 0153
e-mail: info@bakonkurs.by
Сайт оргкомитета игры-конкурса
«Белка» в Интернете:
http: / / www.bakon ku rs. by /
ISBN 978-985-557-020-3
Ю. С. Головко, А. Р. Набиуллин, В. Н. Хвалюк, Д. Г. Шклярук
КРЕПКИЙ ОРЕШЕК
Рис. 1. Газоразрядные трубки
< бла1 сродными । азами в действии
Непрерывный спектр
Спектр испускания
Рис. 2. Принцип получения
спектров поглощения и испускания
КРЕПКИЙ
ОРЕШЕК
Химия для всех
Учебно-методическое пособие
Минск
«Белорусская ассоциация «Конкурс»
2013
УДК 54(075.3)
ББК 24я721
К79
Ав торы:
ГоловкоЮ. С., Набиуллин А. Р.,
Хвалюк В. Н., Шклярук Д. Г.
Книга издана за счет взносов участников конкурса
Распространяется бесплатно
Крепкий орешек : химия для всех : учебно-методичес-
К79 кое пособие / Ю. С. Головко [и др.]. - Минск : Белорус, ас-
соц. «Конкурс», 2013. - 80 с. : ил.
ISBN 978-985-557-020-3.
В данном издании приводятся задания пробной игры-конкурса по
химии «Белка», ответы к ним, а также другой познавательный материал
с целью развития и поддержки интереса у школьников к химии.
Издание адресовано учащимся 7-11 классов общеобразователь-
ных учебных заведений, а также их учителям и родителям.
УДК 54(075.3)
ББК 24я721
ISBN 978-985-557-020-3
© Головко Ю. С., Набиул-
лин А. Р., Хвалюк В. Н.,
Шклярук Д. Г., 2013
© Оформление. ОО «БА
«Конкурс», 2013
ПРЕДИСЛОВИЕ
В 2012 году в Беларуси после паузы вновь была проведена игра-
конкурс по химии « БЕЛКА». Это мероприятие по своему формату
во многом сходно с известным международным математическим
конкурсом ♦КЕНГУРУ». Основным требованием к участникам
интеллектуального состязания была честная и самостоятельная
работа над заданиями. Формат конкурса достаточно прост - за
75 минут необходимо ответить на 30 вопросов. Правда, в отличие
от успевшего стать нарицательным ЦТ, где можно безболезненно
играть в лотерейку, регламент конкурса ставил перед школьни-
ками преследующую каждого из нас в обычной жизни проблему
выбора: стоит ли давать ответ (поступать определенным образом),
если у тебя нет в нем уверенности, поскольку по условию конкур-
са за вопрос, оставшийся без ответа, баллы не добавлялись и не
вычитались, а вот за неверный ответ участник лишался четверти
баллов, предусмотренных за данное задание. Первые результаты
порадовали организаторов конкурса и авторов заданий.
Задания конкурса формально были ориентированы на уча-
щихся 7-9-х классов. В реальности же работать над ними может
любой - как младшеклассник, так и человек, считающий свое об-
разование завершенным. Хотя ряд вопросов и выходит за рамки
школьной программы соответствующих классов, организаторы
нив коей мере не преследовали цели ♦ посадить кого-либо в лужу ».
Более того, мы считаем пресловутые ♦голы, очки, секунды» лишь
полезной вспомогательной составляющей игры-конкурса, пусть
каждому и присуще желание проявить себя, доказать, что ты на
многое способен. Если Вы попробуете ответить на вопросы кон-
курса, а затем посмотрите ответы и пояснения к ним, то поймете,
что во главу угла мы ставили желание показать, что химия - во-
круг нас, надо только заметить ее; что явления подчиняются опре-
деленным законам, надо только подумать - они перестанут ка-
заться загадочными. Давайте взглянем на картинку внизу. Один
увидит на ней просто мазню (подобную той, что нынче продают на
аукционах за сотни миллионов долларов), второй - прекрасную
незнакомку, третий - мерзкую старуху, четвертый - что-то еще.
Так и научное открытие: оно происходит, когда находится чело-
век, замечающий то, мимо чего проходят остальные.
3
Надеемся также, что игра-конкурс утвер-
дит участников в решимости приобрести до-
полнительные околохимические знания.
Помимо фактической победы в конкурсе,
каждый одерживает ряд важнейших побед
над собой: не струсить сравнить себя со свер-
стниками, не побояться признаться себе в
том, что чего-то не знаешь. Классики утверж-
дали: «Жизнь - игра». Этот конкурс, как и
жизнь, напоминает замечательную детскую
игру - «Царь горы»: важно определиться, на что ты готов пойти,
чтобы окааа'1 вся наверху. У Вас есть уникальная возможность вы-
бра ь для себя естественнонаучное (и в частости, химическое)
образование. Оно, как ни одно другое, развиваег критическое
мышление и способность проникнуть в суть происходящих вокруг
явлений, независимо от их природы. Возможно, занятие химией
по выглядит столь притягательно, как занятие мерчендайзингом,
леи истиной, менеджментом или дизайном. Только практика пока-
зывает, что люди с естественнонаучным образованием успешно ра-
ботают банкирами, дипломатами, программистами, криминали-
стами, тогда как обратные примеры практически не встречаются.
Если Вы сможете перенести подход, использованный при ответе
на вопросы игры-конкурса, в повседневную жизнь, то, пожалуй,
поймете, что новая зубная паста не сделает зубы на 200% крепче,
новый шампунь - волосы на 70% шелковистее, новый крем с на-
ночастицами не избавит от всех морщин от лица до ягодиц, а так-
же избежите участи кирпичика очередной «пирамиды».
Данная книга содержит задания конкурса «БЕЛКА-2012»,
ответы и подробные комментарии к ним, а также дополнитель-
ный материал по ряду затронутых вопросов и проблемы для са-
мостоятельного осмысления. Авторы книги и организаторы на-
деются на дальнейшее плодотворное взаимодействие в рамках
новых конкурсов, а также на то, что данное издание послужит
делу укрепления у участников иммунитета к вирусу шарлатан-
ства, поразившему современный мир.
Будем признательны всем, кто выскажет замечания и предло-
жения как по данной книге, так и по заданиям конкурса, которые
можно направлять по адресу: 220030, г. Минск, ул. Ленинград-
ская, 14, Химический факультет БГУ; а также по электронной
почте superhimiki@tut.by или info@bakonkurs.by.
4
ПРОБНЫЙ КОНКУРС «БЕЛКА»
(16 мая 2012 года)
Задания для учащихся
7-9 классов
1. Пришел старик к берегу моря, позвал золотую рыбку
и молвил: «Совсем замучила меня старуха. Узнай, говорит,
какое примерное число молекул воды на Земле, если ее за-
пасы составляют 1,4 миллиарда кубических километров».
Что ответила ему золотая рыбка?
А) 1024. Б) 1045. В) 1047. Г)1051. Д) 1060.
2. Какой из металлов древний человек «приручил»
раньше других?
А) Медь. Б) Цинк. В) Железо.
Г) Алюминий. Д) Молибден.
3. Воспользовавшись трактатом алхимика Альберта
Великого, Незнайка получил кальцинированную соду.
Основным веществом в полученном им продукте является:
A) NaOH. Б) NaHCO3. В) Na2CO3.
Г) СаСО3. Д) К2СО3.
4. Какой из следующих наблюдаемых эффектов обу-
словлен химическим, а не физическим явлением?
А) Просветление мутной воды при отстаивании.
Б) Покраснение томата при созревании.
В) Газообразование при помещении сухого льда в воду.
Г) Ослабевание блеска при отвердевании расплавленного
олова.
Д) Разложение белого света в спектр призмой из диоксида
кремния.
5. Злобный Карабас Барабас решил сжечь попавшиеся
ему под руку в химической лаборатории вещества: гра-
5
фит (1), метан (2), аммиак (3), наночастицы кремния (4).
Вода не выделялась при сжигании образцов:
А) 1 и 2; Б)3и4; В)1и4; Г) 2 и 3; Д) 1,3 и 4.
6. Вода химическим количеством 1 моль при 298 К и ат-
мосферном давлении занимает объем:
А) 22,4 л; Б) чуть более 22,4 л;
В) чуть менее 1 л; Г) около 0,018 дм3;
Д) зависит от формы сосуда.
7. В тридевятом царстве решили наладить химическое
производство. Какой продукт надо выбрать для получе-
ния, чтобы его состав оказался абсолютно таким же, как и
во всех соседних царствах-государствах?
А) Бензин. Б)Глицерин.
В) Полиэтилен. Г) Водка. Д) Чугун.
8. Для полоскания горла при простуде доктор Айболит
рекомендовал страусятам использовать водный раствор,
приготовленный из поваренной соли и питьевой соды.
В состав раствора для полоскания входят атомы следу-
ющих химических элементов:
А)П,С,О, Na, С1; Б)Н,О, Na, С1;
В) И. С, О, Na, Cl, К; Г) Н, С, О, Са, Cl;
Д)Н, О, Na, Cl, К.
9. Винни Пух любит добавлять 8 чайных ложек саха-
ра С12Н22ОП на стакан чая. Какое химическое количество
сахара потребляет Винни Пух ежедневно, если за день
он выпивает пять стаканов чая, а чайная ложка вмещает
5,0 г сахара?
А) 200 моль. Б) 585 ммоль. В) 0,80 моль.
Г) 0,59 кмоль. Д) 40 г.
10. Решил Незнайка лично исследовать все известные
кислоты. Что общего он обнаружил у этих кислот?
А) Все они твердые при комнатных условиях.
Б) Все они хорошо растворимы в воде.
В) Все кислоты содержат атомы водорода.
6
Г) Растворы всех кислот бесцветны.
Д) Все кислоты токсичны для человека.
11. Незнайка налил концентрированные водные раство-
ры пяти кислот в стеклянные сосуды. Зайдя через несколько
дней в лабораторию, он обнаружил четыре сосуда без изме-
нений, а еще один - с дыркой в стекле, через которую вы-
текло содержимое. С какой из кислот приключился казус?
A)HF. Б)НС1. В)НВг. Г)Н1. Д)Н2ЗО4.
12. Названия четырех химических элементов группы
благородных газов переводятся как ленивый (1), новый
(2), скрытый (3) и чужой (4). Расположите эти элементы в
порядке возрастания их атомных номеров.
А) 1-2-3-4. Б)2-1-3-4. В) 1-2-4-3. Г) 4-3-2-1. Д)2-4-1-3.
13. Известно, что вода массой 1 г при обычных услови-
ях занимает объем 1 см3. Железный Дровосек считает, что
молекулы воды можно моделировать кубиками равного
объема. Помогите Дровосеку рассчитать длину ребра тако-
го кубика.
А) З Ю 7 см. Б) 0,01 нм. В)610-7мм.
D Ю мкм. Д)3 1010м.
14. Оболочка аэростата крупнейшего дирижабля «Гин-
денбург» вмещала около 215000 м3 газа в пересчёте на
нормальные условия. Образец цинка какой массы следует
взять, чтобы действием на него избытка кислоты получить
водород для заполнения этой оболочки?
А) 512 кг. Б) 9,55 т. В) 625 т.
Г) 215000 кг. Д) 3,0 10’° г.
15. При одном из видов брожения молекула глюкозы
(С6Н12О6) в теле Кощея Бессмертного расщепляется фер-
ментами, образуя две одинаковые молекулы продукта.
Продуктом такого брожения будет:
А) углекислый газ;
Б) молочная кислота (СН3СН(ОН)СООН);
В) уксусная кислота (СН3СООН);
7
Г) этиловый спирт (СН3СН2ОН);
Д) ацетон (СН3СОСН3).
16. Учительница химии вызвала Вовочку к доске. «Ре-
акция с участием какого вещества практически всегда бу-
дет окислительно-восстановительной?» - спросила она.
Что из предложенного Вы могли бы подсказать ему в каче-
стве правильного ответа?
А) Простого. Б) Сложного.
В) Окрашенного. Г) Твердого. Д) Горючего.
17. Король гламура Сергей Зверев поставлен в тупик
вопросом что остается после* сжигания активированного
угля? Помогите ему наи i и ответ.
А) Активированная зола. Б) Неактивированный уголь.
В) Вещество-активатор. Г) Пассивный графит.
Д) Ничего из перечисленного.
18. Ослик На со словами: «и входит, и выходит», пооче-
редно погружал в раствор медного купороса пластинки из
разных простых веществ. При этом изменилась масса пла-
стинки из:
А) кремния; Б) цинка; В) серебра;
Г) осмия; Д) бора.
19. Как известно, Буратино был сделан Папой Карло из
соснового полена. Основным веществом полена является
полимер целлюлоза, в молекуле которой много раз повто-
ряются одинаковые фрагменты, состоящие из атомов С, Н
и О. В каждом фрагменте число атомов водорода в 2 раза
больше числа атомов кислорода, число атомов углерода на
4 меньше числа атомов водорода, а число атомов кислорода
на 1 меньше числа атомов углерода. Какую формулу имеет
повторяющийся фрагмент молекулы целлюлозы?
А>с.н.А- В)С,н12о.. в)С,н12о,.
Г)С,Н10О5. Д)с4н2о.
20. Катится Колобок по третьему периоду периодиче-
ской системы химических элементов от натрия к аргону и
8
думает, как бы это найти атом с наибольшим числом неспа-
ренных электронов на внешнем энергетическом слое. По-
могите Колобку распознать такой атом.
A) Mg. Б) Al. В) Si. Г)Р. Д)С1.
21. Волан-де-Морт похитил все нечетные цвета радуги.
Гарри Поттер решил смоделировать их, окрашивая бес-
цветное пламя солями металлов. Соединения каких метал-
лов ему следует использовать?
A) Li, Na, К, Rb. Б) Li, Na, К, Cs. В) Na, К, Rb, Си.
Г) Li, Ва, К, Rb. Д) Na, К, Rb, Sr.
22. Для закрепления на деревянных балках крыши ме-
таллических листов используют железные гвозди. Гвозди
наиболее быстро разрушатся в результате коррозии, если
крыша покрыта листами из:
А) цинка; Б) золота; В) магния;
Г) титана; Д) алюминия.
23. Какой из минералов никогда не использовался в ка-
честве краски:
А) киноварь; Б) охра; В) кальцит;
Г) галит; Д) графит.
24. Органические молекулы, в которых
атом углерода связан с четырьмя различными
заместителями, проявляют особый вид изо-
мерии - энантиомерию - и существуют в виде
пары оптических изомеров (являются зеркаль-
с2нэ
ОН
Н
сн3
ными отражениями друг друга). Оптическим изомером по
отношению к (5)-бутанолу-2 является:
2 S.1K ХМ
с2н5
В)
ОН
9
25. Юный металлист Вася надел на пальцы разные коль-
ца: на указательный - медное, на средний - железное, на
безымянный - алюминиевое и на мизинец - серебряное.
Между какими пальцами возникнет максимальная раз-
ность потенциалов при погружении руки в столовый уксус?
А) Указательный и безымянный.
Б) Мизинец и безымянный.
В) Указательный и мизинец.
Г) Указательный и средний.
Д)Средний и мизинец.
26. Как правило, полимеры состоят из длинных моле-
кул цепного строения. Деталь саногов-скороходов выпол-
нена из полипропилена. Какова примерная длина молекул
в образце полипропилена со средней молекулярной массой
100000 (длина связи С-С составляет 0,15 нм)?
А)1,2мкм. Б) 15000 нм. В) 700 нм.
Г) 15 мм. Д) 2 IO’8 м.
27. Самоделкин долго нагревал на воздухе 10,00 фун-
тов металла, после чего получил 11,03 фунтов оксида. Ис-
комым металлом является:
А) германий; Б) барий; В) платина;
Г)свинец; Д)уран.
28. Чревовещатель решил сжечь дотла ненавистный
мобильный телефон. После длительного прокаливания
на воздухе процессора мобильного телефона обязательно
остается немного:
А) золота и песка; Б) алюминия и угля;
В) золота и угля; Г) песка и угля;
Д) золота и алюминия.
29. Гарри Поттер наполнил два сосуда (объемом 2 л
каждый) газообразными хлороводородом и аммиаком при
обычных условиях, а затем соединил их стеклянной труб-
кой. Что обнаружит юный волшебник в системе, вернув-
шись в свою лабораторию на следующий день?
10
А) Ничего, все вещества волшебным образом исчезнут.
Б) Густой белый туман.
В) Кучку игольчатых кристалликов в трубке.
Г) Только аммиак.
Д) Смесь хлора, азота и водорода.
30. Опытный воздухоплаватель Винни Пух установил,
что средняя молярная масса воздуха после грозы больше,
чем до грозы. Это обусловлено:
А) образованием возбужденных молекул кислорода.
Б) превращением кислорода в озон.
В) нагреванием воздуха электрическим током в газе.
Г) разрушением молекулы азота на атомы.
Д) взмахами крыльев разъяренных пчел.
Ответы и комментарии
1. Для ответа на этот вопрос следует проделать опера-
ции перевода объема в массу, а затем в число структурных
единиц с учетом коэффициентов пересчета. Например,
таким способом: 1,4 млрд км2 3 * * =1,4 109 км3 = 1,4-1018 м3.
(Можете оценить, куб с какой длиной ребра необходим
для размещения всей воды!) Поскольку плотность воды -
1000 кг/м3, а молярная масса 0,018 кг/моль, имеем:
Х7 N.-m N.-p-V
число молекул воды = N. п = —= = —-— =
А М М
_6,0 1023 1000 1,4 1018 46
— —’ 1 V
0,018
Наиболее близкой оценкой по порядку величины является
вариант В) 1047 молекул.
2. Человеку с давних времен известно 7 металлов: золо-
то, железо, медь, олово, ртуть, свинец, серебро. Алхимики
отождествляли их с семью важнейшими небесными тела-
ми, считая, что металлы образуются в земной коре под их
11
действием, и наделяли романтическими названиями (зо-
лото = солнце). Если проанализировать, что отличает эти
металлы от других, то окажется, что они либо находятся
в природе в самородном состоянии (ртуть, золото, реже -
серебро, медь), либо весьма распространены и достаточно
легко выплавляются из руд (железо, олово, свинец). Для
определения же первенства элементов в предложенном
списке можно вспомнить названия исторических эпох -
за каменным веком следовал медный, а затем уже бронзо-
вый (бронза - сплав меди и олова) и железный. Поэтому
правильный ответ А) медь. Хотя в большинстве своем ис-
следователи склоняются к версии, что абсолютно первым
«прирученным» металлом было золото, благодаря своим
выдающимся «внешним данным».
3. Сода - техническое название группы веществ, преиму-
щественно натриевых солей угольной кислоты. Традицион-
но различают питьевую (NaHCO3), каустическую (NaOH),
кристаллическую (Na2CO310H2O), кальцинированную, или
безводную, соду (Na2CO3) - ответ В). Интересно, что назва-
ние «сода» связано с названием растения солянка (Salsola
soda), из золы которого ее изначально добывали. Латиняне
словом calx обозначали любой мягкий камень, преимуще-
ственно известняк, и продукт его обжига - известь. Соот-
ветственно, кальцинацией стали называть процесс обжига.
Поскольку для получения Na2CO3 растение приходилось
сжигать, а продукт выделять из золы, за ним и закрепилось
название кальцинированная сода.
4. Анализируя все описанные эффекты, приходим к вы-
воду, что химическим явлением обусловлено покраснение
томата при созревании Б). При этом растением синтезиру-
ются и накапливаются в плоде вещества (преимущественно
изопреноидной природы), вызывающие окраску. Просвет-
ление мутной воды при отстаивании связано с постепенным
осаждением маленьких частиц твердой фазы в поле силы
тяжести (мутная вода - не истинный раствор, а дисперсная
12
система, где мельчайшие частицы, способные рассеивать
свет, находятся во взвешенном состоянии). «Сухим льдом»
принято называть твердый диоксид углерода СО2. Связано
это название с тем, что углекислый газ при атмосферном
давлении возгоняется - переходит из твердой фазы напря-
мую в газ без образования жидкости. Этот процесс, как и
любой фазовый переход, идет при постоянной температуре
(-78 С), чем пользуются для охлаждения в технике. Если же
поместить «сухой лед» в жидкую воду, температура кото-
рой существенно выше температуры его возгонки, начнется
активное газообразование - физический процесс. Визуаль-
но это напоминает кипение воды. При переходе от распла-
ва олова к твердому металлу изменяются отражательные
свойства поверхности (уменьшаются гладкость и коэффи-
циент отражения), хотя для некоторых активных металлов
утрата блеска может быть связана с процессом образования
на поверхности химических соединений (преимущественно
оксидов). Пусть изменение цвета и является признаком хи-
мической реакции, разложение белого света в спектр при-
змой из диоксида кремния к таковым не относится. Дело в
том, что белый свет представляет собой смешанное излуче-
ние различных длин волн, а показатель преломления зави-
сит от длины волны, что приводит к появлению компонен-
тов различной цветности. Иными словами, цвет - свойство
света, а не призмы, как считали на начальных этапах раз-
вития естествознания.
5. Для того чтобы при сжигании вещества образовыва-
лась вода, необходимым условием будет присутствие в его
составе водорода. Запишем химические формулы веществ:
графит - С, метан - СН4, аммиак - NH3, кремний - Si (на-
ночастицы - физическое состояние вещества; обратитесь
к разделу «О карликах и не только»). Очевидно, что вода
не выделялась при сжигании образцов 1 и 4 - ответ В). Ре-
акции сгорания веществ (которые для ответа на вопрос пи-
сать не обязательно):
13
4FeC + (3 + 4x)0„ = 2Fe„CL + 4xC0 •
CH( + 2O2 = C02 + 2H2O;
4NH3 + 3O2 = 2N2 + 6H2O;
Si + 02 = SiO2.
6. Первое, что необходимо сделать для определения
объема, занимаемого водой, - определить ее агрегатное
состояние. При 298 К = 25'С и атмосферном давлении
вода является жидкостью. Тогда 1 моль воды, или 18 г, с
учетом плотности около 1,0 г/мл, занимает объем 18 мл =
= 0,018 дм3 (Г).
7. Для ответа на данный вопрос необходимо вспомнить
о том, что любой объект можно рассматривать как чистое
вещество либо смесь веществ. Вещества же, в свою очередь,
подразделяются на вещества постоянного и переменного
состава. Единственным из приведенных индивидуальным
веществом постоянного состава является глицерин (Б),
поэтому его состав будет идентичным в тридевятом, три-
десятом и всех других царствах. Остальные предлагаемые
варианты представляют собой технические названия мате-
риалов и смесей, состав которых будет зависеть от способа
получения: бензин - сложная смесь углеводородов; полиэ-
тилен - полимерный материал из молекул различной дли-
ны и вспомогательных веществ; водка - водный раствор
этанола с различными добавками; чугун - сплав железа с
углеродом.
8. Компонентами раствора для полоскания горла явля-
ются вода - Н2О, поваренная соль - NaCl и питьевая сода -
NaHCO3. Значит, в его состав входят атомы следующих хи-
мических элементов: Н, С, О, Na, Cl - ответ А).
9. По условию, Винни Пух за сутки потребляет 5 х 8 х
х 5,0 = 200 г углевода сахарозы (С12Н22ОИ). Убеждаемся, что
такого варианта ответа нет, и рассчитываем молярную мас-
су вещества (342 г/моль), а также его химическое количе-
14
ство: п = = • = 0’585 моль. С учетом кратных и доль-
ных префиксов верным является вариант Б) 585 ммоль.
10. Понятие кислота в химии является достаточно об-
щим и многогранным. Однако в школе традиционно рас-
сматривают кислоты лишь с позиций теории электроли-
тической диссоциации Аррениуса, согласно которой, они
при диссоциации в водном растворе из положительных
ионов должны давать только ионы Н+. Значит, общим
для всех кислот будет являться наличие атомов водоро-
да в их составе (В). Остальные утверждения легко опро-
вергнуть контрпримерами. Так, серная кислота (H2SO4)
является жидкостью при комнатных условиях, кремние-
вая (H2SiO3) - практически не растворима в воде, раствор
хромовой кислоты (Н2СгО4) интенсивно окрашен, а в ор-
ганизме человека в ощутимых количествах присутствуют
соляная (НС1) и угольная (Н2СО3) кислоты.
11. Уникальным свойством плавиковой кислоты (HF -
ответ А) является ее способность взаимодействовать с ди-
оксидом кремния и силикатными материалами. С одной
стороны, это используется для травления стекла, а с дру-
гой - фтористоводородную кислоту нельзя хранить в сте-
клянной таре, иначе произойдет то, что случилось у Не-
знайки. Растворение стекла обусловлено протеканием
реакций типа: Na2O • СаО • 6SiO2 + 36HF = Na2SiF6 + CaSiF6 +
+ 4H2SiF6 + 14H2O. Интересной особенностью этой реакции
является то, что среди продуктов Na2SiF6 является наименее
растворимым веществом.
12. Инертные (благородные) газы расположены в 8-й
группе периодической системы элементов. В порядке воз-
растания атомных номеров это элементы Не, Ne, Аг, Кг,
Хе, Rn, Uuo. Их названия происходят от греческих слов:
гелий - т|Ахо<5, солнце; неон - veoc,, новый; аргон - аруо<;,
ленивый; криптон - крултос;, скрытый; ксенон - ^evoc,, чу-
15
жой; для радона - от латинского radius, луч. Значит, лени-
вый (1), новый (2), скрытый (3) и чужой (4) в порядке воз-
растания их атомных номеров должны быть расположены,
как в ответе Б) - 2-1-3-4. (Для получения дополнительной
информации по этому вопросу обратитесь к разделу «Бла-
городных кровей».)
13. Известно, что вода массой 1,0 г при обычных
условиях занимает объем примерно 1,0 см3. Подска-
зать Железному Дровосеку можно после ряда вычисле-
ний. Поскольку молярная масса воды 18 г/моль, в об-
„ 1 NA‘m 6,0 1023 1 1п22
разце массой 1 г содержится —— =-----—----= 3,3 10
молекул воды. Тогда объем, приходящийся на 1 молекулу,
составит
1,0
3,3 1022
= 3,0-10 23 см3. Если молекулу предста-
вить как кубик, его ребро будет иметь длину уЗ,0 -10 23
= 3,1-108см = 310 10 м - вариант ответа Д).
14. Дирижабли являлись уникальными для своего
времени транспортными средствами. Однако несколько
громких катастроф, связанных с применением для запол-
нения оболочки аэростата горючего водорода, привели к
отказу от их широкого использования. Оболочка дири-
жабля «Гинденбург» вмещала около 215000 м3 водорода
215000
(можете оценить ее размеры!), что составляет Q224 =
= 9,60-106 моль газа. Если водород был получен обработ-
кой цинка кислотой: Zn + 2Н+ = Zn2+ + Н2, то, учитывая
M(Zn) = 65,4 г/моль, необходимо было взять 65,4-9,60х
хЮ6 = 6,28-108 г, или около 625 т, металла (ответ В)!
15. Заметим, что для ответа на этот вопрос вовсе не обя-
зательно знать особенности процесса брожения (о них в раз-
деле «Разными путями»). По условию, молекула глюкозы
(С6Н12О6) расщепляется, давая две одинаковые молекулы
продукта. Значит, состав последних - С3Н6О3, таковой из
16
приведенных продуктов имеет только молочная кислота,
и в теле Кощея Бессмертного происходит молочнокислое
брожение - ответ Б).
16. Поскольку численные значения величины элек-
троотрицательности атомов различных элементов очень
близки крайне редко, то реакции простых веществ - ва-
риант А) - практически всегда будут окислительно-
восстановительными (исключение - аллотропные пре-
вращения веществ, например: ЗО2 = 2О3). Для сложных,
твердых, окрашенных веществ Вы легко можете привести
многочисленные примеры кислотно-основных или обмен-
ных реакций. Что же касается горючих веществ (большин-
ство органических соединений), то они способны вступать
не обязательно в реакции горения (например, этерифика-
ция карбоновых кислот спиртами).
17. Активированный уголь - пористый материал, по-
лучаемый из различных углеродсодержащих источников,
преимущественно органической природы. Например, один
из методов его получения предусматривает обработку оре-
ховой скорлупы перегретым водяным паром при температу-
рах, достигающих 800°С. При этом органические вещества
удаляются и образуется огромное количество мелких пор.
Такой материал обладает способностью сорбировать веще-
ства, чем пользуются на практике (фильтры противогазов).
Таким образом, активированный уголь представляет собой
особое физическое состояние практически чистого углеро-
да. Соответственно, после его сгорания по реакции С + О2 =
= СО2 ничего из перечисленного не остается (Д).
18. Известно, что более активный металл (с более низ-
ким значением электродного потенциала) способен вы-
теснять менее активный из его солей. Пользуясь электро-
химическим рядом активности металлов, находим, что
изменит свою массу (правда, весьма незначительно, в силу
близости молярных масс металлов) пластинка из цинка
17
(Б); при этом протекает реакция: Zn + CuSO4 = ZnSO4 + Си.
Более подробно о подобных явлениях можно прочитать в
разделе «Так ли силен металл?»
19. Вопрос о Буратино - еще один пример задания, ско-
рее, на общую сообразительность, нежели на химические
знания. Из условия следует, что состав целлюлозы можно
отразить эмпирической формулой CxHyOz. Используя при-
веденные численные соотношения атомов, получим:
у = 2z х = 6
х- у-4=>- у = 10
z = x-l |з = 5
Таким образом, повторяющийся фрагмент целлюлозы
имеет формулу С6Н10О5 (Г). Более подробно о составе и свой-
ствах древесины смотрите в разделе «Буратино, из какого
ты теста? »
20. При определении электронных конфигураций ато-
мов следует принимать во внимание принцип Паули (у
каждого электрона уникальный набор квантовых чисел,
а значит, максимальная емкость орбитали - 2 электро
на), принцип наименьшей энергии (оболочки заполняют-
ся электронами в порядке возрастания энергии) и правило
Хунда (когда потенциально возможны различные конфи-
гурации, реализуется та из них, в которой число электро-
нов с одинаковой проекцией спина (неспаренных) макси-
мально). Наибольшее число неспаренных электронов на
внешнем слое среди элементов 3-го периода будет у атома
3s Зр
фосфора: [Ne] И U I И Н (Г - 3 неспаренных электрона).
21. Пользуясь известным мнемоническим правилом:
«Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан», не-
трудно вспомнить, что у радуги 7 цветов, поэтому, с ка-
кой стороны ни начинай отсчет, похищенными Волан-де-
Мортом окажутся красный, желтый, голубой ифиолетовый.
18
Подробнее о причинах и закономерностях появления окра-
ски пламени смотрите раздел «В погоне за радугой». Пока
же отметим, что правильным является ответ Б) - литий
окрасит пламя бунзеновской горелки в красный цвет, на-
трий - в желтый, цезий - в голубой, калий - в фиолетовый.
22. В результате контакта металлов и сплавов со средой
происходит процесс их разрушения - коррозия. Если, как
в данной задаче, имеется контакт двух разнородных метал-
лов, между ними возникает разность потенциалов и созда-
ется микрогальванический элемент. Его отрицательный
полюс (более активный металл) окисляется в результате
анодного процесса, а на катоде, как правило, идет процесс
восстановления кислорода (или другого окислителя сре-
ды). Таким свойством систем активно пользуются для за-
щиты железа от коррозии (цинкование). В нашем же слу-
чае железо будет «жертвовать собой» (являться анодом)
в контакте с менее активным золотом (Б), что приведет к
ускоренному разрушению гвоздей (смотрите также раздел
«Так ли силен металл?»). Из жизненного опыта Вы, навер-
ное, знаете о подобном процессе на примере побывавшей
в костре консервной банки. В данном случае защита - лу-
жение (тонкое оловянное покрытие) - действует лишь до
тех пор, пока покрытие сохраняет свою целостность. При
нарушении же механического защитного слоя коррозия на
воздухе протекает очень быстро.
23. Идеальный пигмент должен быть доступным, без-
опасным, а для устойчивости окраски еще и достаточно
инертным. Таким требованиям в должной мере отвечают
графит - основное вещество С (черный пигмент), кино-
варь - HgS (красный), охра - Fe2O3-H2O (желтый). Каль-
цит - СаСО3 - является белым, но небольшие примеси
других веществ способны придавать ему причудливые от-
тенки. Что же касается галита (Г), основного вещества по-
варенной соли NaCl, то этот минерал мало того, что прак-
тически бесцветен (если не содержит примесей), так еще и
19
долгое время был весьма дорог и использовался как свое-
образная валюта, а не как краситель. Кроме того, NaCl -
единственное водорастворимое соединение из перечислен-
ного списка, а значит, окраска с использованием его форм
с примесями будет неустойчива.
ОН
1 Н
СП,
О
24. Органические молекулы, в которых
атом углерода связан с четырьмя различны-
ми заместителями, проявляют особый вид
изомерии - энантиомерию. Такое свойство С2Н5
объектов - существовать в виде несовмести-
мых зеркальных отражений друг друга - называют хи-
ральностью (от греческого /epi - рука). Более подробно о
явлении стереоизомерии читайте в разделе «Похоже, да
не то же». Пока же обсудим способ решения: предложен-
ные структуры следует мысленно вращать в пространстве
(не меняя взаиморасположения заместителей) и сопостав-
лять результат с приведенным (<8)-бутанолом-2. Нетрудно
убедиться, что его зеркальным отражением является ва-
с2н5
ОН
риант Б)
25. Описанное явление подчиняется все тем же законо-
мерностям, о которых идет речь в разделе «Так ли силен
металл?» Максимальная разность потенциалов возникнет
между металлами, наиболее удаленными в электрохими-
ческом ряду активности металлов. Таковыми являются
серебро и алюминий, а значит, правильный ответ Б) - ми-
зинец и безымянный.
26. Этот вопрос более
сложный и требует неко-
торых знаний о строении
полимеров. Полипропи-
лен образуется в резуль-
Н2С = СН—-
г Н СН3 -
—С—С----
1 1
L Н Н Jn
20
тате полимеризации пропилена. Как можно видеть из схе-
мы, на один повторяющийся фрагмент приходится 2 связи
углерод-углерод в основной цепи полимера. Поскольку мо-
лярная масса пропилена 42 г/моль, то типичная молекула
, .. 100000 о . 1Пз
из образца полипропилена включает: N =——— = 2,4 10
элементарных звеньев. Тогда суммарная длина углерод-
углеродных связей в длинной цепочке атомов составит:
2 0,15-2,4 103 = 720 нм. Наиболее близким к этой величине
является вариант В).
27. Для ответа на этот вопрос вовсе не обязательно
знать, чему равен 1 фунт. Предположим, что искомый ме-
талл Me окисляется с образованием оксида в степени окис-
ления п по реакции: 4Ме + пО2 = 2Ме2Оп. Тогда будет спра-
11,03 4 Ar (Me) + 2п-16,00
ведливо уравнение: д j--------» откУДа
АДМе) = 77,7п. Нетрудно убедиться, что такого металла не
существует. Тогда возможно образование оксида необычно-
го состава, например, смешанного Ме3О4. Условию задачи
удовлетворяет свинец (Г), дающий при окислении свинцо-
вый сурик РЬ3О4. Подобные задачи можно решать и иначе.
28. При небольших познаниях в свойствах простых ве-
ществ на этот вопрос можно ответить методом исключения.
Дело в том, что как алюминий, так и уголь активно сгора-
ют на воздухе, а потому не могут остаться после сжигания.
Остается вариант А), который и будет верным. Известно,
что кремний является основным материалом современных
микросхем. Именно с этим связано ошибочное устоявшееся
выражение «силиконовая долина» (на самом деле - крем-
ниевая, от английского silicon - кремний; а по-русски си-
ликоном называют кремнийорганический полимер). При
сгорании кремния образуется SiO2. А вот для крепления
отдельных элементов на кремниевой пластине используют
небольшие количества устойчивых и электропроводных
21
благородных металлов - в том числе и золото, которое при
нагревании на воздухе не изменяется.
29. Начнем с того, что при одинаковых условиях рав-
ные объемы газов содержат равные количества вещества.
Значит, Гарри Поттер располагал эквимолярными количе-
ствами веществ. Хлороводород и аммиак реагируют с об-
разованием хлорида аммония: НС1(г) + NH3(r) = NH4C1(tb).
Первоначально образуются мельчайшие кристаллики про-
дукта в виде густого белого тумана, чем ранее пользовались
для сценических спецэффектов (получение искусственного
тумана). Но обратим внимание на описание условий опыта.
Во-первых, за сутки туман «осядет» в виде кристаллов, во-
вторых, реакция происходит там, где газы смешиваются,
а именно - в трубке. Поэтому Гарри Поттер увидит кучку
игольчатых кристалликов в трубке (В).
30. То, что средняя молярная масса воздуха после гро-
зы больше, чем до грозы, обусловлено превращением не-
которой части молекул кислорода в озон (Б): ЗО2 = 2О3.
Молярная масса озона (48 г/моль) выше, чем у кислорода
(32 г/моль), а потому средняя величина молярной массы
воздуха возрастает. Естественно, что ни нагревание газа,
ни возбуждение молекул на молярную массу не влияют
(вспомните определение этой величины). Что касается рас-
пада молекул азота на атомы, то этот процесс может при-
вести только к снижению средней молярной массы газа.
Аналогично, можно рассмотреть окисление азота в канале
разряда молнии. Если процесс идет до NO, то он не приво-
дит к изменению средней молярной массы газа; если же ре-
зультатом дальнейшего окисления будет NO2, то молярная
масса воздуха возрастет.
22
ХИМИЧЕСКИЙ
КАЛЕЙДОСКОП
Благородных кровей
К благородным газам относятся гелий, неон, аргон,
криптон, ксенон, радон и недавно полученный искус-
ственно унуноктий. По своим свойствам они не похожи на
другие элементы периодической системы. История же их
открытия представляет интерес как с точки зрения значи-
мости количественных методов в химии (Аг), так и с точки
зрения силы научного предвидения (остальные элементы
группы).
Еще в 1785 году английский естествоиспытатель Генри
Кавендиш при опытах с воздухом обнаружил в нем новый
газ, чрезвычайно устойчивый химически. На его долю при-
ходился один объем из примерно 120 объемов воздуха, од-
нако объяснить полученные результаты Кавендишу не уда-
лось. Более века спустя Джон Стратт (лорд Рэлей), проводя
высокоточные измерения, вновь натолкнулся на примесь
в воздухе, обратив внимание, что азот, полученный удале-
нием кислорода из воздуха, тяжелее азота, выделенного
из соединений. Его первое предположение заключалось в
том, что у азота есть тяжелая озоноподобная аллотропная
модификация.
Практически два года ушло у Рэлея и его коллеги Уи-
льяма Рамзая на проведение дополнительных опытов. Для
получения неизвестного газа воздух «лишался кислорода»
при нагревании с раскаленной медью; а затем оставшийся
азот поглощался длительным нагреванием с магнием (на-
пишите уравнения протекавших реакций). На этом этапе
плотность остатка по водороду постепенно возрастала от
14,0 до 19 9. Дополнительные испытания показали, что в
остатке находился одноатомный газ даже более инертный,
23
чем азот. Его спектральный анализ не оставил сомнений,
что получено новое вещество.
Летом 1894 года лорд Рэлей и Рамзай сообщили о сво-
ем открытии, назвав полученный газ аргон (от греческого
аруо<; - ленивый). Так по иронии судьбы первый благород-
ный газ был открыт человеком благородного происхожде-
ния. Это открытие сперва вызвало некоторое недоверие у
научного сообщества. Во-первых, трудно было поверить,
что предшественники могли «не заметить» в воздухе ком-
понент, составляющий около 1% состава, во-вторых, полу-
ченный элемент по атомной массе располагался между ка-
лием и кальцием, а значит, поместить его в периодической
системе было некуда.
Рамзай искал новые источники аргона и обратил вни-
мание на сообщение геолога Уильяма Гиллебранда, в ко-
тором указывалось, что при действии кислоты на радио-
активный минерал клевеит образуются значительные
количества азота. На поверку оказалось, что собранный
газ - не азот и даже не аргон. В его спектре присутствова-
ла яркая желтая линия, в которой известный спектроско-
пист Уильям Крукс опознал линию, зафиксированную в
1868 году при затмении в спектре Солнца - это было пер-
вое подтверждение наличия гелия (от греческого т|Хю(; -
солнце) не только на Солнце, но и на Земле. Впоследствии
Эрнест Резерфорд установил, что a-частицы представля-
ют собой ядра гелия.
На два новых элемента уже трудно было закрыть глаза,
поэтому им отвели отдельную группу между галогенами и
щелочными металлами. Новые нереакционноспособные
элементы стали называть инертными или благородны-
ми газами. В размещении аргона в периодической систе-
ме вопреки значению атомной массы проявилась научная
интуиция, равно как и в том, что Рамзай предвидел, что
между гелием и аргоном есть место еще для одного эле-
мента. На основании периодического закона также были
предсказаны массы и позиции еще трех благородных га-
24
зов. После неудачных попыток найти их в минералах Рам-
заю пришла в голову мысль искать их в воздухе. Весьма
кстати пришлось открытие нового эффективного способа
сжижения воздуха.
Воздух, предварительно очищенный от СО2 и паров
воды, сжижали, а затем медленно испаряли. Полученные
фракции исследовали с помощью спектрального анализа:
газ помещали в газоразрядную трубку и по линиям спек-
тра, возникающим при пропускании тока, определяли его
состав. В спектре низкокипящей фракции воздуха, наря-
ду с линиями Не, N2, Аг, были обнаружены новые линии,
особенно интенсивные из которых располагались в красно-
оранжевой области. Ответственный за них газ получил на-
звание неон (от греческого ueo<; - новый).
Дальнейшие усилия по поиску благородных газов, за-
вершающих четвертый, пятый и шестой периоды, увен-
чались успехом не сразу. Теперь понятно, что это связа-
но с их малым содержанием в воздухе. Развитие техники
позволило Рамзаю совместно с другим ученым - Морисом
Траверсом - получать большие количества жидкого воз-
духа. Исследование показало, что после отгонки гелия,
неона, кислорода, азота и аргона неизменно остается
труднолетучая фракция. Содержавшийся в ней новый газ
получил название криптон (от греческого кршгто<; - скры
тый). Однако более детальное рассмотрение проблемы
показало, что в результате медленной отгонки криптона
из фракции в сосуде оставалось немного еще какого-то ве-
щества. Полученный газ в электрическом разряде давал
голубое свечение и имел характерный спектр, с линиями
в новых областях. Рамзай и Траверс назвали новый инерт-
ный газ ксеноном (от греческого ^evo<; - чужой). Для полу-
чения примерно 1 см3 «чужака» потребовалось перерабо-
тать свыше 50 т жидкого воздуха.
Рамзай же открыл и еще один инертный газ. Изучая
газ, выделяющийся из радиоактивных радийсодержащих
минералов, с помощью диффузии он смог выделить хими-
3 Зак. Х64
25
чески инертный компонент с относительной молекулярной
массой около 220 и характерным спектром. На сегодняш-
ний день этот элемент известен как радон.
Для химических элементов с атомным номером свыше
83 (висмут) неизвестны стабильные изотопы. Более того,
в естественных условиях не обнаруживались элементы с
атомным номером более 92 - все трансурановые элементы
получены искусственным путем. Такая же участь ожида-
ла и последний из известных благородных газов - унунок-
тий. Первый нуклид унуноктия был получен в 2002 году
в Институте ядерных исследований г. Дубна с помощью
ядерной реакции: 249Cf + 48Са = 294Uuo + 3*п. Впоследствии
был получен еще ряд изотопов, но их периоды полураспа-
да не превышают нескольких десятков миллисекунд. До
утверждения официального имени этого благородного газа
договорились называть его по латинским названиям цифр
атомного номера - унуноктий (1-1-8).
Молекулы благородных газов одноатомны. Соответ-
ствующие простые вещества не имеют цвета и запаха, ха-
рактеризуются очень низкими температурами плавления и
кипения (существенно ниже, чем у других веществ сопоста-
вимой молекулярной массы). При прохождении через них
электрического разряда, инертные газы демонстрируют ха-
рактерное свечение (рисунок 1 на 2-й странице обложки).
Долгое время считалось, что благородные газы не спо-
собны вступать в химические реакции. Этому способство-
вало и развитие теорий строения атома и химической связи
на начальном их этапе. Благородным газам приписыва-
ли нулевую валентность и даже саму группу химических
элементов называли нулевой, объясняя химическую ин-
дифферентность устойчивой восьмиэлектронной конфигу-
рацией валентного электронного слоя. В 1940-е годы с по-
зиций квантовой механики было предсказано, что криптон
и ксенон должны образовывать устойчивые соединения с
фтором. Первые эксперименты не подтвердили эту гипоте-
зу, и о ней на время забыли.
26
В 1961 году канадский ученый Нил Бартлетт проводил
опыты с фторидами металлов в высоких степенях окисле-
ния. Оставив емкость с гексафторидом платины неплотно
закрытой, он через некоторое время обнаружил в ней но-
вое соединение - O2PtF6, продукт реакции PtF6 с кислоро-
дом воздуха. Но ведь известно, что потенциал ионизации
ксенона даже ниже, чем у кислорода. Вскоре Бартлетт,
проведя реакцию: Хе + PtF6 -» XePtF6, получил твердый
оранжевый продукт - первое соединение благородного
газа - гексафторплатинат ксенона XePtF6. Это вещество
возгонялось без разложения под пониженным давлением,
а с водой взаимодействовало по уравнению:
2XePtF6 + 6Н2О -> 2Хе 4- О2 + 2PtO2 + 12HF.
Далее были синтезированы аналогичные соединения
ксенона: Xe(PtF6)2, XeRhF6... Через некоторое время были
получены продукты прямого взаимодействия ксенона с
фтором. Для реакций использовали никелевый реактор
(никель является одним из немногих материалов, доста-
точно устойчивых к действию фтора, благодаря образова-
нию защитной пленки фторида). Если реакцию проводить
при избытке фтора и небольшом давлении, образуются
бесцветные кристаллы XeF4. При облучении смеси ксенона
и фтора ультрафиолетом образуется весьма чистый XeF2.
Наконец, в жестких условиях при 700°С и 200 атм образу-
ется XeF6.
Реакцией полученных фторидов с фторидами щелочных
металлов получают комплексы типа Rb2XeF8, а с помощью
гидролитических превращений - кислородсодержащие
продукты: ХеО3, Ва3ХеО6. Большинство этих веществ не
слишком устойчивы и разлагаются со взрывом.
Установлено, что радон образует аналогичные соедине-
ния, но, поскольку этот элемент радиоактивен, его химия
развивается не столь активно. Для криптона выделены и
изучены KrF2 и KrF4, напоминающие ксеноновые аналоги.
Устойчивых производных более легких благородных газов
пока не получено.
27
После получения упомянутых производных инертные
газы перенесли в VIII (18) группу, а нулевая группа пере-
стала существовать.
Несмотря на высокую химическую инертность, благо-
родные газы обладают выраженной биологической актив-
ностью. Вдыхание инертных газов в смеси с кислородом
приводит человека в состояние, сходное с наркозом. Этот
эффект объясняют растворением газа в нервных тканях, и
выражен он тем сильнее, чем тяжелее инертный газ (гелий
же растворимость которого низка, напротив, используют
в смеси с кислородом для предотвращения опьянения азо-
том при глубинном погружении).
Основным источником благородных газов является ат-
мосфера. Получают их как полезный побочный продукт
при ректификационном разделении воздуха на кислород и
азот. Гелий получают иначе. Как отмечено выше, некото-
рые минералы содержат заметные количества включенно-
го гелия. Он медленно выделяется из подобных минералов
и накапливается в месторождениях природного газа, отку-
да выделяется после сжижения метана. Вследствие своих
свойств атомы практически всех инертных газов рано или
поздно возвращаются в атмосферу. Во Вселенной легкие
благородные газы (Не, Ne, Аг) широко представлены в ма-
терии звезд и планет.
Применение благородных газов обусловлено их свойства-
ми. Так, гелий используется для получения и поддержания
сверхнизких температур, для наполнения воздушных ша-
ров. Его же применяют в дыхательных смесях для работ под
давлением (водолазы), поскольку при использовании гелия
декомпрессия менее выражена, чем для азота, и кессонная
болезнь не развивается. В смеси с кислородом гелий приме-
няют для терапии заболеваний дыхательных путей. Его так-
же используют в газовых термометрах и как инертную сре
ду для плазменной дуговой сварки. Аргон используется для
заполнения ламп накаливания и люминесцентных ламп;
для создания инертной атмосферы в химических лаборато-
28
риях и на производствах. Значительная доля производимо-
го аргона идет на нужды металлургии, включая продувку
расплава, резку, обработку и электросварку металла (Mg,
Ti, Zr, Та, W) в инертной среде. Ксенон используется в лам-
пах высокого давления и медицине - для рентгеноскопии и
исследований функциональной деятельности мозга, сердца,
легких. Наконец, все благородные газы используют в кра-
сочных газоразрядных трубках («неоновые витрины»).
На досуге 1
Реакция простого вещества А с избытком фтора при 900°С
и 10 атм приводит к образованию смеси легкоплавких кри-
сталлических веществ Б, В, Г. Установлено, что вещество В
содержит 36,7%, а вещество Г - 46,5% фтора по массе. При
гидролизе Б образуется смесь вещества А, кислорода и рас-
твора фтороводорода, при гидролизе Г - раствор смеси АО3
и фтороводорода, а при гидролизе В - А и кислород в моль-
ном отношении 4 : 3, а также раствор АО3 и фтороводорода.
1. Установите, что представляют собой А - Г.
2. Предскажите геометрию молекул Б - Г.
3. Запишите уравнения реакций гидролиза Б - Г и рас-
считайте количественный состав смеси продуктов фто-
рирования, если при гидролизе ее навески выделяется
93,3 мл (н.у.) газа, содержащего 40% кислорода по объему,
а в растворе образуется 1,00 ммоль АО3.
В погоне за радугой
Такое атмосферное оптическое явление, как радуга, не-
изменно вызывает интерес. Белый свет в этой разноцветной
дуге разложен в спектр, где все мыслимые цвета непрерыв-
но переходят друг в друга через множество промежуточ-
ных оттенков. Человек научился окрашивать материалы в
различные цвета; но для того, чтобы управлять явлением,
необходимо понимать, что лежит в его основе.
29
К началу XX века в физике накопились эксперимен-
тальные факты (излучение черного тела, фотоэффект,
дифракция электронов), не находившие теоретического
объяснения. Это послужило толчком к развитию принци-
пиально новой теории - квантовой. Ее ключевая идея в
том, что классическая физика не вполне права, позволяя
системе иметь любое количество энергии.
Известно, что электромагнитное излучение (ЭМИ) рас-
пространяется в среде со скоростью света. Согласно гипо-
тезе Планка, ЭМИ квантуется (передается порциями), а его
элементарной порции (фотону) соответствует энергия:
с
E = hv = h— = hcv,
Л
где h = 6,63-10 34 Дж с - постоянная Планка, с = 3,00х
х108 м-c'1 - скорость света в вакууме, v - частота (с 4), А, -
длина волны (м), v - волновое число (м ').
Квантование практически незаметно для привычных
нам объектов макромира, но отчетливо проявляет себя для
микрочастиц. При этом, чем меньше масса объекта и об-
ласть пространства, в которой ограничено его движение,
тем отчетливее проявляются различия в уровнях энергии.
На атомном и субатомном уровне объекты обладают свой-
ствами как волны, так и частицы. Согласно эксперимен-
тально подтвержденной гипотезе де Бройля, движущейся
со скоростью V частице массой т ставится в соответствие
. h
волна длины Л =----.
mV
Пожалуй, самое убедительное доказательство квантова-
ния было получено из наблюдения за длинами волн света,
поглощаемого или испускаемого атомами и молекулами.
Взаимодействие ЭМИ с веществом изучается спектроско-
пией. При этом основной информацией является спектр -
зависимость интенсивности (Z) прошедшего через вещество
или рассеянного им излучения от частоты (р) или длины
волны (X) последнего.
30
В силу квантования, уровни внутренней энергии состав
ляющих частиц вещества (атомов, ионов, молекул) прини-
мают строго определенные значения. Если направить на
образец поток ЭМИ, то возможен обмен энергией между
веществом и электромагнитным излучением. Способность
вещества поглощать фотон из потока определяется часто-
той v ЭМИ. Поглощение может происходить только тогда,
когда энергия фотона в точности равна одному из допусти-
мых значений разности энергий начального и конечного
состояний частицы:
v
Ег-Е,
h
Такое же выражение спра-
ведливо и для обратного про-
цесса - испускания фотонов
возбужденными частицами
вещества при переходе в более
низкое по энергии разрешенное
состояние. Однако это фунда-
ментальное необходимое усло-
вие поглощения/испускания
ЭМИ веществом не является
достаточным. В зависимости от
природы частиц и особенностей
их энергетических уровней на
переходы могут накладываться дополнительные ограниче-
ния - правил а отбора. Интересными особенностями обладает
взаимодействие мощных пучков ЭМИ (лазеров) с конденси-
рованным веществом: в этом случае вся энергия поглощает-
ся тонким поверхностным слоем, так называемым «скин-
слоем», который превращается в перегретую плазму.
Совокупность методов качественного и количественно-
го определения состава объекта, основанных на изучении
спектров взаимодействия вещества с излучением, называ-
ют спектральным анализом. Его разновидности отличают-
ся используемой частотой ЭМИ, применимостью к атомам
31
или молекулам, изучением спектров испускания или по-
глощения.
Мы рассмотрим идеи метода на простейшем примере -
атомных спектрах. Темные линии на спектральных поло-
сках (рисунок 2 на 2-й странице обложки) были известны
издавна, однако лишь в начале XIX века известный физик
Йозеф Фраунгофер систематизировал их, отметил стабиль-
ность положения и заключил, что линии являются харак-
теристикой света. Вскоре выяснилось, что одна из самых
резких линий появляется в желтой области спектра в при-
сутствии натрия. А уже в 1859 году Роберт Бунзен и Густав
Кирхгоф после множества опытов заключили, что каждый
химический элемент имеет свой неповторимый линейча-
тый спектр. Атомы каждого элемента имеют строго опре-
деленные значения частот, при которых они излучают или
поглощают свет. Это приводит к тому, что спектры содер-
жат линии (темные или светлые) в определенных местах.
Лишь в начале XX века удалось связать спектральную
информацию с энергиями электронов в атомах. Однако,
благодаря трудам Бунзена и Кирхгофа, уже с 1860-х годов
в науке появился мощный метод дистанционного опреде-
ления химического состава. Кропотливо изучались приро-
да каждой из линий и их связь с химическими элементами.
Так, в 1860 году при помощи спектрального анализа Кирх-
гоф и Бунзен открыли цезий, а годом позже - рубидий.
Гипотезы ученых нашли подтверждение при наблюдении
в 1868 году известного полного солнечного затмения в Ин-
дии. Как и предсказывалось, в момент затмения, когда
спектр испускания сменил спектр поглощения, все темные
линии стали яркими на темном фоне. Именно в этот день
на Солнце был открыт элемент гелий - почти на 30 лет ра-
нее, чем он был найден на Земле!
Спектральный анализ характеризуется относительной
простотой, универсальностью и требует малых количеств
вещества. Этот метод позволяет исследовать материю даже
на космических расстояниях. А поскольку интенсивность
32
линий зависит от количества вещества, по этой характе-
ристике можно судить о его содержании в образце. Для
получения атомных спектров вещество переводят в газ
нагреванием пробы до нескольких тысяч градусов. Для
возбуждения атомов при записи спектра испускания при-
меняют электрический разряд.
В спектре испускания простейшего атома - водорода
(состоящего из ядра и единственного электрона) - при-
сутствуют серии линий, каждая из которых описывается
уравнением:
и(сл *) = 1,097 105
J._____1_
2 2
п, п,
где п., п, - номера уровней (квантовые числа), между кото-
рыми осуществляются переходы с испусканием ЭМИ.
Для многоэлектронных атомов энергии электронных
уровней определяются уже не одним, а несколькими кван-
товыми числами. Спектры их будут более сложными, но в
любом случае полосы в них будут удовлетворять условию
ДЕ = hv и правилам отбора.
Когда частица вещества не ограничена малой областью
пространства, как электрон в атоме или атом в молекуле,
в ее поступательном движении квантование практически
не проявляется (уровни энергии расположены настолько
близко, что практически образуют континуум). По срав-
нению с атомами, в случае молекул возникают степени
свободы колебательного и вращательного движения. По-
казано, что за время электронного перехода не происходит
смещения ядер, а за время оборота молекулы вокруг оси
происходит несколько сотен колебаний, поэтому каждый
вид молекулярного движения можно рассматривать неза-
висимо. Они различаются по энергии на несколько поряд-
ков. ЭМИ, отвечающее вращательным переходам, лежит в
микроволновом диапазоне, колебательным - в инфракрас-
ном, электронным - в видимом или ультрафиолетовом. В
результате каждому электронному уровню (а и б на рисун-
33
ке) отвечает множество колебательных (и) и вращательных
(J) состояний. Переходы между ними регулируются все
теми же правилами отбора и условием ДЕ = hv. Но посколь-
ку человеческий глаз способен видеть лишь ЭМИ с длиной
волны примерно от 380 до 760 нм, то только электронные
переходы могут обусловливать видимый нами свет и ис-
пользоваться для его воссоздания. Более коротковолновое
излучение (до 250 нм включительно, что уже небезопасно
для здоровья) тоже воспринимается глазом, но в виде не-
приятной рези, а все предметы выглядят размытыми и по-
дернутыми синеватой дымкой.
И если для окрашивания бумаги, тканей, полимерных
материалов предпочитают пользоваться органическими
красителями, в молекулах которых электронные переходы
происходят при нужной длине волны (для направленно-
го создания таких молекул используют правила сочетания
особых функциональных групп -
хромофоров), то в такой приклад-
ной области, как пиротехника,
используют принцип атомных
спектров испускания, что воз-
вращает нас к работам Бунзена
и Кирхгофа. Для эффективного
создания цветных пламен годят-
ся соединения небольшого числа
элементов. В основном, это соли
щелочных и щелочноземельных
металлов, электронная структу-
ра которых не отличается слож-
ностью, а потому в спектре будет
присутствовать небольшое число
интенсивных линий.
Опыт по окрашиванию пламени соединениями метал-
лов легко осуществим в условиях школьной лаборатории.
Конечно, его визуальный результат несколько зависит от
способа выполнения эксперимента - будь то окрашивание
34
бесцветного пламени бунзеновской горелки, поджигание
спиртового раствора соли металла в фарфоровой чашке или
горение бумаги, пропитанной соединениями (рисунок 3 на
3-й странице обложки).
Если водород горит бесцветным пламенем, то большин-
ство органических веществ (ацетилен, углеводороды неф-
ти, сложные эфиры стеарина) сгорают ярким светящимся
пламенем. Это явление обусловлено неполным окислением
веществ с образованием раскаленных твердых частичек
углерода, которые дают характерный спектр испускания
и могут искажать опыт по окрашиванию пламени. Итак,
для получения цветных огней в пиротехнике используют
следующие вещества (конкретная форма элемента опреде-
ляется практическими соображениями, такими, как стои-
мость, гигроскопичность, сохранность):
- желтый цвет - соли натрия (Na2C2O4, Na3AlF6);
- красный цвет - соли стронция (SrC2O4, SrCO3);
- зеленый цвет - соли бария (ВаСО3);
- синий цвет - соли меди (CuCl, CuCO3 • Cu(OH)2).
Оттенки и интенсивность окраски, конечно же, зависят
от того, какое соединение элемента применяется. Для по-
лучения промежуточных цветов применяют специально
подобранные смеси солей. Красивое розовое окрашивание
огня дает СаСО3, являющийся основой мела.
Но вернемся к основным «виновникам» цветного пламе-
ни - щелочным металлам. Их соединения, такие, как сода,
поташ, селитра, щелочи были известны издавна. Однако
сами эти высокоактивные металлы были получены лишь
в XIX веке. В 1807 году Хэмфри Дэви, проводя электролиз
слегка увлажненных твердых щелочей, получил свобод-
ные металлы - натрий и калий. О существовании других
щелочных металлов тогда никто и не подозревал. Литий
в составе силикатных минералов был открыт лишь в 1817
году шведским химиком Юханом Арфведсоном, а получен
в свободном виде 8 лет спустя все тем же Дэви.
Еще более интересна для нас история открытия двух
тяжелых щелочных металлов. Авторы спектрального
35
анализа Бунзен и Кирхгоф активно применяли его для
исследования минералов. Цезий стал первым элементом,
открытым с помощью этого метода, что послужило свиде-
тельством его возможностей. В 1860 году, изучая спектры
щелочных металлов лития, натрия и калия, Бунзен при-
шел к выводу, что должен существовать еще один металл
этой группы, имеющий похожий спектр. И действитель-
но, в скором времени он обнаружил две линии нового эле-
мента в голубой части спектра при анализе минеральной
воды! Открытый металл был назван цезием именно по
этим линиям (с латыни caesius - голубой, небесный). В
чистом же виде металл был получен методом электролиза
лишь в 1882 году.
Через год после открытия цезия Бунзен и Кирхгоф
при исследовании алюмосиликатных минералов осадили
фракцию тяжелых щелочных металлов в виде нераствори-
мых гексахлорплатинатов M2[PtCl6]. Калиевая соль была
по максимуму удалена за счет более высокой растворимо-
сти. При спектральном анализе остатка в красной области
обнаружились две новые линии. Эти линии принадлежали
новому металлу - рубидию (с латыни rubidus - малиновый,
кровавый). Получить свободный металл Бунзену удалось в
1863 году.
Так что, если подружиться с цветом, можно не только
управлять им, но и узнать много нового.
На досуге 2
Одной из наиболее интенсивных линий в спектрах ис-
пускания атомов является .D-линия натрия (589 нм, жел-
тый свет).
1. Рассчитайте энергию одного фотона и число фотонов,
испускаемых натриевой лампой мощностью 100 Вт за 1 с
2. D-линия натрия возникает из-за перехода электрона
в атоме с Зр на 3s орбиталь. Предскажите энергию иониза-
ции атома натрия (кДж/моль), если энергия отрыва элек-
трона с Зр орбитали составляет 3,03 эВ.
36
Похоже, да не то же
Насколько похожи две молекулы? Почему вещества
одинакового качественного и количественного состава
имеют разные свойства? Подобные вопросы не дают по-
коя естествоиспытателям. Изомерия является фундамен-
тальным понятием в химии. Изомерия (от греческих слов
юос; - равный и церод - доля, часть) - явление, заключа-
ющееся в существовании химических соединений (изоме-
ров), одинаковых по качественному и количественному
составу и молярной массе, но различающихся по строе-
нию (структурные изомеры) или расположению атомов в
пространстве (пространственные, или стереоизомеры), а
вследствие этого, и по свойствам.
Впервые с этим явлением столкнулись немецкие хими-
ки Юстус Либих и Фридрих Велер в 1823 году, когда пыта-
лись объяснить различное поведение двух солей: цианата
серебра AgOCN (устойчивое к удару соединение) и фуль-
мината серебра AgONC (гремучее серебро, разлагается при
ударе со взрывом). В 1828 году Велер превратил неоргани-
ческое вещество цианат аммония NH4OCN в изомерное ему
органическое соединение - мочевину CO(NH2)2, тем самым
показав генетическую связь между неорганическими и ор-
ганическими соединениями. В 1830 году шведский химик
Йоне Якоб Берцелиус столкнулся с явлением изомерии при
исследовании физических свойств П-(+)-винной и вино-
градной (Б,Ь-винной) кислот. Объяснение явления струк-
турной изомерии было дано во второй половине XIX века
в работах казанских химиков Александра Михайловича
Бутлерова (получены изомерные спирты состава С4НЭОН)
и Владимира Васильевича Марковникова (получены изо-
мерные иодиды состава С4НЭ1). И если структурная изоме-
рия в различных своих проявлениях (межклассовая, пози-
ционная, углеродного скелета, положения кратной связи,
таутомерия) частично рассматривается в школьном курсе
химии и обычно затруднений у учащихся не вызывает, то с
37
изучением и пониманием пространственной изомерии дело
обстоит хуже. Давайте же рассмотрим историю возникно-
вения и развития учения о стереоизомерах и современную
классификацию последних.
Явление пространственной изомерии соединений дол-
гое время оставалось непонятным. Вопрос существования
стереоизомеров был разрешен благодаря развитию, пре-
жде всего, оптики (открытие плоскополяризованного све-
та и явления оптической активности
в 1808 году Этьеном Луи Малюсом)
и минералогии (открытие энантио-
морфных кристаллов кварца (SiO2)
(рисунок слева) в 1801 году Рене-
Жюстом Аюи).
Сперва полагали, что явление стереоизомерии присуще
лишь некоторым твердым телам и обусловлено строением
их кристаллической решетки, поэтому только кристалли-
ческие соединения способны отклонять плоскость поляри-
зации света в ту или иную сторону (при их плавлении эта
способность пропадала). В 1813 году французский физик
Жан-Батист Био открыл, что водный раствор сахара и
скипидар также отклоняют плоскополяризованный свет,
и тем самым показал, что это свойство могут проявлять
жидкости и растворы. Соединения, обладающие свойством
отклонять плоскополяризованный свет на определенный
угол, принято называть оптически активными.
В 1848 году французский ученый Луи Пастер провел
важный эксперимент, продемонстрировав, что явление
стереоизомерии зависит от внутренней «архитектуры»
самих молекул. Он заметил, что при 17°С из насыщенного
раствора оптически неактивной натрий-аммониевой соли
виноградной кислоты выпадают кристаллы двух типов,
напоминающие энантиоморфные кристаллы кварца, ко-
торые можно разделить с помощью пинцета и лупы. При
растворении кристаллов одного типа раствор поворачи-
вал плоскость поляризации по часовой стрелке, а друго-
38
го - против. Раствор же из смеси двух типов кристаллов
в соотношении 1 : 1 не обладал оптической активностью.
Пастер пришел к заключению, что кристаллы состоят из
молекул различной пространственной структуры. Таким
образом, впервые была показана хиральность (от грече-
ского %ept - рука) молекул -
свойство объектов не совпадать
со своим зеркальным отображе-
нием (на рис. в качестве приме-
ра показаны (+)- и (-^-натрий-
аммоний тартрат). Термин же
«хиральность» предложил в
1904 году Уильям Томсон (лорд
Кельвин).
В 1869 году Иоганн Висли-
ценус получил изомерные мо-
лочную (из прокисшего молока)
и мясомолочную (из мышечной
ткани) кислоты (см. рисунок
справа), различающиеся только
оптической активностью, и под-
твердил гипотезу Пастера о хи-
ральности молекул. Более того, Вислиценус отметил: «Раз-
личие оптических изомеров можно объяснить различным
|н но ( зерг :о nh. сало С X) NH.
- ин
( ( X) Na 0 ( ( '0 Na )
CO.II COJI
Н-------ОН НО-------II
сн сн
мясомолочная молочная
кислота кистота
расположением их атомов в пространстве, и надлежит ис-
кать определенных представлений в этом расположении».
Хиральность - очень распро-
страненное явление. Оно не огра-
ничивается только химическими
веществами, а распространяется
от физики элементарных частиц до
астрономических объектов. В каче-
стве примера хиральных природ-
ных объектов можно привести ладо-
ни рук и раковины моллюсков рода
Neptunea (см. рисунок).
39
В 1874 году независимо друг от друга Якоб Вант-Гофф в
Голландии и Жозеф Ле Бель во Франции, основываясь на
четырехвалентности атома углерода и принципе наимень-
шего отталкивания заместителей, предположили тетраэ-
дрическое окружение атома углерода. В центр тетраэдра
они поместили атом углерода (С), а
в его вершины - заместители (а, Ь, с,
d), обосновав таким образом возни-
конвение стереоизомерии в соедине-
ниях типа Cabcd и объяснив различие *
в направлениях вращения плоскопо-
ляризованного света на уровне строе-
ния молекул. (Модели, сконструиро-
ванные Вант-Гоффом, см. на рис.)
Если четыре заместителя у центрального атома углерода
различны, то возможны два различных неравноценных их
расположения в пространстве. Эти расположения относятся
друг к другу, как объект к своему зеркальному отображе-
нию. Тетраэдрический углеродный атом рассматривается
как центр асимметрии и называется асимметрическим,
или хиральным, центром. Два различных расположения
дают право(+)- и лево(-)- вращающие изомеры, или зеркаль-
ные изомеры, или оптические изомеры, или энантиомеры.
Смесь равных количеств энантиомеров не обладает опти-
ческой активностью и называется рацемат. Во избежание
путаницы заметим, что знаки (+) и (-) обозначают направ-
ление вращение плоскополяризованного света оптически
активным веществом по часовой стрелке или против нее
соответственно и являются сугубо экспериментальными
величинами. В литературе встречается альтернативное обо-
значение: d для (+) и I для (-) изомеров. Не следует путать
эти обозначения с символами D и L, а также R и S, исполь-
зуемыми в номенклатуре стереоизомеров.
В настоящее время выделено из природных источников
и синтезировано огромное число стереоизомеров. Химика-
ми получены и оптически активные соединения без центров
хиральности. Изучением стереоизомеров и их свойств зани-
мается отдельная область - стререохимия. Стереохимия (от
греческого отерЕос; - твердый, занимающий пространст-
во) - раздел химии, изучающий пространственное строение
молекул и влияние этого строения на физико-химические
свойства и реакционную способность стереоизомеров - изо-
меров, имеющих одинаковый порядок соединения атомов в
молекулах, но отличающихся их расположением в простран-
стве. Статическая стереохимия изучает стереохимию мо-
лекул (молекулярную архитектуру, энергию, физические и
спектральные свойства сте-
реоизомеров), тогда как ди-
намическая рассматривает
поведение стереоизомеров
в реакциях.
Существует большое число стереоизомеров, поэтому,
чтобы проще было ориентироваться в них, была разработа-
на классификация. Прежде всего, стереоизомеры делятся
на две большие группы. Энантиомеры (Э) - пространствен-
ные изомеры с одинаковой внутренней энергией и физико-
химическими свойствами, но различными знаками углов
вращения плоскополяризованного света и различной реак-
ционной способностью по отношению к другим энантиоме-
рам. Молекулы энантиомеров относятся друг к другу, как
объект и его зеркальное ото-
бражение (ниже мы рассмо-
трим это явление подробнее
на примерах). Диастерео-
меры (Д) - пространствен-
ные изомеры с различной внутренней энергией и физико-
химическими свойствами. К диастереомерам относятся
любые стереоизомеры, которые не являются энантиомерами.
Каждый из этих двух классов стереоизомеров, в свою оче-
редь, можно подразделить на два подкласса в зависимости
от возможности/невозможности переходить друг в друга без
разрыва химических связей. Если такая возможность от-
40
41
сутствует, стереоизомеры называют конфигурационными,
если имеется - конформационными. Конформационные
изомеры могут пере-
ходить друг в друга в
обычных условиях,
используя тепловую
энергию для изме-
Стереоизочеры
нения длины химической связи, валентных или двугран
ных углов. Конфигурационные изомеры при стандартных
условиях без разрыва химических связей переходить друг в
друга не могут. Ниже приведены примеры типичных пред
ставителей этих групп веществ.
Конфигурационные энантиомеры
1. Тетраэдриче- ские и октаэдри- R1 R|
ческие соедине- ,х ...
ния с центром R ' \ R2 3 R Кг / R 4r3
хиральности К]
(это не обяза- Х = С, Si, 1S +, P+, M и др.
тельно атом Ri Ri
углерода) R44 1 R5 R5.. 1 R4
>>
R3 1 R6 R6 1 R3
R2 R2 и другие пары
R3 /Rj Ri\ Ri
r4 X r2 r2
2. Кумулирован-
ные диены - сое-
динения с осью
хиральности
3. Спираны - со-
единения с осью
хиральности
X = CH2,0,S, ЫНидр.
m, n - целые числа
42
4. Катенаны,
ротаксаны,
молекулярные
узлы
катенаны
молекулярные узлы
ротаксаны
5. Высшие
трансцикло-
алкены - со-
единения с
плоскостью
хиральности
6. Сэндвиче-
вые металло-
органические
соединения с
плоскостью
хиральности
Х=СН2, О, S, NH и др.
п - целое число
Конформационные энантиомеры
1. Атропоизо- Ri ri
меры - соеди- _>Ri Rp
нения с осью z /'1
хиральности r2 r2 R2 r2
43
2. Пара-цик- лофаны - со- единения с плоскостью хиральности
3. Анса-соеди- нения с плос- костью хи- ральности —0 0—
(I i2C)„-0 О-(С н2)п
4. Гелицены и их произ- водные - со- единения со спиральной хи- НН шХ ( J**1! 3 НН /,й С Л*1! J
ральностыо
5. Молекуляр- ные пропелле- ры Lt» и А М Гъа- Wo\ н си си Я и 4 .у -4- и 1 “'/'if wzw Г- S £ "СГ 1 0 H-S он s"i \
Кош фигурационные диастереомеры
1. я-Диастере- омеры или гео- метрические изомеры(Z ,Е ; цис-, транс) н ,соон н ,сн3 с=с с=с H3cz 'сн3 н3с' соон ^^^^соон
2. о - Диасте- реомеры (син-, анти ; эри тро , трео ) — д — —Д
соон ci —н но — н соон соон соон н — С1 С14“Н н —он н —он соон соон соон H-HC1 но— н соон
44
Приведенная информация и пространственное мышле-
ние помогут вам ориентироваться в вопросах «изомерных
отношений» молекул.
На досуге 3
На схеме зашифрованы химические превращения двух
изомеров бутанола-2.
1. Расшифруйте соединения А-Х, если известно, что
все реакции присоединения протекают стереоспецифично
(то есть строго с одной или с разных сторон С=С-связи). Со-
единения F, D, G являются соседними гомологами с возрас-
тающей в приведенном ряду молекулярной массой.
2. Среди приведенных на схеме соединений выберите
пары энантиомеров, о- и л-диастереомеры.
45
3. Предложите способ выделения веществ N, Y и О из
смесей.
4. Какие из приведенных на схеме веществ могут обла-
дать оптической активностью?
Буратино, из какого ты теста?
Дерево и древесина. Привычные, обыденные объекты,
которые нас окружают. Тем не менее ряд фактов и инте-
ресных особенностей этого замечательного материала, а
также сферы его переработки и применения многим могут
быть неизвестны. Итак, начнем.
Древесина - это твердые, как правило, малофункцио-
нальные части растений. Многие из вас, наверное, видели
старые ивы, насквозь прогнившие изнутри, но тем не менее
распускающиеся каждый год. Внутренние слои ствола дере-
во может утратить без особого урона для себя, если, конеч-
но, туда не попадут споры грибов. Основная роль древесины
в стволе - поддержка и опора ветвей, которые позволяют
охватить большую площадь и активнее вести фотосинтез,
чем если бы они стлались по поверхности земли.
По составу и строению древесина представляет собой ком-
позит из волокон целлюлозы и лигнина. С современной и
очень популярной точки зрения, его можно даже назвать на-
нокомпозитом, так как волоконца целлюлозы вполне подхо-
дят под определение наночастиц. Целлюлоза - это линейный
полисахарид, состоящий из звеньев глюкозы. Она нераство-
рима в воде, большинстве органических растворителей, мед-
ленно взаимодействует с водой в присутствии сильных кис-
лот. Неожиданным может показаться факт, что целлюлоза
взаимодействует с растворами щелочей - ведь в ее составе нет
сн2он он сн2он
он сн,он он
кислотных групп. 1ем не
менее реакция протекает
легко и широко применя-
ется в промышленности
46
при получении модифицированной целлюлозы (вискозы).
Вы тоже знакомы с проявлениями этого процесса: наверное,
слышали, что хлопковая ткань после стирки «садится». Это
результат взаимодействия волокон целлюлозы со щелочны-
ми компонентами стиральных порошков.
Вторая основная со-
ставляющая древеси-
ны - лигнин. Лигнин
представляет собой по-
лимер, состоящий из
трех основных компо-
нентов - фрагментов кониферилового (I), синапового (II)
и паракумарового (III) спиртов.
Лигнин, фрагмент структуры которого изображен на
рисунке слева, не имеет строго определенной формулы, и
даже в разных частях одного растения (например, в разных
годовых кольцах) может быть различным. Образование
н ,0
'с'
сн-о-
сн.он
сн
сн.о
о—сн сн.он
сн
CH.0 т I
о—сн
сн.он
сн3о т
сн2он он
снон
сн
т осн,
о
H.COH
снон
0 CH CHjQ
сн----------о
носн,
осн
сна0
но
нс
носн.
сн—
снон
сн,он
сн о
сн
снон
НС-о
осн..
сн----о
I I
СНОН с=о
лигнина в расте-
ниях - это уни-
кальный процесс:
он протекает по
радикальному
механизму и не-
обратим. Как не
бывает двух оди-
наковых людей,
так нет двух оди-
наковых лигни-
нов. Лигнин не
растворяется в
кислотах и щело-
чах, устойчив к
действию органи-
ческих раствори-
телей, напрямую
не расщепляется
47
никакими ферментами. Остатки лигнина в почве разру-
шаются очень медленно, постепенно превращаясь в гуми-
новые кислоты, вариант структуры которых изображен
ниже. Количеством накопленного почвой гумуса во многом
определяется тип и плодородие почвы.
соон
Третьим основным компонентом древесины являются
гемицеллюлозы. Это полисахариды, построенные из остат-
ков пентоз (ксилоза, арабиноза) и гексоз (манноза, фрукто-
за), отличных от глюкозы. По свойствам они напоминают
целлюлозу, но лучше растворяются в щелочи и быстрее ги-
дролизуются кислотами.
Древесина обычно содержит незначительное количе-
ство минеральных солей, но есть и исключения. Например,
хвощ содержит довольно много кремнезема; немало его и в
рисовой шелухе. Последняя, кстати, по этой причине при-
менятся в промышленности для тонкой полировки мелких
металлических изделий. Минеральные компоненты проще
всего выделить сжиганием древесины. Образующаяся зола
представляет собой остаток, содержащий неорганические
компоненты, входившие в ее состав.
48
Свое происхождение древесина ведет, скорее всего, от
бактерий, которые впервые обзавелись клеточной стен-
кой, и водорослей. После длительной эволюции они пре-
вратились в современные растения. Плотность, твердость,
структура и текстура древесины разных видов растений
сильно различаются: от очень твердых и тяжелых дуба и
лиственницы до мягких и легких осины и сосны. Древе-
сина березы и вишни очень вязкая и устойчивая к ударам,
дуб же легко раскалывается вдоль волокон. Общее наблю-
дение у мастеров по дереву следующее: медленнорастущие
виды деревьев, как правило, обладают плотной и прочной
древесиной с мелким рисунком. Быстрорастущие - более
рыхлые и мягкие, с широкими полосами годовых колец.
Дерево - материал капризный. В первую очередь это свя-
зано с тем, что древесина «дышит». В зависимости от влаж-
ности воздуха дерево может набухать и увеличиваться в
объеме или, наоборот, сжиматься. Силы, которые при этом
развиваются, велики. Например, если в пробитую в валуне
щель забить плотный деревянный клин и смочить его водой,
то набухающее дерево разорвет камень. Мебель, двери, полы,
изготовленные из деревянных досок, всегда имеют скры-
тые пазы, призванные компенсировать расширение древе-
сины при изменении влажности воздуха. Дерево твердых
пород хорошо полируется, мягких пород - обычно плохо.
Хорошо просушенная древесина несъедобна для насеко-
мых и устойчива к действию грибов и бактерий. Влажная
древесина, особенно мягких пород, склонна к гниению.
Рекордсменом по устойчивости является лиственница: из-
вестны случаи, когда сваи или даже желоба водостоков из
лиственницы служили более ста лет. В селах нижние вен-
цы домов старались класть именно из лиственницы: это
гарантировало, что дом не сгниет и не просядет. Сейчас
для придания дереву устойчивости к действию грибов при-
меняются различные пропитки: от креозота и фенола для
пропитки шпал до специальных пропиток на водной осно-
ве, быстро высыхающих и почти не имеющих запаха. Са-
49
мой простой, но в то же время эффективной является обра-
ботка солями меди: сульфатом или хлоридом. Ионы меди
надежно защищают дерево, но придают ему неприятный
зеленовато-синий оттенок, поэтому для изделий, которые
не покрываются краской, такие методы применяются ред-
ко. Эффективным, хотя и непростым, методом является
глубокая пропитка дерева смолой или воском. Особенно
красиво выглядит навощенное дерево с мелким рисунком.
В качестве конструкционного материала дерево имеет
один серьезный недостаток: оно способно гореть. Для при-
дания ему негорючести применяется обработка древесины
кислотами (например, борной) и солями аммония (чаще
всего сульфатом или фосфатом). Механизм защитного дей-
ствия кислот заключается в хорошо известной вам реак-
ции дегидратации полисахаридов. Под действием кислот
эта реакция протекает легче и быстрее, и из дерева образу-
ется уголь, который, несмотря на горючесть, относится к
труднозажигаемым материалам.
Есть и специфические применения дерева в строитель-
стве, где оно служит намного лучше и дольше металла.
Например, ангары и балки, которые работают в соляной
пыли или соляном тумане. Так, несущие балки ангаров на
Солигорском комбинате выполнены из многослойного про-
клеенного дерева. В отличие от металлических, которые в
подобных условиях интенсивно корродируют, деревянные
балки от пропитки солью делаются только крепче и в кон-
це концов становятся даже негорючими.
Во многом неожиданным может показаться использова-
ние дерева в авиации, но это так. Фюзеляжи и крылья мно-
гих самолётов, прославившихся во Второй мировой войне
(легендарные «Mosquito» и Ил-2), были сделаны из фанеры.
Эти материалы обеспечили малый взлетный вес, высокую
скорость и маневренность. Кроме того, они были более до-
ступы, чем дефицитный металл. Фанеру можно считать про-
образом современных композиционных материалов, приме-
няемых в авиации. Она отличается малым весом, высокой
50
прочностью по всем направлениям, достаточной жесткостью
и упругостью. Сейчас исследуется прокатка дерева на метал-
лургических прокатных станах, при которой древесина пре-
вращается в плотный и прочный конструкционный матери-
ал, склеенный за счет содержащейся в ней смолы.
Издавна дерево применялось в кораблестроении. Начи-
ная от плотов и неуклюжих лодок, проходя через стадию
величественных каравелл и заканчивая стремительными
клиперами - все эти суда строились из дерева лучших по-
род. Наиболее известный и быстроходный чайный клипер
«Катти Сарк» исправно служил даже в начале XX века. В
России были специальные «корабельные» леса, которые
категорически запрещалось рубить без высочайшего раз-
решения. Особенно выделялись корабельные сосны, из ко-
торых изготавливали мачты. Несмотря на большую длину,
подобные сосны были однородными и прочными до такой
степени, что свая из такой сосны даже могла пробить борт
первых паровых броненосцев. Такое применение сосновых
мачт было реализовано, когда Черноморский флот был за-
топлен в бухте при обороне Севастополя в Крымской войне.
Одним из необычных экспериментов была постройка лодок
«Ра» и «Ра-П» норвежским исследователем Туром Хейер-
далом. Лодки были сделаны по рисункам древних египтян
и из современных им материалов, тем не менее Хейердал
смог переплыть Атлантику и высадиться в Америке. Поз-
же на плоту «Кон-Тики» он переплыл из Южной Америки
на острова Пасхи.
Для химика древесина является источником разно-
образных ценных веществ. Это канифоль и деготь, цел-
люлоза и лигнин, бетулин, скипидар, глюкоза, ванилин,
метанол и многое другое. Наиболее широко применяется
переработка дерева на сахар и далее на этиловый спирт.
Процесс был разработан еще в конце XIX - начале XX века
и заключался в обработке древесной щепы кислотой, отде-
лении неразложившихся остатков и сбраживании получен-
ного раствора глюкозы дрожжами. Наиболее эффективной
51
в технологии является соляная кислота, самой дешевой -
серная, самой «полезной» - фосфорная, которая после ней-
трализации полностью перерабатывается дрожжами. При
перегонке получался спирт, известный под названием «ги-
дролизный». В первую очередь, подобное масштабное про-
изводство спирта было необходимо для получения каучука
по методу Лебедева. Пиролиз древесины без доступа воз-
духа дает метиловый спирт, имеющий даже тривиальное
название «древесный». Сейчас метанол, в основном, полу-
чают из синтез-газа или контролируемым каталитическим
окислением метана, поэтому пиролизныи метанол практи-
чески утратил свое значение. Производство бумаги разделя-
ет древесину на волокна целлюлозы и лигнин. Применение
и полная утилизация лигнина еще до конца не разработа-
ны, хотя он с успехом используется как присадка для бето-
на, сырье для получения ванилина, метанола и древесного
угля. Недостатком лигнина, получаемого при производстве
бумаги, является довольно большое содержание серы, что
не позволяет безопасно его сжигать. Интересными, пусть и
мало распространенными применениями древесины явля-
ются получение бетулина из березы и арабиногалактанов
из древесины лиственницы. Бетулин уже зарекомендовал
себя как лекарственное средство, а арабиногалактаны мо-
гут быть безвредными пищевыми загустителями.
Старейшим является применение древесины в каче-
стве топлива. Дрова использовали наши предки, не утра-
тили они своей актуальности и сейчас. Они относятся к
полностью возобновляемым источникам топлива, облада-
ют немалой теплотворной способностью и не привносят в
атмосферу дополнительного количества углекислоты, что
происходит при сжигании угля или нефти. В качестве про-
мышленного источника дров рассматриваются быстрора-
стущие породы деревьев, такие, как акация и тополь. В то
же время считается, что подобные посадки «топливных ле-
сов» могут серьезно истощить почву по необходимым для
роста растений микроэлементам. Помимо колотых дров,
52
применяются топливные пеллеты, которые производятся
из отходов переработки дерева.
Древесина может служить и в роли мощной взрывчат-
ки. Во время Второй мировой войны смеси древесной муки
с аммиачной селитрой широко применялись для снаряже-
ния боеприпасов Германией и СССР. Способна взрывать-
ся и древесная пыль, что требует особого внимания при
промышленной переработке дерева. Древесная пыль мо-
жет применяться и в качестве топлива для газотурбинных
двигателей.
Пиролиз древесины дает уголь, который после обра-
ботки перегретым водяным паром проявляет большую
сорбционную способность и называется активированным.
Высокие сорбционные свойства углю придают фрагменты
микроструктуры древесины: уцелевшие клеточные стен-
ки, каналы и поры, копирующие структуры исходной дре-
весины. Лучшие угли получаются из твердых и плотных
пород дерева (березы, дуба), а особенно - кокосовой скор-
лупы. Активированный уголь является катализатором
некоторых реакций, например, образования бензола из
ацетилена, но чаще используется как высокоэффектив-
ный сорбент. Впервые для подобной роли его предложил
известный химик Николай Дмитриевич Зелинский, он же
изготовил и первые угольные противогазы. С небольшими
изменениями они дошли до сегодняшнего дня и присут-
ствуют в каждой химической лаборатории. Однако необхо-
димо помнить, что угольные противогазы плохо защища-
ют от низкомолекулярных полярных веществ, таких, как
аммиак и хлороводород - для защиты от этих газов приме-
няются специальные фильтрующие патроны.
При нахождении древесины под землей довольно часто
наблюдается окаменение. С точки зрения геологии, этот
процесс называется «образование псевдоморфоз кремне-
зема по дереву». Механизм процесса довольно прост: при
гниении среда в древесине и вокруг нее становится кислой.
Если при этом подземные воды переносят растворенные
53
формы кремния (силикаты), то при контакте с такой дре-
весиной эти компоненты выделяются в осадок, постепенно
пропитывая ствол и замещая дерево камнем. Процесс про-
текает медленно, и это позволяет заместить древесину на
камень с сохранением текстуры, без раздавливания ее ве-
сом вышележащих горных пород. Подобное окаменевшее
дерево иногда используется для изготовления мебели, хотя
в данном случае нужны уже мастера-каменотесы и скуль-
пторы. Обычно же при попадании под землю древесина
уплотняется, прессуется и обезвоживается, образуя снача-
ла бурый (лигнит), а затем и каменный (антрацит) уголь.
Иногда из антрацита может образовываться даже графит,
но этот процесс требует целого ряда специфических усло-
вий, поэтому природные месторождения графита встреча-
ются сравнительно редко.
Были предприняты многочисленные попытки создать
имитацию дерева. Наиболее удачной является так называе-
мое «жидкое дерево», или арболит. Этот материал представ-
ляет собой порошок лигнина, склеенный термопластичным
полимером. Он прочен, может имитировать внешний вид
древесины и поддается переработке. В испытаниях арбо-
лит раскалывали на кусочки, затем их переплавляли и вос-
станавливали разрушенную деталь. Подобную процедуру
проводили до десяти раз, при этом прочность композита не
снижалась. К некоторым недостаткам арболита относится
его устойчивость в природной среде, что роднит его с пла-
стиками - одними из самых массовых загрязнителей.
Наконец, парки и леса - это излюбленное место отды-
ха. Сложный аромат, создаваемый растущими и цветущи-
ми деревьями, не могут полностью скопировать даже луч-
шие химики. Анализом лесного воздуха можно установить
сотни различных его составляющих, но ни полный синтез
всех этих компонентов, ни смешение их паров в нужной
пропорции нереальны. Нам необходимо многому научить-
ся у природы и, безусловно, ее нужно беречь.
54
На досуге 4
На рисунке гуминовых кислот в тексте статьи (стр. 48)
встречаются группы, нехарактерные для живой природы.
Укажите их.
Разными путями
Вы наверняка обращали внимание на то, что результат
химического превращения сильно зависит от условий его
проведения. Иными словами, одни и те же исходные веще-
ства могут превратиться в различные продукты реакции.
Эти процессы протекают с разными скоростями, и, если
научиться ускорять один из них, можно получать желаемое
вещество с хорошим выходом. Наиболее ярко обсуждаемое
явление проявляется при катализе и особенно биокатализе.
Поэтому рассмотрим, к чему может приводить избиратель-
ное протекание реакции на примере процессов брожения.
Брожением (сбраживанием, ферментацией) называется
катализируемое ферментами (биокатализаторами) превра-
щение молекул органических веществ, в первую очередь
углеводов, в сравнительно простые соединения (которые
могут использоваться далее в метаболизме) с образованием
аденозинтрифосфата (АТФ). Энергия в АТФ запасена в виде
макроэргических связей О-P трифосфатного фрагмента,
и это вещество служит источником энергии для всех про-
цессов в клетке. Процесс брожения может осуществляться
в организме животных, растений и микроорганизмов без
участия кислорода (анаэробное брожение) или в его при-
сутствии (аэробное брожение). Более распространенным
является анаэробный процесс, и, по выражению Луи Па-
стера, «брожение - это жизнь без кислорода».
Процесс брожения известен с глубокой древности. Еще
в Древнем Вавилоне и Египте умели приготавливать пиво,
вино и уксус. Истоки получения кумыса, творога, кефира и
других молочных продуктов также затеряны в веках. Нема-
ло способствовало этому открытию повсеместное распростра-
55
нение дрожжей и лактобактерий в живой природе. Древние
китайцы, вероятно, первыми стали сбраживать овощи (Ки-
тай считается родиной квашеной капусты). Впервые систе-
матическое изучение брожения провел известный химик Ан-
туан Лавуазье в конце XVIII века. Он установил, что в ходе
спиртового брожения сахар разлагается на спирт и углекис-
лый газ. Вскоре после этого Жозеф Луи Гей-Люссак показал,
что суммарная масса спирта и углекислого газа равна массе
расщепленного сахара. В 30-е годы XIX века микробиологи
Шарль Каньяр де Латур и Теодор Шванн доказали, что дрож-
жи, открытые ранее Антони ван Левенгуком, - живые клет-
ки. Они высказали идею о том, что брожение - результат их
жизнедеятельности. Эта идея была воспринята неоднознач-
но: Юстус Либих отвергал ее, а Луи Пастер считал, что бро-
жение требует наличия особой «жизненной силы» и может
идти только в живых организмах (in vivo). В 1893-1898 годах
Эдуард Бухнер установил, что брожение может происходить
не только в клетках дрожжей, но и в бесклеточном дрожже-
вом экстракте (за что в 1907 году получил Нобелевскую пре-
мию по химии). Благодаря его работам стало понятно, что
многие биохимические реакции можно проводить в пробир-
ке (in vitro) с использованием ферментных препаратов при
определенных температуре и составе среды, но без непосред-
ственного участия живых организмов.
В природе реализуются различные типы брожения, но
начинаются все они одинаково. Сперва под действием фер-
ментов поли-, олиго- или дисахариды гидролизуются до
простых углеводов, таких, как глюкоза, фруктоза и другие.
В организме человека такой процесс начинается уже в ро-
товой полости при действии ферментов слюны - амилазы и
Гликолиз
н-|~он
Hi
н—1-он
Н—р-ОН
СН2ОН
D-глюкоза
о
Н + 2Н АД - + 2АДФ + 2РО43
о
пируват
56
мальтазы. Далее следует многостадийное, катализируемое
ферментами превращение моносахарида в пируват-ион.
Это превращение протекает в анаэробных условиях и на-
зывается гликолизом (от греческих слов уХпкод - сладкий
и Хиоц - разрушение). В высших организмах процесс гли-
колиза осуществляется в клетках мышечной ткани при ин-
тенсивной нагрузке. Его результатом является превраще-
ние каждой молекулы моносахарида в два пируват-иона,
две молекулы аденозинтрифосфата (АТФ), две молекулы
природного восстановителя - кофермента никотинамид-
адениндинуклеотида (НАДН).
Аденозинтрифосфат (АТФ)
Аденозиндифосфат (АДФ)
Далее судьба пируват-иона зависит от внешних условий.
В присутствии кислорода, мультиферментных систем, ко-
ферментов и кофакторов он превращается в ацетилкофер-
мент А (Ас-КоА). Последний, в свою очередь, вступает в
цикл Кребса и после стадий окислительного фосфорилиро-
вания дает углекислый газ и воду. Процесс полного окисле-
ния моносахаридов реализуется у большинства известных
организмов и называется аэробным дыханием:
С,.Н,9ОЙ + 60, + 38АДФ + З8РО.3- ->
-> 6СО2 + 6Н2О + 38АТФ + Q.
Результатом анаэробного брожения обычно является
неполное окисление углеводов и образование различных
продуктов (этанол, изопропиловый спирт, бутандиол-2,3,
метан, водород, ацетон, молочная, масляная, пропионовая,
уксусная, лимонная кислоты и другие вещества), а также
получение энергии (запасается в виде АТФ). Поскольку в от-
сутствие кислорода перечисленные продукты не могут быть
подвергнуты дальнейшему метаболизму, то они часто выво-
57
дятся из клет-
ки и нака-
пливаются в
среде. Про-
цесс броже
ния является
важным для
анаэробных
организмов,
поскольку на
этом этапе ре-
генерируется НАД\ который требуется для процесса глико-
лиза. Как видно из схем реакций, процесс аэробного дыха-
ния приводит к значительно большему выделению энергии
(синтезируется 38 молекул АТФ) по сравнению с процессом
брожения (2 молекулы АТФ). Несмотря на это, процесс анаэ-
робного брожения реализуется в мышечной ткани человека
для быстрого получения энергии (при интенсивных физиче-
ских нагрузках и недостаточном количестве кислорода). В
отличие от беспозвоночных, у человека этот процесс носит
кратковременный характер (гликолиз с образованием мясо-
молочной кислоты дает энергию на период до 2 минут). Счи-
тается, что брожение было первым источником энергии для
общих предков всех жи-
вых организмов до того,
как концентрация кис-
лорода в атмосфере стала
достаточно высокой.
На схеме приведена
возможная классифика-
ция типов брожения в за-
висимости от образующе-
гося продукта и наличия
кислорода в системе.
Спиртовое брожение происходит в анаэробных услови-
ях в присутствии некоторых дрожжей рода Saccharomyces и
58
бактерий рода Zimomonas. При спиртовом брожении проте
кают реакции декарбоксилирования пируват-ионаи гидрид
ного восстановления ацетальдегида коферментом НАДН.
О
пируватде-
карбоксилаза
Н3С
алкогольде-
щсГЛон
< этанол ,
гидрогеназа
НАДН,Н- НАД*
Н
Спиртовым брожением получают пищевой спирт-сырец.
Для производства пищевого спирта чаще всего использу-
ются зерновые - пшеница, рожь, ячмень, овес, кукуруза,
просо; сахарную свеклу, сахарную патоку или мелассу,
картофель, гидролизат целлюлозы обычно превращают в
технический спирт. Сырец, получаемый на основном этапе
производства, не может быть использован для пищевых це-
лей, так как содержит много вредных примесей - сивуш-
ных масел, метилового спирта, сложных эфиров. Многие
примеси ядовиты, кроме того, они придают спирту неприят-
ный запах, поэтому сырой спирт подвергают очистке - рек-
тификации. Спирт-сырец после перегонки называют ректи-
фикатом. Он содержит 95,6% этанола по объему. Вредные
примеси образуются при сбраживании осахаренной массы.
Метиловый спирт является продуктом распада пектина -
метилового эфира полигалактуроновой кислоты, который
содержится в растительных тканях. Сивушные масла, яв-
ляющиеся смесью спиртов (изомеры С3 - С5), образуются в
результате дезаминирования аминокислот, которые, в свою
очередь, возникают при гидролизе белков. Сложные эфиры
(этилизобутират, этилизовалерат) образуются при взаимо-
действии этилового спирта и сивушных масел с органиче-
скими кислотами, являющимися побочными продуктами
брожения. Спиртовое брожение используют в пивоварен-
ной, хлебопекарной промышленности и винокурении.
Молочнокислое брожение может происходить в клет-
ках позвоночных при интенсивных физических нагруз-
ках и недостатке кислорода, а также в культурах анаэ-
робных бактерий Streptococcus, Lactobacillus и других.
59
Процесс молочнокис-
лого брожения заклю-
чается в восстановле-
нии пируват-ионов в
лактат-ионы кофер-
лактатде-
гидрогеназа
НАДН, Н НАД
о
о
ментом НАДН в присутствии фермента лактатдегидроге-
назы. Пируват-ионы при этом типе брожения образуются
в результате процесса гликолиза.
По такому пути в природе образуются L-молочная кис-
лота, D-молочная кислота (мясомолочная кислота) и ра-
цемическая молочная кислота (молочная кислота броже-
ния). Выход реакции молочнокислого брожения может
достигать 90%. Оно применяется при изготовлении кис-
ломолочных продуктов, хлебопечении, квашении овощей,
силосовании кормов.
Маслянокислое брожение протекает по более сложно-
му пути, чем молочнокислое и спиртовое. Пируват-ион
в несколько стадий превращается в ацетилкофермент А
(Ас-КоА), который вступает в реакцию сложноэфирной
конденсации с образованием ацетоацетилкофермента А.
Последний в несколько стадий восстанавливается кофер-
ментом НАДН в масляную кислоту. Этот тип брожения
имеет место в анаэробных бактериях видов Clostridium
butyricum, Amylobacter Clostridium и других.
о о
Лимоннокислое брожение может протекать только в
кислородной среде. Пируват-ион, как и в случае масляно-
60
кислого брожения, превращается в Ас-КоА, который при-
соединяется к щавелевоуксусной кислоте (НО2ССН2С(О)
СО2Н). Такое присоединение катализируется ферментом
цитрат-синтазой и осуществляется в рамках цикла Креб-
са. Продуктами аэробного окисления могут быть и другие
метаболиты цикла Кребса - янтарная и фумаровая кис-
лоты. Раньше лимонная кислота добывалась, в основном,
из цитрусовых - лимонов и апельсинов. Этот способ очень
невыгоден, так как высушенные плоды содержат только
7-9% лимонной кислоты. В настоящее время ее для пи-
щевых целей получают, главным образом, путем броже-
ния, а для технических - переработкой отходов табака и
махорки. Продуцентом служит плесневый гриб Aspergillus
niger. Основным сырьем является меласса - черная пато-
ка. Ее раствор, содержащий около 15% сахара, в который
добавляют необходимые для гриба питательные вещества,
наливают невысоким слоем в плоские открытые сосуды и
засевают спорами. Сосуды помещают в бродильные каме-
ры, которые продувают стерильным воздухом. Процесс
продолжается неделю при температуре около 30°С. Выход
лимонной кислоты достигает 70%. Лимонная кислота ис-
пользуется в кондитерской промышленности и медицине.
О
о
н3с\°
о
пируват де-
гидрогеназа
О НО2С
„ ^А„.КоА цитратсинтаза
S
KoA-SH СО2
НАД' НАДН
U А И2°
ацетил КоА 4
KoA-SH
' но СО2Н >
HO2cJ<zCO2H
лимонная
< кислота J
Уксуснокислое брожение было известно в глубокой древ-
ности, а уксусная кислота - одно из первых органических
веществ, известных человеку. Ее получили алхимики еще
в IX веке до н.э. именно брожением. Они заметили, что на
поверхности содержимого оставленного на воздухе сосуда
с виноградным вином через день-два появлялась сероватая
пленка, продукция мутнела и прокисала. Возбудителем ук-
суснокислого брожения являлся аэробный гриб Mycoderma
aceti. При уксуснокислом брожении в две стадии протекает
61
реакция окисления этилового спирта: сначала образуется
уксусный альдегид, который затем окисляется в уксусную
кислоту. Уксуснокислые бактерии кислотоустойчивы, и не-
которые могут развиваться при pH среды вплоть до 3,2. Ук-
суснокислые бактерии имеют родовое название Acetobacter.
Эти бактерии различаются размерами клеток, устойчиво-
стью к спирту, способностью накапливать в среде большее
или меньшее количество уксусной кислоты и другими при-
знаками. Например, Acetobacter schutzenbachii накаплива-
ют в среде до 12% уксусной кислоты. Уксуснокислое броже-
ние используется для лучшей сохранности продуктов, так
как многие болезнетворные бактерии и грибы не могут су-
ществовать в таких условиях. Уксуснокислые бактерии ши-
роко распространены в природе, они встречаются на зрелых
плодах, ягодах, в квашеных овощах, вине, квасе и пиве.
Перечень типов брожения на этом не заканчивается. Но
уже даже рассмотренные показывают, как, зная особенно-
сти химических процессов, можно направить их во благо.
На досуге 5
Для изучения процесса брожения химик приготовил в
колбе раствор, состоящий из 1,0 кг тростникового сахара
и 3,0 л воды. Полученный сироп он нагрел до температуры
30 С и добавил 100 г сухих дрожжей. Реакционную колбу
он снабдил мешалкой и газоотводной трубкой. Конец труб-
ки соединил последовательно с промывной склянкой, со-
держащей концентрированную серную кислоту, а затем
со склянкой с баритовой водой. Выделившийся в процессе
брожения газ был количественно поглощен баритовой во-
дой, при этом выпал осадок. Этот осадок химик перенес на
бумажный фильтр, промыл небольшим количеством хо-
лодной воды, поместил в сушильный шкаф, высушил до
постоянной массы и взвесил.
1. Напишите уравнения реакций, протекавших в ходе
эксперимента.
2. Известно, что при достижении массовой доли спирта
14% в смеси брожения дрожжи погибают и процесс оста-
62
навливается. Рассчитайте массу тростникового сахара, ко-
торый останется в растворе после окончания брожения в
описанном эксперименте.
3. Найдите массу осадка после высушивания, если для
поглощения газа было использовано 2,3 л баритовой воды
с концентрацией 3,20 М.
О карликах и не только
Что такое нанотехнологии? Сейчас об этом много гово-
рят и много напускается тумана и обмана. Вообще, с нано-
размерными объектами человек знаком очень давно. Самые
первые наноматериалы, использованные Homo sapiens, -
это были кремни для изготовления орудий труда. Кремень
(рисунок 4 на 3-й странице обложки) - это достаточно одно-
родный конгломерат наночастиц кремнезема. Скол по спа-
ям наночастиц позволял получать очень острую режущую
кромку, которую не удавалось создать на граните или дру-
гих крупнозернистых горных породах. Другим камнем,
содержащим наноструктуры, был нефрит: пронизанный
тончайшими волокнами, он очень прочен, хотя достаточно
мягок и удобен для обработки. Далее было получено мыло,
мицеллы которого в воде имеют размер до 30 нм, и множе-
ство других материалов.
Первыми настоящими продуктами нанотехнологии,
пожалуй, стоит признать булатные и особенно дамасские
стали. Эти имеющие нанометровые размеры структуры
металла, которые и определяют особые свойства клинков,
впервые создавались искусственно и целенаправленно.
Итак, к области нанотехнологий относятся искусствен-
ные материалы, особые свойства которых определяются
размерными характеристиками (менее 100 нм хотя бы по
одной из осей), а также методы их получения и обработки.
(Напомним, что приставка нано- означает миллиардную
часть целого и происходит от греческого vavo<; - гном, кар
лик.) Иначе можно сказать, что нанотехнологии - это осо-
бый взгляд на обычные технологии, понимание и управ-
63
ление ими на глубинном уровне
структуры вещества.
В природе наноструктуры широ-
ко распространены. Это, в первую
очередь, клеточные структуры, ор-
ганеллы, скелеты одноклеточных
организмов. Очень красивы ажур-
ные скелеты радиолярий (смотри
рисунок). Кроме этого, нанометро-
вые размеры имеют многие мине-
ральные частицы: вулканическая
пыль, туманы, частицы дыма. Са-
мые распространенные биологиче-
ские нанообъекты - вирусы - также имеют размеры по-
рядка десятков нанометров. Найти природные объекты,
совсем не содержащие наночастиц, пожалуй, невозможно.
Какие же виды наноматериалов бывают? По особенно-
стям строения их делят на 0-мерные, 1-мерные, 2-мерные
и 3-мерные.
О-мерные имеют размерность по всем
трем осям менее 100 нм. Это мицеллы
ПАВ, фуллерены, квантовые точки (на-
нокристаллы полупроводниковых мате-
риалов, например кремния или селенида
кадмия), магнитные наночастицы, нано-
частицы благородных металлов, крупные биологические
молекулы. Обычно они существуют в растворах (которые
называют коллоидными) и часто теряют свои свойства при
осаждении. На рисунке, например, магнитная жидкость в
постоянном магнитном поле.
1-мерные имеют размерность по двум
осям менее 100 нм, а по одной - не огра-
ничены. Типичным примером являются
углеродные нанотрубки (рисунок спра-
ва), нановолокна металлов и сплавов,
некоторые мицеллы, имеющие цилиндрическую форму,
64
сунок слева).
молекулы ДНК, некоторые белковые агре-
гаты.
2-мерные имеют размерность по одной
оси менее 100 нм, а по двум другим - не
ограничены. Это обладающие особыми
свойствами тонкие пленки и столь попу-
лярный на сегодняшний день графен (ри-
3-мерные формально не имеют
размерности менее 100 нм ни по
одной оси, однако состоят из нано-
размерных частиц, образующих
материал. К подобным материа-
лам относят наноструктурирован-
ные металлы и сплавы, в какой-то
мере - пены и активированные
угли, анодные оксиды алюминия
и титана (рисунок справа).
Существуют и иные виды клас-
сификации наноматериалов: по биологическому действию;
по составу; по проявлениям особых свойств: магнетизму,
оптическим свойствам; и ряд других. Обычно они характе-
ризуют конкретные группы наноматериалов по получению
или назначению.
Как получают нанообъекты?
Методы получения наночастиц очень разнообразны,
и невозможно выделить какой-либо универсальный. В
целом подходы делят на две группы: «сверху-вниз» и
«снизу-вверх». Первый принцип предполагает измельче-
ние вещества в присутствии различных добавок и полу-
чение тонких порошков или стабилизированных взвесей
твердых веществ в растворах. Второй - образование частиц
при объединении атомов, ионов или молекул. Методы по-
лучения зависят от химического состава и назначения ма-
териала, его механических свойств, способности его к вы-
держиванию различных воздействий. Например, золото
65
невозможно размолоть до наноразмерного состояния, так
как оно пластично и получаемые частицы будут слипаться,
однако его можно расплющить в тончайшие пленки, хотя
это и требует специальной технологии. Магнетит, кварц и
другие хрупкие материалы нельзя расплющить в пленку,
но можно растереть до сверхтонкого порошка. Сульфиды
и селениды d-металлов при помоле требуют инертной ат-
мосферы, так как их тонкие порошки интенсивно окисля-
ются. Размол твердых материалов, таких, как корунд и
карборунд, хотя, в принципе, и возможен, тем не менее не
применяется из-за сильного истирания мелющих шаров и
загрязнения получающихся порошков.
Более удобным является подход «снизу-вверх» или син-
тез наноразмерных структур из атомов или ионов. Он реали-
зуется разными способами, часть которых основана на физи-
ческих процессах, а часть - на химических. Из физических
методов наиболее зрелищным является электровзрыв про-
водника. Через тонкую металлическую проволоку пропу-
скается ток большой силы и высокого напряжения. Металл
мгновенно раскаляется и испаряется. Пары расширяются,
остывают и конденсируются в капли, имеющие наноме-
тровые размеры (схема). Таким способом можно получать
нанопорошки металлов и сплавов, некоторые соединения
металлов, например оксиды и нитриды. Проводя электро-
взрыв проводника под слоем растворителя, можно получить
карбиды, гидриды и ряд других соединений, однако полу-
чаемые вещества будут иметь переменный состав. Похожим
методом является плазменный синтез наноматериалов. В
факел горячей плазмы подается тонкий порошок измель-
чаемого материала, испаряется там и после конденсации об
66
разует наночастицы. Оба метода чрезвычайно энергоемки и
часто требуют инертной атмосферы. Применяют их не очень
широко, хотя ряд материалов, например нанопорошки воль-
фрама, получить иным способом практически невозможно.
Гораздо менее экстремальны химические методы. Очень
популярна методика получения магнитных наночастиц со-
вместным осаждением солей железа (II) и железа (III) по
реакции:
FeCl2 + 2FeCl3 + 8NaOH = Fe3O4 + 8NaCl + 4H2O.
Получающиеся частицы магнетита имеют размер в не-
сколько десятков нанометров и отличаются сильными маг-
нитными свойствами. Их суспензии в воде или органиче-
ских растворителях называют магнитными жидкостями и
широко применяют в технике.
Наночастицы золота обычно получают восстановлени-
ем его хлоридов лимонной кислотой, но иногда использу-
ются и довольно странные методики, например, восстанов-
ление при помощи экстракта гаванских сигар или зеленого
чая. Наночастицы серебра, вероятно, вы наблюдали: когда
на кожу попадали капельки нитрата серебра, появлялось
черное пятно, не смываемое водой. Это почернение - отло-
жение наночастиц серебра в тканях.
Полученные наноматериалы требуют анализа. Наибо-
лее распространенным методом является прямое наблю-
дение наночастиц при помощи электронного микроскопа.
Современные микроскопы позволяют «наблюдать» даже
отдельные атомы, хотя имеют и свои ограничения: легкие
атомы (водород, литий, бериллий и бор) в них практиче-
ски невидимы. Связано это с фундаментальными основами
принципа электронной микроскопии. Так что если где-то
увидите сообщение о наноструктурах воды, наблюдаемых
в электронный микроскоп, то смело можете дальше не чи-
тать, поскольку это обман. В электронный микроскоп труд-
но, хотя возможно, наблюдать органические (например,
клеточные) структуры. Связано это с тем, что под действи-
ем электронного луча органические молекулы разлагаются.
67
Кроме электронной микроскопии, есть еще так называемые
зондовые методы: атомно-силовая микроскопия (АСМ), ска-
нирующая туннельная микроскопия (СТМ), особые оптиче-
ские методы. Одним из достижений АСМ является наблю-
дение процесса деления живой клетки, пусть и произошло
оно в целом случайно: в процессе изучения клетки она раз-
делилась на две. Туннельный микроскоп позволяет опери-
ровать отдельными атомами и
складывать из них структуры.
Так, именно с его помощью
впервые было выложено слово
из атомов (рисунок справа).
Какие особые свойства имеют наночастицы? Наночасти-
цы часто имеют свойства, которые отличают их как от ком-
пактных материалов, так и от ионов. Например, клеточная
мембрана малопроницаема для ионов, что выработано дли-
тельной эволюцией. Однако не несущие заряда наночастицы
могут через нее достаточно свободно проходить. Примером
этого является значительное повышение бактерицидной
активности коллоидного серебра в сравнении с его солями
(растворы наносеребра часто более активны, чем нитрат
серебра той же концентрации). 1-мерные наночастицы ме-
таллов обладают фантастической прочностью, на много по-
рядков превосходящей прочность обычной металлической
проволоки. Связано это с тем, что подобные наноструктуры
бездефектны, следовательно, в них крайне трудно протека-
ют процессы изменения решетки. Углеродные нанотрубки
обладают прочностью, даже превосходящей металлы, од-
нако все ведущие исследователи скромно умалчивают тот
факт, что самые длинные нанотрубки обычно имеют длину
в несколько десятков микрон и сделать из них пресловутый
трос космического лифта невозможно.
Металлические наночастицы (например, золота и сере-
бра) обладают интенсивной окраской всех цветов радуги,
что невозможно для компактных металлов (рисунок 5 на
3-й странице обложки). Есть у них и особенность в погло-
68
щении света: при определенном угле падения луча он по-
глощается полностью и не отражается вообще.
Биологическое действие наночастиц пока малопредска-
зуемо. Углеродные нанотрубки более опасны, чем компакт-
ный углерод: они могут вызывать нарушения в генетичес-
ком аппарате клетки. Некоторые производные фуллере-
нов, наоборот, эффективно защищают клетки от поврежде-
ний, например, ионизирующим излучением. Наночастицы
железа и его оксидов стимулируют процессы заживления
порезов: общее время заживления может сократиться в два
раза, а сам порез затягивается плотной корочкой и пере-
стает беспокоить уже через день. Наночастицы селена и
соединений кобальта в 10 раз менее токсичны, чем солевые
формы, при полном сохранении биодоступности и полез-
ного действия. Обработка семян растворами наночастиц с
расходом всего 2 г частиц на тонну семян может удвоить
урожай, в то время как обычные микроэлементы требу-
ют тысячекратного расхода, не давая подобного эффекта.
Общей чертой наноструктур является высокая химиче-
ская активность. Нанопористый кремний, пропитанный
нитратом калия, способен взрываться мощнее гексогена.
Коллоидное железо не только мгновенно воспламеняется
при контакте с кислородом воздуха, но и способно мед-
ленно реагировать с азотом и достаточно быстро - с водой.
Металлическое золото, которое имеет стандартный элек-
тродный потенциал +1,51 В, в наноразмерном состоянии
может иметь потенциал до -1 В и выступать сильным вос-
становителем.
Применение наночастиц и их растворов, а также на-
ноструктур весьма широко и разнообразно. Просто ранее
подобные системы не называли наночастицами или нано-
структурами. Рассмотрим некоторые примеры. Все вак-
цины несут фрагменты очищенного белка, имеющие раз-
мерность в несколько нанометров. Магнитные элементы
жестких дисков состоят из магнитного порошка, размеры
частиц которого опять-таки составляют десятки нм. Ин-
69
формационные элементы оптических дисков (так называе-
мые питы) имеют наноразмеры. Коллоидная сера, уже мно-
гие столетия применяемая для получения лечебных мазей,
обычно имеет размер частиц 3-5 нм. Наноструктуры крем-
незема с 1901 года применяются в хроматографии. Транзи-
сторы прочно вошедших в обиход компьютеров и мобиль-
ных телефонов имеют толщину активного слоя в 1-3 нм и
представляют собой сложные упорядоченные нанострук-
туры. Перспективное применение наноматериалов, в пер-
вую очередь, связывают с медициной: предполагается, что
наночастицы станут той пресловутой «волшебной пулей»,
которая действует только на больные клетки и органы и не
затрагивает здоровые.
На досуге 6
Многие отличительные свойства наночастиц связывают
с высокой долей атомов на их поверхности. Оцените, како-
во число атомов в наночастице серебра диаметром 5,0 нм, а
также, какая их доля находится на поверхности. Металли-
ческий радиус серебра - 144 пм.
Так ли силен металл?
История вопроса о взаимо-
действии металлов с растворами
электролитов (в том числе солей)
своими корнями уходит далеко
в глубь веков. Начать следует,
по-видимому, с работ великого
итальянского физика и врача Лу-
иджи Гальвани. Проводя в конце
XVIII века опыты с лягушачьими лапками, он случайно
наткнулся на совершенно новое явление. При касании рас-
слабленной мышцы лягушки дугой, состоящей из двух ме-
таллов (на рисунке Z - цинк, С - медь), она сокращалась и
70
наблюдалась мышечная реакция. Гальвани назвал откры-
тое им явление «мышечным электричеством».
Основываясь на его работах, другой итальянский есте-
ствоиспытатель Алессандро Вольта сконструировал пер-
вый химический источник тока. Он полагал, что в опытах
Гальвани мышца выступает, во-первых, в качестве прово-
дника электричества (то, что сейчас мы называем электро-
литом) и, во-вторых, в качестве детектора электричества.
Исходя из этого, он решил заменить лягушачьи лапки рас-
твором электролита. Вольта опустил в банку с кислотой две
пластинки - цинковую и медную - и соединил их прово-
локой. При этом цинковая пластина начала растворяться,
а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта до-
казал, что по проволоке (во внешней цепи) протекает элек-
трический ток. Так был изобретен элемент Вольта - пер-
вый гальванический элемент, являющийся химическим
источником тока. Для удобства
изобретатель придал элементу
форму вертикального цилиндра
(столба), состоящего из соеди-
ненных между собой круглых
пластин цинка и меди, разделен-
ных сукном, пропитанным кис-
лотой, или пастой из толченого
угля и соляного рассола (рису-
нок справа). Впоследствии эта
конструкция была названа в честь изобретателя «Вольтов
столб». Вольтов столб высотой около 50 см развивал напря-
жение, чувствительное и для человека.
В ходе дальнейших исследований Вольта использовал
для изготовления гальванического элемента пластины из
различных металлов. Оказалось, что «сила» гальваниче-
ского элемента изменяется при использовании различных
металлов. В то время для практического использования
ему были доступны пластины из цинка, свинца, золота, се-
ребра, железа, олова и меди. Комбинируя различные пары
71
металлов, Вольта установил относительную активность ис-
пользуемых металлов и расположил их в следующий ряд:
Zn, Pb, Sn, Fe, Си, Ag, Аи. «Сила» гальванического эле-
мента оказывалась тем больше, чем дальше стояли друг от
друга металлы в этом ряду. Однако сам Вольта не связывал
этот ряд с химическими свойствами металлов.
Мало времени понадобилось для того, чтобы сделать
следующий важный шаг в направлении понимания реак-
ции металлов с кислотами и солями. К тому времени было
известно, что различные металлы обладают разной ак-
тивностью в реакции с кислородом (ученые того времени
говорили о различном «сродстве к кислороду»). Одни ме-
таллы очень активно реагируют с кислородом, другие же,
наоборот, ни при каких условиях с кислородом в реакцию
не вступают. Про первые говорят, что они имеют очень
высокое сродство к кислороду, вторые - очень низкое. На
основании экспериментальных данных по активности в
химической реакции с кислородом все металлы были раз-
мещены в ряд по мере убывания их сродства к кислороду.
В 1798 году, сравнивая ряд Вольта с активностью металлов
в реакции с кислородом, немецкий ученый Иоганн Риттер
обнаружил, что эти ряды эквивалентны (металлы в них
располагаются в одной и той же последовательности).
Более полно способность металлов вытеснять друг дру-
га была исследована в 1860-е годы русским химиком Ни-
колаем Николаевичем Бекетовым. В 1856 году он защитил
диссертацию на тему «Исследования над явлениями вы-
теснения одних металлов другими», а в 1859 году сделал
в Париже сообщение на эту тему. В свою работу Бекетов
включил целый ряд обобщений о зависимости между вза-
имным вытеснением элементов и их атомным весом, свя-
зывая эти процессы с «первоначальными химическими
свойствами элементов - тем, что называется химическим
сродством». Открытие Бекетовым вытеснения металлов из
растворов их солей водородом под давлением и изучение
восстановительной активности алюминия, магния и цин-
72
ка при высоких температурах (металлотермия) позволило
ему выдвинуть гипотезу о связи способности одних метал-
лов вытеснять другие из их соединений с плотностью ме-
таллов: более легкие металлы способны вытеснять более
тяжелые («вытеснительный ряд Бекетова»). К сожалению,
эта гипотеза была ошибочной.
Бурное развитие теоретической и экспериментальной фи-
зической химии указывало на иную причину различий хи-
мической активности металлов. С развитием современных
представлений электрохимии (главным образом в работах
Вальтера Нернста) стало ясно, что эта последовательность со-
ответствует «ряду напряжений» - расположению металлов
по значению стандартных электродных потенциалов. Таким
образом, вместо качественной характеристики - «склонно-
сти» металла и его иона к тем или иным реакциям - Нернст
ввел точную количественную величину, характеризующую
способность каждого металла переходить в раствор в виде
ионов, а также восстанавливаться из ионов до металла на
электроде, а соответствующий ряд получил название ряда
стандартных электродных потенциалов, или электрохими-
ческого ряда активности металлов (ЭХРАМ), что подчерки-
вает связь химической активности металлов в реакциях в
водных растворах с электродными потенциалами металлов.
В современном виде ЭХРАМ (для наиболее распростра-
ненных металлов) выглядит следующим образом:
Li, К, Ba, Са, Na, Mg, Al, Мп, Zn, Сг, Fe,
Sn, Pb, (H), Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au
Водород в этом ряду размещен для того, чтобы наглядно
показать отношение металлов к водным растворам кислот.
Все металлы, стоящие в ЭХРАМ правее водорода, с раство-
рами кислот не реагируют. Например, реакции между за-
писанными ниже веществами протекать не будут:
Си + НС1 ->|
Au + H2SO4 ->|
И наоборот, металлы, стоящие левее водорода, способны
реагировать с растворами кислот с образованием водорода и
73
соли металла (говорят, что эти металлы вытесняют водород
из растворов кислот). Более того, чем левее стоит металл в
этом ряду, тем активнее протекает его реакция с кислотой:
Mg + 2НС1 = MgCl2 + Н ?;
Sn + 2НС1 = SnCl2 + Н2Т.
Большую активность металла можно упрощенно пони-
мать как быстроту реакции с кислотой при прочих равных
условиях. Так, например, если взять одинаковые по раз-
меру кусочки магния и олова и поместить в одинаковые
растворы кислоты, то кусочек магния растворится гораздо
быстрее, чем кусочек олова.
С помощью ЭХРАМ можно однозначно ответить на во-
прос, будет ли один металл вытеснять другой из раствора
его соли. Правило такое: металл может вытеснять из рас-
твора солей только те металлы, которые стоят в ЭХРАМ
правее его. Так, Zn может вытеснить из растворов их солей
все металлы от Сг до Au, например:
Zn + PdCl2 = ZnCl2 + PcU.
Есть определенные сложности при рассмотрении реак-
ций наиболее активных металлов (Li - Na) с растворами
кислот или солей других металлов. Высокая химическая
активность щелочных металлов приводит к тому, что вме-
сто (или параллельно) реакции с солью металла протекает
реакция с водой, и практически получить, например, ба-
рий при взаимодействии водного раствора ВаС12 и калия
невозможно. Вместо реакции с ВаС12 калий более активно
реагирует с водой. Это означает, что если поместить в во-
дный раствор ВаС12 маленький кусочек калия, то бария мы
не получим, а получим раствор, в котором будут присут-
ствовать ВаС12 и КОН:
2К + 2Н2О = 2КОН + Н2?.
Если взять соль металла средней активности, например,
марганца, то процесс осложняется реакцией щелочи, обра-
зующейся из активного металла и воды, с солью. Напри-
мер, если поместить маленький кусочек натрия в водный
раствор МпС12, то будут протекать следующие реакции:
2Na + 2Н2О = 2NaOH + Н2?;
74
2NaOH + MnCl2 = Mn(OH)2i + 2NaCl.
Кроме реакций металлов с растворами кислот и солей,
ЭХРАМ может оказать помощь в рассмотрении реакций,
протекающих при коррозии. Под коррозией понимают раз-
рушение материала (в общем случае им может быть не толь-
ко металл или сплав) под воздействием окружающей его
среды. Чаще всего, говоря о коррозии, понимают коррозию
металлов и сплавов на их основе под действием атмосферно-
го кислорода, паров воды, других химических соединений
(углекислого газа, паров кислот, аммиака). В случае желе-
за и его сплавов этот процесс называют «ржавлением ».
Коррозия железа и его сплавов протекает при контакте
с влажным воздухом (О2 + Н2О + СО2). Можно условно счи-
тать, что в этом случае мы имеем несколько окислителей -
как кислород, так и раствор пусть слабой, но кислоты:
Н2О + СО2 Н2СО3 Л Н< + нсо3-.
Как изменится скорость коррозии в этих условиях, если
железо привести в контакт с другим металлом, например,
цинком или золотом? Для ответа на этот вопрос следует
вспомнить опыты Вольта. Если имеющие электрический
контакт цинковую и медную пластины поместить в рас-
твор кислоты, то происходит растворение цинковой пла-
стины и выделение водорода на медной. Если же для этого
опыта взять, например, цинковую и магниевую пластины,
то будет растворяться магниевая, а выделение водорода бу-
дет наблюдаться на цинковой пластине, поскольку магний
стоит левее цинка в ЭХРАМ. Значит, если поместить два
соединенных проводником металла в раствор кислоты, то
более быстро с раствором будет реагировать (а значит, под-
вергаться коррозии) более активный металл, тот, который
стоит левее в ЭХРАМ. Следовательно, для пары Fe-Zn сна-
чала будет разрушаться цинк и только затем - железо. В
этом случае железо в течение долгого времени (пока прак-
тически весь цинк не разрушится) будет находиться в ис-
ходном состоянии, и мы будем наблюдать явление замед-
ления коррозии железа с помощью цинка (по сравнению
75
с коррозией чистого железа). Вот, кстати, почему крыши
домов и кузовы автомобилей делают из оцинкованного (по-
крытого слоем цинка), а не чистого железа. Если же взять
пару Fe-Au, то железо, как более активное, будет разру-
шаться первым, и мы будем наблюдать ускоренную (по
сравнению с чистым железом) коррозию.
Теперь вам должно быть понятным, что произойдет,
если листы из различных металлов прибить к деревянным
балкам железными гвоздями. Если металл, из которого сде-
лан лист, находится левее железа (более активен), то будет
наблюдаться коррозия металлического листа, а железный
гвоздь долгое время будет находиться в исходном состоя-
нии - материал металлического листа защитит железо от
коррозии. Если же лист сделан из металла, расположенно-
го правее железа, то это ускорит коррозию железа - железо
защитит металлический лист от коррозии.
В целом, коррозия металлических изделий ежегодно
наносит огромный экономический урон, и, чтобы бороть-
ся с ней, необходимо понимать ее химическую природу.
Наиболее примитивным способом борьбы с коррозией для
железа является механическая изоляция изделий от сре-
ды с помощью слоя краски или малоактивного металла (в
случае слоя олова - лужение). Если покрыть железо слоем
более активного металла, такая защита более эффективна,
а этот металл будет «жертвовать собой», оберегая изделие.
Из других способов защиты от коррозии можно отметить
катодную поляризацию от внешнего источника тока (что
используют в морском деле) и анодирование - создание на
поверхности металла (например, алюминия) электрохими-
ческим способом прочной оксидной пленки.
Неожиданно ведут себя очень чистые металлы. Напри-
мер, известная колонна из чистого железа в Дели практи-
чески не корродирует уже много веков. Цинк чистотой бо-
лее 99,999% с трудом растворяется в кислотах. Понимание
этих процессов и развитие металлургии может привести к
новым способам борьбы с коррозией.
76
На досуге 7
В лабораторной практике для получения небольших
количеств водорода используется реакция металлов с кис-
лотой. Наиболее часто для этих целей применяют цинк и
соляную кислоту. В некоторых книгах можно найти такую
рекомендацию: «...для ускорения реакции к соляной кис-
лоте добавьте щепотку медного купороса».
1. Действительно ли это может ускорить реакцию цин-
ка с соляной кислотой? Кратко поясните свой ответ.
2. Массивная пластинка металла после выдерживания
в 50 г 10% -го раствора CuSO4 изменила массу на 0,27 г. Из
какого металла изготовлена пластинка?
Не подглядывать
На досуге 1
1. А - Хе, Б - XeF2, В - XeF4, Г - XeF6.
2. Б - линейная, В - плоский квадрат, Г - искаженный
октаэдр.
3. 2XeF2 + 2Н2О -> 2Хе + О2 + 4HF;
6XeF4 + 12Н2О -> 4Хе + ЗО2 + 2ХеО3 + 24HF;
XeF6 + ЗН2О -> ХеО3 + 6HF.
Смесь продуктов фторирования содержала 23,8% XeF2,
71,4% XeF4, 4,8% XeF6 по молям.
На досуге 2
1. Энергия одного фотона равна Ео = h х — =
6,63 10’34-3,00 108 ОООТП19П о 1
= 3,38 10 19 Дж. За 1 с лампа вы-
589 10 9
рабатывает 100 Дж, что эквивалентно 2,96 Ю20 фотонов.
2. Для ионизации атома натрия электрон должен про-
следовать по маршруту: 3s —> Зр —> «>. На первой стадии за-
трачивается NaE0 = 6,02Ю23 3,38 10 19 = 2,03 Ю5 Дж/моль
77
энергии, а на второй - 3,03-96,5 = 292 кДж/моль. Суммар-
но энергия ионизации натрия равна 495 кДж/моль.
На досуге 3
1. А - цис-бутен-2, В - бутен-1, С - тринс-бутен-2, D -
этаналь, Е - лхезо-бутандиол-2,3, F - метаналь, G - про-
паналь, Н и I - (Д)-1,2-бутандиол и (8)-1,2-бутандиол, J
и К - (25,35)-бутандиол-2,3 и (2Д,ЗД)-бутандиол-2,3, N и
Y - (28,35)-2,3-дихлорбутан и (2Д,ЗД)-2,3-дихлорбутан, L
и М - (28,38)-3-хлорбутанол-2 и (2Д,ЗД)-3-хлорбутанол-2,
О - лхезо-2,3-дихлорбутан, Р и Q - (28,ЗД)-3-хлорбутанол-2
и (2Д,38)-3-хлорбутанол-2, R - бутин-2, S - транс-2,3-
дибромбутен-2, Т - мезо-2,3-диметилоксиран, V и W - (R)-
З-метилбутанол-2 и (8)-3-метилбутанол-2, U и X - (2Д,ЗД)-
2,3-диметилоксиран и (28,38)-2,3-диметилоксиран.
2. Пары энантиомеров: Н, I; J, К; N, Y; L, М; Р, Q; V,
W; U, X; изображенные (Б)-бутанол-2, (К)-бутанол-2.
о-Диастереомеры: Е, (J, К); (N, Y), О; (L, М), (Р, Q); Т,
(U, X). л-Диастереомеры: А, С.
3. Смеси выдержать над концентрированной серной кис-
лотой при комнатной температуре. При этом все спирты
ROH перейдут в алкилсерные кислоты ROSO3H, которые
плохо растворимы в углеводородах. Образовавшуюся смесь
экстрагировать гексаном и экстракт упарить. Остаток будет
представлять собой N, Y и О. Возможны и другие варианты.
4. Все вещества, которые содержат асимметрические
центры и не являются лхезо-формами.
На досуге 4
Для живой природы нехарактерны нитроароматиче-
ские фрагменты.
На досуге 5
1. С12Н22ОП + Н2О = 2С.Н О.;
С6Н12О6 = 2СО2 + 2С2Н ОН;
Ва(ОН)2 + СО2 = ВаСО3 + Н2О;
ВаСО + СО„ + Н,0 = Ва(НСО„)„.
о с. & <3'2
78
2. Если в реакцию вступило х моль сахарозы, то об-
разовалось 4х моль СО2 и 4х моль С2Н5ОН, или 44 • 4х =
= 176х г и 46’4х = 184х г соответственно. Для предель-
184х
кой массовой доли спирта 0,14 - 1000+3000+100_17вх
откуда х = 2,75 моль, а в растворе осталось 59 г сахара.
3. В реакции брожения выделилось 11,0 моль СО2, а в
баритовой воде содержалось только 7,36 моль Ва(ОН)2. В
осадке будет 3,72 моль, или 733 г, ВаСО3.
На досуге 6
Для оценки числа атомов можно пренебречь сво
бодным объемом между ними, тогда эта величина бу
дет равна отношению объемов наночастицы
з
I = 5,2103. Для
N _ частицы
атома
и атома
А3
Г
частицы
г
атома /
2,5
0,144
оценки
доли поверхностных частиц можно найти отноше
= 0,31.
ние объемов поверхностного слоя и наночастицы
Клод _Г,3-(г,-2гаш)3
V г3
частицы ч
На досуге 7
1. Роль меди в ускорении процесса растворения цинка
в соляной кислоте такова: цинк, как более активный ме-
талл, вытесняет медь из раствора соли; на цинке осажда-
ется медь; образуется медно-цинковый микрогальваниче-
ский элемент, в котором на аноде растворяется цинк, а на
медном катоде выделяется водород.
2. Поскольку пластинка массивная, в недостатке нахо-
дится купорос химическим количеством 0,0313 моль. Следу-
ет рассмотреть два варианта изменения массы - уменьшение
и увеличение. Единственное реальное значение молярной
массы металла - 54,9 г/моль - отвечает марганцу.
79
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие..........................................3
Пробный конкурс «Белка» (16 мая 2012 года)...........5
Задания для учащихся 7-9 классов..................5
Ответы и комментарии.............................11
Химический калейдоскоп..............................23
Благородных кровей...............................23
В погоне за радугой..............................29
Похоже, да не то же .............................37
Буратино, из какого ты теста?....................46
Разными путями...................................55
О карликах и не только...........................63
Так ли силен металл?.............................70
Не подглядывать..................................77
Учебное издание
Головко Юрий Сергеевич,
Набиуллин Александр Ринатович,
Хвалюк Виктор Николаевич,
Шклярук Денис Григорьевич
Крепкий орешек
Химия для всех
Учебно-методическое пособие
Ответственный за выпуск Г. В. Нехай Корректор А. С. Коляго
Редактор А. Ю. Кугайдо Дизайн обложки В. И. Рынкевич
Технический редактор В. Н. Кравцова
Подписано в печать 04.03.2013. Формат 60x84 16. Бумага офсетная.
Печать офсетная. Усл. печ. л. 4,65. Уч.-изд. л. 3,51.
Тираж 30900 экз. Зак. 864.
Общественное объединение «Белорусская ассоциация «Конкурс»
ЛИ № 02330/0552570 от 01.10.2009. Ул. Беды, 24-100А, 220040, г. Минск.
Республиканское унитарное предприятие
♦ Издательство «Белорусский Дом печати»
ЛП № 02330 '0494179 от 03.04.2009. Пр. Независимости, 79, 220013, г. Минск.
Рис. 3. Окраска пламени при сгорании бумаги,
пропитанной солями металлов
Рис. 4. Кремневый наконечник и его микроструктура
Рис. 5. Окраска растворов, содержащих наночастицы серебра