/
Автор: Спектор А.А.
Теги: издания для определенного назначения химия химические науки издательство аст серия увлекательная наука для среднего и старшего школьного возраста
ISBN: 978-5-17-103103-9
Год: 2017
Текст
УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ НАУКА ии ХИМИЯ
УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ
А. А. Спектор
УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ
НАУКА НН
ХИМИЯ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
ACT
УДК 087.5: 54
ББК 24я2
C7I
Серия «Увлекательная наука» основана в 2016 году
Спектор. Анна Артуровна.
С71 Химия / А. А. Спектор. — Москва : Издательство ACT, 2017.— 160 с.:
ил. — (Увлекательная наука).
ISBN 978-5-17-103103-9.
Школьный куре химии только начался, а вы утке запутались во всем многообразии
химических элементов? А может, вам, напротив, с легкостью дается этот предмет,
и вы можете самостоятельно составить уравнение любой химической реакции?
В любом случае наша книга вам пригодится! Вы узнаете, что такое вещество
и каков его состав, какие химические соединения самые распространенные, какими
свойствами обладают металлы и чем они отличаются от неметаллов и, наконец, какие
вещества являются самыми важными для организма человека. А самое главное — эта
книга написана просто и интересно. В отличие от шкальных учебников, здесь нет
непонятных терминов и сложных научных теорий — только красочные иллюстрации,
понятные схемы, аналогии и сравнения.
Для среднего и старшего школьного возраста.
УДК 087,5: 54
ББК 24я2
ISBN 978-5-17-103103-9
с* Оформление, обложка. иллюстрации
ООО «Ингеджер». 2017
© ООО «Издательство АСТ». 2017
© В оформлении использованы материалы,
предоставленные Фотобанком Shutterstock, Inc .
Shuttersiock.com. 2017
< В оформлении использованы материалы,
предоставленные Фотобанком Drcamstimc, Inc..
Drcamstimc.com, 2017
Вещество и его состав 3
ВЕЩЕСТВО И ЕГО СОСТАВ
Вездесущая химия
Химия изучает превращение одних ве-
ществ в другие, а также законы, которым
эти превращения подчиняются. Она
окружает нас повсюду и всегда. Очень многие
вещи созданы с помощью химических реакций.
Когда мы просыпаемся и идем умываться,
то сразу же сталкиваемся с химией. Это мыло
и зубная паста, которые нельзя сделать без хи-
мии. Кремы, мази и косметика — это тоже она,
химия. Одежда, которую мы носим, нередко
сделана из синтетических или искусственных
волокон, а они созданы с помощью химии. Кра-
ски, которыми она покрашена, бывают искус-
ственными и натуральными, но даже создание
натуральных красителей связано с химией. Это
же справедливо для красок, которыми мы рису-
ем, пасты в стержне шариковой ручки, краски,
пропитавшей стержни фломастеров. Практи-
чески весь транспорт, на котором мы ездим, ра-
ботает на топливе, а оно тоже произведено из
нефти с помощью химии.
Если мы болеем, то принимаем лекарства,
которые производят на фармацевтических за-
водах. А фармацевтика — это тоже химия. Ког-
да мы готовим еду, в мясе, овощах и фруктах
происходят химические реакции. Они соверша-
ются и внутри нашего организма при перевари-
Топливо для автотранспорта производят
из нефти химическими методами.
Производством лекарств занимается такая
област ь химии, как фармацевтика.
вании пищи. Также в организме синтезируются
различные вещества, в том числе белки и нукле-
иновые кислоты. И этот синтез подчиняется за-
конам химии, только особой — биологической.
Действительно, химия вездесуща.
4
Вещество и его состав
Химические
науки
Химия настолько обшир-
на, вещества и их пре-
вращения столь слож-
ны, что ей пришлось разде-
литься на разные науки, вполне
са м остоятел ьные.
Неорганические вещества
изучает неорганическая хи-
мия, в ее ведении — металлы
и неметаллы, кислоты, осно-
вания, соли, некоторые другие
соединения. Она исследует
химические реакции, превра-
Ортанических и неорганических химических соединений сегодня
известно более 87 млн. Многие из них производятся путем
химического синтеза.
щающие одни неорганические
вещества в другие, их свойства,
состав, структуру.
Особый класс соединений
составляют органические —
соединения углерода с водоро-
дом, кислородом, азотом, фос-
фором. Эти вещества, а также
их ст роение, состав, синтез изу-
чает органическая химия. Ор-
ганических соединений гораз-
до больше, чем неорганиче-
ских, потому что соединения
углерода чрезвычайно разноо-
бразны. Наиболее распростра-
ненные — углеводороды.
ВОПРОС 1
Какие вещества изучает
органическая химия?
Биохимия исследует хими-
ческие вещества, входящие в
состав живых существ, их пре-
вращения и явления, которые
сопровождают эти превраще-
ния в организмах. Она тесно
связана с органической химией,
химией лекарственных средств,
нейрохимией, молекулярной
биологией и генетикой. Ее
предмет — белки, жиры, угле-
воды, нуклеиновые кислоты.
Из биохимии выделилась био-
органическая химия, которая
изучает связь между строени-
ем органических веществ и их
биологическими функциями.
Особо важны в химии опре-
деление, анализ веществ, их рас-
познавание, разделение и опре-
деление химических элементов
и их соединений, установление
химическою состава веществ.
Этим занимается аналитиче-
ская химия. В ней используются
качественный анализ, с помо-
щью которого определяют, ка-
кие вещества находятся в образ-
це, и количественный анализ,
который определяет, сколько
того или иного вещества нахо-
дится в образце.
Общие законы строения,
структуры и превращения хи-
Переработкой нефти
занимается нефтехимия.
Бензин, который производится
из нефти, относится
к углеводородам — предмету
органической химии.
Вещество и его состав 5
мических веществ — предмет
физической химии, самого об-
ширного раздела этой науки.
Она изучает химические явле-
По цвету иногда можно определить качественный состав
соединения, хотя это, конечно, далеко не единственный признак.
ния при помощи физических
теорий и методов. К физиче-
ской химии относятся многие
разделы, такие, например, как
химическая кинетика, которая
исследует протекание химиче-
ских реакций во времени и их
механизмы.
Общая химия изучается в
школе и университетах, она
включает в себя элементы орга-
нической, неорганической, фи-
зической и аналитической хи-
мии.
Существует еще множество
других химических наук, кото-
рые так же разнообразны, как
мир веществ и их свойства.
ВОПРОС 2
Какие виды анализа исполь-
зует аналитическая химия?
ХИМИЯ СВЕТА
Свет — один из важнейших фак-
торов, влияющих на химические
реакции в живой природе и чело-
веческом организме. Химические
превращения, происходящие под
действием света, — предмет фото-
химии, раздела физической химии.
Фоюхимическую природу имеют
образование озона, который защи-
щает нас от космического излуче-
ния, фотосинтез, который проис-
ходит в растениях и насыщает ат-
мосферу кислородом для дыхания,
и трение, благодаря которому мы
видим окружающий мир.
Свет с любой длиной волны — инфракрасный, видимый
и ультрафиолетовый — вызывает различные химические
реакции.
Вещество
Наш мир материален, это значит, что он
состоит из материи. А материя существу-
ет в двух видах: как обладающее массой
вещество и поле, которое массы не имеет.
Каждое вещество имеет набор особых свойств,
например плотность, температуры плавления и
кипения, наличие или отсутствие кристалличе-
ской структуры. Этими свойствами занимается
физика, хотя для химии их знание просто необхо-
димо. Химические свойства вещества — это спо-
собность взаимодействовать с другими вещества-
ми, превращаться в них. Для химических свойств
характерно взаимодействие частиц между собой
(в том числе с превращением в друше частицы)
без изменения строения атомов, входящих в эти
частицы.
6 Вещество и его состав
ВИДЫ ВЕЩЕСТВ
Вещества бывают органически-
ми и неорганическими, просты-
ми и сложными. Простые веще-
ства состоят из одного вида ато-
мов, сложные — из двух и более.
Среди простых веществ разли-
чают металлы и неметаллы. Так-
же вещества бывают неоргани-
ческими и органическими. Сре-
ди неорганических выделяются
такие, как оксиды, основания,
кислоты и соли. Органические
вещества содержат углерод, во-
дород, кислород, соединенные
особым образом, а часто еще
азот и фосфор. Существуют так-
же органические кислоты.
Соль — неорганическое
сложное вещество,
оно состоит из натри?!
и хлора.
Сахар — органическое
сложное вещество, оно
состоит из углерода, водорода
и кислорода.
Три состояния
вещества
на примере
воды.
Например, физика изучает, как вода
меняет свои агрегатные состояния. Из-
вестно три состояния вещества — твердое,
жидкое, газообразное. Есть и четвертое —
особым образом разреженный газ — плаз-
ма. Вода в твердом состоянии — лед в жид-
ком — жидкость, в газообразном — пар.
С точки зрения химии вода состоит из мо-
лекул, которые могут разделяться (диссо-
циировать) на ионы и взаимодействовать
с другими веществами, производя третьи.
Газоооразное
Жидкое
Твердое
Кристаллизация
Плавление
ВОПРОС 3
Сравните кипение воды
и разложение ее на два
элемента — водород и
кислород. Какое из этих
явлений физическое, а ка-
кое — химическое?
Атом
Вещества состоят из ато-
мов. Атом — частица
вещества очень малых
размеров и массы. Эго самая
маленькая часть химического
элемента, которая является но-
сителем его свойств.
Слово «атом» происходит
от греческого аторос — «неде-
лимый», и таковой эта частица
считалась долгие века. Однако
уже в начале XX в. стала из-
вестна структура атома.
Атом состоит из атомного
ядра и электронной оболоч-
ки. Сто лет назад считалось,
что электроны вращаются во-
круг ядра, как планеты вокруг
Солнца. Так часто изобража-
ют атом для упрощения. На
самом деле невозможно опре-
Вещество и его состав
7
делить точку, где в данный
момент находится электрон.
Электрон заряжен отрица-
тельно, а ядро — положитель-
но. Само ядро также состоит
из элементарных частиц —
протонов и нейтронов. Про-
тоны имеют положительный
заряд, а нейтроны электриче-
ски нейтральны. Обычно атом
нейтрален. Это справедливо,
когда число протонов в ядре
такое же, как число электро-
нов. Если у атома на внешней
орбите имеется один или не-
Упрощенная
модель атома.
Красным цветом
обозначены
положительно
заряженные
протоны,
серым —
нейтральные
нейтроны,
голубым —
отрицательно
заряженные
электроны.
Na — атом натрия; Na’ —
положительно заряженный
ион натрия, потерявший элек-
трон.
Более 99 % массы атома со-
средоточено в ядре. На долю
электронов приходится очень
незначительная часть. Мас-
су атома измеряют в атом-
ных единицах массы, рав-
ных 1/12 массы атома стабиль-
ного изотопа углерода 12С.
Имеются атомы с одина-
ковым числом протонов, но
с разным числом нейтронов.
Такие атомы называются изо-
топами (разновидностями) од-
ного и того же элемента. Су-
ществует единственный из ста-
бильных атомов, у которого в
ядре вообще нет нейтронов, а
имеется только один протон.
Вокруг ядра вращается (точ-
нее, создает оболочку) один
электрон. Это легкий водород,
или протий. Существует так-
же тяжелый водород — дейте-
рий. У него в ядре имеются две
частицы — протон и нейтрон.
Есть еще и сверхтяжелый во-
дород — тритий. У него в
ядре имеются три частицы —
один протон и два нейтрона.
А электрон у всех этих изото-
пов один. Вода, образованная
дейтерием, называется тяже-
лой водой.
ВОПРОС 5
У какого единственного
атома в ядре нет нейтро-
нов?
сколько дополнительных элек-
тронов, он превращается в от-
рицательно заряженный ион
(анион). Если у атома на внеш-
ней орбите недостает одного
или нескольких электронов,
он превращается в положи-
тельно заряженный ион (кати-
он). Таких ионов очень много в
различных растворах.
ВОПРОС 4
Какой электрический за-
ряд у атома?
Например:
С1 — атом хлора; CI — от-
рицательно заряженный ион
хлора с дополнительным элек-
троном.
Энергия л г Нейтральный
атом натрия
' « О
а 4? в
О О о
о
э Ь
Электрон О .
г Нейтральный
атом хлора
Положительный
ион натрия
Отрицательный
Образование ионов, которые должны объединиться в молекулу
поваренной соли.
8 Вещество и его состав
Атомы образуют межатомные связи и фор-
мируют молекулы. Молекулы могут состоять
как из одного вида атомов, так и из нескольких.
Элементы
В древности было распространено изре-
чение: «Как слова состоят из букв, так
и тела — из элементов». В начале XIX в.
английский ученый Джон Дальтон предложил
атомно-молекулярную гипотезу, которая рас-
сматривает химический элемент как отдельный
вид атомов и утверждает, что простые вещества
состоят из атомов одного вида, а сложные — из
разных. Дальтон также указал, что важнейшее
свойство элементов — это атомный вес.
Слева — атом водорода Н, состоящий из одного
протона и одного элек трона; справа — атом
гелия, ядро которого состоит из двух протонов
и двух нейтронов, его окружают два электрона.
ЕСТЬ ЛИ У АТОМОВ КРЮЧКИ?
Понятие об атоме как самой маленькой
неделимой частице материи сформиро-
вали более 2000 лет назад философы Древ-
ней Индии и Древней Греции. Греческий
философ Демокрит говорил: «Нет ничего,
кроме атомов, вечно движущихся в беско-
нечной пустоте». Он думал, что свойства
вещества определяются формой, мас-
сой и другими характеристиками атома.
По Демокриту, огонь обжигает, потому
ч то атомы огня острые; тела твердые, по-
тому что их атомы имеют „-д^.
крючки, которые намерт-
во сцепляю тся друг с дру-
гом. Другой философ,
Эпикур, писал, что этого
не может быть, посколь-
ку крючки у атомов обло-
мались бы. Но до откры-
тия истинной структуры
атома было еще далеко.
Демокри т (ок. 460 г.
до н. э. — ок. 370 г.
до п. э.) — древнегреческий
философ, один
из основателей атомизма.
Понятие атома теснейшим образом связано
с понятием элемента.
Джон Дальтон
(1766-1844) -
английский
ученый,
занимавшийся
и физикой,
и химией.
Химический элемент — это совокупность
атомов, у которых одинаковы заряды ядер и
число электронов в оболочке. У каждого хи-
мического элемента есть латинское название
и символ, который состоит из одной или двух
латинских букв. Например, латинское название
железа — Ferrum, символ — Fe; латинское на-
звание водорода — Hydrogenium, символ — Н.
Названия элементов утверждаются Междуна-
родным союзом теоретической и прикладной
химии — ИЮПАК (англ. International Union
of Pure and Applied Chemistry, ШРАС). До
утверждения может пройти несколько лет. Все
это время элемент носит временное название,
произведенное от латинского числительного,
которое соответствует цифрам в атомном номе-
ре элемента. Например, 118-й элемент долгое
время носил название «унуноктий» и символ
Uuo, сегодня же это оганесон (Og).
Форма сущест вования химических элемен-
тов — простые вещества. Элементы и простые
вещества — разные понятия. Вещества облада-
Вещество и его состав 9
СОВМЕСТНОЕ РЕШЕНИЕ ХИМИКОВ
В 1860 г. в немецком городе Карлсруэ состоялся международный съезд химиков, где по ини-
циативе итальянского ученого Станислао Канницаро были приняты определения понятий
«молекула» и «атом».
ют определенными свойствами, элементы —
просто совокупности атомов, абстрактные объ-
екты.
Уголь, алмаз и фуллерен — разные вещества,
но один элемент.
Кроме того, для одного и того же химиче-
ского элемента может иметься несколько раз-
личных типов простых веществ. Такие типы
называются аллотропными модификациями.
Причин этому может быть несколько: напри-
мер разный состав или разное строение моле-
кул либо различное размещение молекул или
атомов в кристалле. Но главная причина, конеч-
но, строение атома и его способность образовы-
вать разные химические связи.
ВОПРОС 6
Прочитайте эти названия: углерод, кис-
лород, уголь — и скажите, где здесь веще-
ство, где элемент, а где и то, и другое?
Кристаллические структуры разных
модификаций углерода.
10 Вещество и его состав
Аллотропные модифика-
ции элементов различаются
по физическим свойствам и
химической активности (так,
температура плавления алмаза
выше, чем у фуллерена, а озон
более активен, чем кислород).
Свойства всех элементов из-
меняются периодически и со-
гласно периодическому закону
и собраны в особую таблицу,
которая названа именем от-
крывшего ее ученого Дмитрия
Ивановича Менделеева.
Озон состоит из трех атомов
кислорода, а молекулярный
кислород — из двух. Это
разные вещест ва, хотя они
состоят из одного и того же
элемента.
Периодический закон
Периодический закон —
фундаментальный за-
кон природы, который
Дмитрий Иванович Менделе-
ев открыл в 1869 г. Для этого
он сопоставил свойства извест-
ных в те времена химических
элементов с величинами их
атомных масс.
Классифицировать и систе-
матизировать химические эле-
менты начали задолго до этого.
Но число известных элементов
было недостаточно, а атомные
массы многих из них были
определены неверно. Однако
со временем ученые от крывали
все новые и новые элементы,
определяли их атомные веса.
Памятник Д. И. Менделееву у здания НИИ метрологии (ранее —
Главная палат а мер и весов). Россия, Санкт-Петербург, сентябрь 2016 г.
© Srg Gushchin / Shutterstock.com
В 1864 г. была опубликована
таблица Уильяма Одлинга, где
элементы размещались в соот-
ветствии с атомными весами и со
сходством химических свойств,
прав,га, никаких выводов из это-
го сделано не было. В том же году
немецкий химик Лотар Мейер
опубликовал таблицу из 28 эле-
ментов, разделенных на шесть
столбцов по их валентностям.
В марте 1869 г. на заседа-
нии Русского химического об-
щества Менделеев доложил
об открытии периодического
закона химических элементов.
В том же году он включил пе-
риодическую таблицу в свой
учебник «Основы химии».
ВОПРОС 7
Что надо было знать для
правильного составления
таблицы химических эле-
ментов?
В 1871 г. Дмитрий Иванович
Менделеев дал формулировку
периодического закона в статье
«11ериодическая законность хи-
мических элементов». Она зву-
чала так: «Свойства простых
тел, а также формы и свойства
соединений элементов, а пото-
му и свойства образуемых ими
простых и сложных тел стоят в
периодической зависимост и от
их атомного веса».
Менделеев, в отличие от
своих предшественников, не
просто составил таблицу и
указал закономерности в отно-
шениях атомных весов, но и на-
звал их общим законом приро-
ды. Предположив, что свойства
элемента зависят от атомного
веса, он в некоторых случаях
исправил ранее принятые веса
и описал свойства элементов,
которые еще не были открыты.
Таким образом, в его таблице
оставались пустые места.
ВОПРОС 8
Почему в первой таблице
Д. И. Менделеева остались
пустые места?
’ н
Li
Периодическая таблица химических элементов Д. И. Менделеева.
Примечание: названия элементов 113 — 118 были даны
при их открытии и впоследствии изменены.
’ в
III
о
’He
”Ne
«жм
Na •ИМ» ЛИГИ 'Mg Al мжт Si won» ”JL Mrmj “S SUM UMS "Cl CMertra МШТ “Ar »MS
и* Са "Sc Яамйм | UJH»1 | ”Ti пшм1 ° V ЖМИ * r* Cr OmM MJM1 й Mn Uar^amw *Fe •МГ 2T Co •ПВ “Ni Ntdw МММ I "Cu Zn ZfeK | MW Ga 1 *W В HHBI As Vaw* WMV “Se •MmfaM ПМ “Br Sewn. “Kr UM
"Rb КмМкм 15 МП в “а •UM ‘Nb NMMOT u мая cMo H.M «T Tc MJMTJ “Ru Ri«mm mw “Rh Rhwta» HUM “Pd 1«L« "Ag Ww IfTMfi “Cd СММЯ 111411 “In taftai' | 1M41B | ’Sn Tfe 1ШЛ I "Sb tcfliwt, 11M • 1 MW 1NNMT “Xe Жмм 1>1M
“Cs Сама ’Я МЫЗ Вз ”Hf маЛмт Ta 74 w Тачм> IBM Re 1МЯ?| rt Os OWa "ir Mm "Pt RrtNM Au 3utd "Hg MU. "Ti I МА.ЖЯ I “91 slj a "Po РШМВ дамм At АМН» Ж.КГ1 “Rn RMO» ZU «1П
’Fr Мпсмм 2И«1М | 4Rf (МП Db 0» Bh Mm ”Hs Ими* Mt Mww Ds ”cn'к‘ Ъ ГЩ Uuh ONI bus Uuo □•WMCttlNt
Аантаноиды
Актиноиды
Неметаллы
Щелочные
.металлы
Щелочно-
земельные М Полуметаллы Галогены
металлы
Переходные Легкие Инертные
металлы .металлы ’ газы
Аантаноиды
Актиноиды
12 Вещество и его состав
Эти места были заняты
в последующие годы. Так, в
1875 г. Поль Лекок де Буабод-
ран объявил об открытии эле-
мента галлия. Оказалось, что
это предсказанный Менделе-
евым экаалюминий. В 1879 г.
Ларс Нильсон открыл скан-
дий — менделеевский экабор,
а в 1886 г. Клеменс Винклер об-
наружил германий, который
Дмитрий Иванович когда-то
назвал экасилицием. С сере-
дины 1880-х гт. периодический
закон полностью признали
как одну’ из фундаментальных
основ химии.
Арсенид галлия — соединение
галлия с мышьяком. Галлий
был открыт благодаря
спектральному анализу. Лекок
де Буабодран переработал
большое количество породы
и наконец выделил элемент.
Менделеев сразу же отметил,
что это предсказанный им
экаалюминий, и даже указал
более точный атомный
вес, который впоследствии
подтвердился.
Но в те времена еще не
были известны причины тако-
го периодического изменения
свойств элементов. Это уда-
лось сделать после открытия
строения атома, его ядра и
электронной оболочки. Сегод-
ня периодический закон фор-
мулируется следующим обра-
зом: «Свойства химических
элементов, а также формы и
свойства образуемых ими про-
стых веществ и соединений
находятся в периодической
зависимости от величины за-
рядов ядер их атомов». Сегод-
ня химических элементов уже
118, и их свойства изменяются
согласно периодическому за-
кону.
Атом углерода.
КАК ОДНА ДЕРЕВНЯ ДАЛА НАЗВАНИЯ СРАЗУ
ЧЕТЫРЕМ ЭЛЕМЕНТАМ?
Множество химических элементов получили свои назва-
ния в честь стран или других географических объектов.
Сразу четыре элемента — и ггрий, иттербий, тербий и эр-
бий — были названы в честь шведской деревни Иттербю,
около которой обнаружили крупное месторождение ред-
ко земельны х мет ал лов.
На одном из островов Стокгольмского архипелага, в деревне
Иттербю, нашли минерал, содержащий сразу четыре
редкоземельных элемента.
Вещество и его состав 13
Электронная
конфигурация
элементов
Таблицу Менделеева принято делить на
периоды (горизонтальные строки хими-
ческих элементов) и группы (вертикаль-
ные столбцы химических элементов).
Чтобы разобраться в таблице Менделеева,
надо вернуться к строению атома, точнее, к его
электронной оболочке.
Область пространства вокруг ядра, где на-
хождение электрона наиболее вероятно, назы-
вают атомной орбиталью или электронным об-
лаком. У орбиталей встречаются разные форма,
размер и ориентация. Согласно законам очень
сложной науки квантовой механики, атомная
орбиталь и электрон, который находится на
ней, характеризуются четырьмя квантовыми
числами.
ВОПРОС 9
Что такое атомная орбиталь?
Главное квантовое число п обозначает об-
щую энергию электрона на данной орбитали.
Его значения — натуральные целые числа от 1
и выше.
Орбитальное квантовое число I определяет
форму атомной орбитали. Оно принимает зна-
чения целых чисел от 0 до п -1, где п — главное
квантовое число.
Орбитали с / = 0 носят название s-орбиталей
(sharp — «резкая»). Они обладают сферической
формой и не имеют направленности в про-
странстве.
ЧТО ТАКОЕ ВАЛЕНТНОСТЬ?
Слово «валентность» происходит от ла-
тинского valens («имеющий силу») и оз-
начает способность атомов химических
элементов образовывать определенное
число химических связей.
Валентные электроны находятся на внеш-
ней (валентной) оболочке атома. Именно
они определяю!, как ведет себя элемент
в химических реакциях. Чем меньше ва-
лентных электронов у элемен та, тем лег-
че он их отдает, то есть ведет себя как
восстановитель. Чем больше у элемента
валентных электронов, тем легче он их
приобретает, то есть ведет себя как окис-
литель.
Валентные электроны определяются до-
вольно просто — по таблице Менде-
леева. Для основных элементов (кроме
подгрупп, гак как гам есть исключения)
верно условие: наибольшее количество
валентных электронов соот-
ветствует номеру группы, в
которой находится исследу-
емый элемент.
11<> молекуле
метана видно: аюм • fl
углерода имеет ’Д
валент ност ь 4, он
способен поделиться
с атомами
водорода четырьмя ”
электронами.
ВОПРОС 10
Как количество валентных электронов со-
относится со способностью притягивать
электроны от других атомов?
s-орбитали атома.
6s
7S
14 Вещество и его состав
Орбитали с / = 1 — это /-ор-
битали (principal — «главная»).
Они напоминают гантель, их
форму называют трехмерной
восьмеркой.
Орбитали с I = 2 — это d-ор-
битали (diffuse — «диффуз-
ная»), они имеют форму удво-
енной гантели или четырехле-
песткового цветка.
Орбитали с I = 3 — это /-ор-
битали (fundamental — «ба-
зовая»), Они имеют сложную
форму, напоминающую ше-
стилепесгковый цветок.
Пространственную ориен-
тацию орбитали определяет
магнитное квантовое число тг
Спиновое квантовое число
(или просто спин) отвеча-
ет за направление вращения
электрона в атоме.
Совокупность всех орбиталей
в атоме с одинаковым значением
квантового числа — это энергети-
ческий уровень, или электронная
оболочка. Любой произвольный
энергетический уровень с номе-
ром п состоит из пг орбиталей.
Множество орбиталей с оди-
наковыми значениями главного
квантового числа и орбитально-
го квантового числа — это энер-
гетический подуровень.
Каждый энергетический уро-
вень, которому соответствует
главное квантовое число п, со-
держит п подуровней. Каждый
энергетический подуровень с
орбитальным квантовым чис-
лом / состоит из (2/ + 1) орби-
талей. Значит, s-подуровень со-
стоит из одной s-орбитали,
/-подуровень — из трех /-ор-
биталей, d-подуровень — пяти
d-орбиталей, а /-подуровень —
из семи/-орбиталей.
Распределение электронов
по орбиталям называется элек-
тронной конфигурацией.
Для каждого элемента мож-
но записать его электронную
формулу (конфигурацию). 11а-
пример, у фосфора, элемента
с 15 протонами и 15 электрона-
ми, она такая:
ИР - ls^Zp^^Sp3,
где цифры обычного раз-
мера — это номера энергети-
ческих уровней; верхние ин-
дексы — количество электро-
нов на каждом подуровне.
При этом у фосфора на
внешних электронных под-
уровнях пять элек тронов, сле-
довательно, он относится к
пятой группе периодической
системы. На предвнешних под-
уровнях — восемь электронов,
а на внутреннем уровне — два
электрона.
Следовательно, период —
это последовательность эле-
ментов (от щелочного металла
до инертного газа), атомы ко-
d-орбигали атома пяти различных ориен таций.
, , 4f
/-орбитали атома.
Вещество и его состав 15
в зависимости от того, какой
подуровень в атоме элемента
заполняется последним.
ВОПРОС 11
От чего зависит назва-
ние электронного се-
мейства элемента?
Атомная масса: 30,973 а. е. м.
Электронная конфигурация: 2, 8,5
Фосфор имеет пять валентных
электронов.
Заполнение орбиталей
электронами.
торых имеют одинаковое чис-
ло энергетических уровней,
равное номеру периода.
Главная подгруппа — это
вертикальный ряд элементов,
у атомов которых имеется
одинаковое число электронов
на внешнем энергетическом
уровне. Это число равно но-
меру группы (кроме водоро-
да и гелия). Число электронов
на внешнем энергетическом
уровне группы растет в соот-
ветствии с ее номером.
Все элементы в периоди-
ческой системе разделяются
на четыре электронных се-
мейства (s-, р-, d-, /-элементы)
Побочная подгруппа — это
вертикальный ряд «/-элементов,
которые имеют одинаковое
суммарное число электронов
на «/-подуровне предвнешнего
слоя и s-подуровне внешнего
слоя. Эго число обычно равно
номеру группы и растет в соот-
ветствии с ее номером.
Атомная масса: 22,989 а. е. м.
Электронная конфигурация: 2, 8, I
Натрий — активный щелочной
металл первой группы.
У атомов всех элементов од-
ного периода одинаковое чис-
ло электронных слоев, равное
номеру периода. Все периоды,
кроме первого, начинаются с
элемента, образующего ще-
лочной металл, а заканчива-
ются элементом, образующим
благородный (инертный) газ.
Таким образом, с увеличе-
нием заряда ядра атомов на-
блюдается постепенное зако-
номерное изменение свойств
элементов и их соединений от
металлических к типично не-
Атомная масса: 30,948 а. е. .м.
Электронная конфигурация: 2,8, 8
Аргон — инертный газ
восьмой группы.
металлическим, и связано это
с увеличением числа электро-
нов на внешнем энергетиче-
ском уровне.
ВИДЫ ЭЛЕМЕНТОВ
У s-элементов последним
заполняется s-подуровень.
К данным элементам от-
носятся элементы главных
подгрупп 1 и II групп. Это
щелочные и щелочнозе-
мельные металлы, водород
и гелий.
У p-элементов заполняет-
ся р-подуровень. К р-эле-
менга.м относят последние
шесть элементов каждого
периода, кроме первого и
седьмого, а также элемен-
ты главных подгрупп III —
VIII групп.
«/-элементы располагаются
между s- и /^элементами
в больших периодах от III
до XII группы. Их называют
переходными металлами.
К /-элемен гам относя гея
лантаноиды и актиноиды.
Они обычно находятся от-
дельно внизу т аблицы.
ВОПРОС 12
Почему (/-элементы назы-
вают переходными?
16 Вещество и его состав
Распространенность химических
элементов в природе
О
дни элементы встреча-
ются в природе часто,
другие — очень редко.
Самый распространенный из
химических элементов — это
водород. Он составляет ббль-
шую часть вещества звезд. Сле-
дующий по распрост раненно-
сти — гелий, ведь в ядре звезды
водород постоянно превраща-
ется в гелий во время ядерной
реакции.
ВОПРОС 13
Какой элемент распрост-
ранен во Вселенной боль-
ше всего?
Структура и химический состав Солнца. В среднем на 10 000 атомов водорода в звездах приходится
около 1000 атомов гелия, 5 атомов кислорода и менее 1 атома остальных элементов.
Вещество и его состав 17
В земной коре больше всего
кислорода и кремния. Вместе с
железом, алюминием, кальци-
ем, натрием, калием, магни-
ем, водородом и титаном они
составляют более 99 % массы
всей земной оболочки. Мас-
совое содержание элемента в
земной коре называется клар-
ковым числом или кларком
элемента.
Земное ядро главным обра-
зом составляют железо и ни-
кель.
Морская вода, конечно, со-
держит больше всего кисло-
рода и водорода. Разумеется,
в ней много натрия и хлора —
элементов, которые составля-
ют соль. Кроме того, в такой
воде много магния, серы, ка-
лия, брома и углерода.
В организме человека 60
химических элементов, сре-
ди них самыми распростра-
ненными являются кислород,
углерод, водород, азот, каль-
ций и фосфор. Содержание
остальных — доли процента,
но они не менее важны.
Из веществ в человеке боль-
ше всего воды. Углерод, водо-
род, кислород, азот и фосфор
ВОПРОС 14
Какого вещества боль-
ше всего в организме
человека?
Другие
элементы
Амт
Кислород
Углерод
Водород
составляют органические сое-
динения. Кальций — важней-
ший элемент для костей, от
него зависит их прочность. Же-
лезо составляет всего 0,006 %,
однако именно оно содержит-
ся в гемоглобине — веществе,
переносящем по всему орга-
низму кислород. Без магния,
которого 0,05 %, невозможен
синтез белков. Так что все эле-
менты нужны и важны.
В земной коре обнаружены
94 из известных на сегодня хи-
мических элементов, правда,
некоторые (технеций, проме-
тий, астат, нептуний и плуто-
ний) сначала получили искус-
ственно; 83 из них первичные.
Это значит, что они появились
еще до возникновения Сол-
нечной системы. С тех пор
прошло более 4,5 млрд лет.
Таким образом, эти элементы
достаточно стабильны, раз они
не распались за такой срок. Их
изотопы долгоживущи.
Распределение основных химических
элементов в человеческом организме.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ
КОРЫ
В настоящее время земная кора наи-
более изучена на глубину до 20 км. По
результатам анализа многочисленных
образцов горных пород и минералов,
выходящих на поверхность земли при
горообразовательных процессах, а так-
же взятых из горных выработок, глубо-
ких буровых скважин и обнажений, был
вычислен средний состав химических
элементов земной коры.
(g
Другие элементы
18 Вещество и его состав
Остальные 11 элементов —
технеций, прометий, поло-
ний, астат, радон, франций,
радий, актиний, протакти-
ний, нептуний и плутоний —
не имеют таких долгоживу-
щих изотопов. Их называют
радиогенными. Эго значит,
что все имеющиеся в земной
коре атомы этих элементов
появились в результате радио-
активного распада других эле-
ментов.
В земной коре нет эле-
ментов, которые расположе-
ны в периодической таблице
Менделеева после плутония
(элемент с порядковым номе-
ром 94). Последние элементы
таблицы очень нестабильны,
они синтезируются искусствен-
но с помощью физических ме-
тодов и подвержены быстро-
му радиоактивному распаду.
Их жизнь составляет малые
доли секунды. Однако ученые
надеются синтезировать эле-
менты, которые существую!
дольше и распались в ранние
эпохи жизни Вселенной. Со-
вокупность таких элементов
называют островом стабиль-
ности.
ВОПРОС 15
Открыты ли элементы
острова стабильности?
КАК НАЧАЛИ
ОБРАЗОВЫВАТЬСЯ
ЭЛЕМЕНТЫ?
Сегодня считается, что на-
ша Вселенная возникла при-
мерно 13,8 млрд лег назад.
До этого она находилась в
состоянии так называемой
сингулярности. Тогда не бы-
ло ни пространства, ни вре-
мени, ни элементарных ча-
стиц. Можно сказать, что
Вселенная возникла из точ-
ки. Есть предположение, что
эта точка-сингулярность бы-
ла сверхмассивной черной
дырой.
Большим взрывом называют
и сам момент начала расши-
рения Вселенной, и ее по-
следующие расширение и
остывание. В первые мину-
ты возникли элементарные
частицы, и только 380 000 лет
спустя появились первые
атомы водорода. Более тя-
желые элемен гы возникли в
ходе так называемого нукле-
осингеза. Так появилось ве-
щество, изучением превра-
щения которого занимается
химия.
Теория Большого взрыва
-9 лы/ч) лет нос и* Ьолтчого
<о/чч<ч1. Форлшровлшв* Солнечной
системы и Земли
-13,8 млрЗ лет нами).
— {Золотой влрыч
-3S0 ООО лет после
1юльиюсо ч .ръшч.
3 \ек троны и я0|»<|
ооъе^пни \нсь
<><111103114
3 hoiНо\bmo.V
ч;рыча. Начало
11ераые секунды
тки’ Большого
<upi4<w. Ооралочанне
субатомных частиц
Вещество и его состав 19
Молекулы
Если молекула состоит из повторяющихся низкомолекуляр-
ных фрагментов, ее называют макромолекулой.
Атомы различного вида
в разных количествах,
связанные межатомны-
ми связями, образуют моле-
кулы. Молекула электриче-
ски нейтральна. Заряженные
молекулы называют ионами,
а молекулы с неспаренными
электронами и ненасыщенны-
Часть макромолекулы целлюлозы — вещества, из которого
состоят дерево и бумага.
ми валентностями — радика-
лами.
В твердом состоянии сохраняют молекулярную структуру
вода, оксид углерода и многое органические вещества. У них не-
высокие температуры плавления и кипения. Большинсгво твер-
дых неорганических веществ состоят из ионов или атомов. Они
существуют как макротела. Эго, например, самородок меди или
кристалл поваренной соли (хлорида натрия).
ВОПРОС 16
Имеет ли медь молеку-
лярную структуру?
Молекула аскорбиновой
кислоты — витамина С.
Медь не имеет молекулярной
структуры. Она — макротело.
Состав молекул выражают
с помощью химических фор-
мул.
СОСТАВ И СТРУКТУРА — В ЧЕМ РАЗНИЦА?
Состав химического соединения — эго количество опре-
деленных атомов, которые в него входят. Однако взаимо-
связи и расположение этих атомов в пространстве могут
отличаться. Соединения, которые одинаковы по атом-
ному составу и молекулярной массе, но отличаются по
расположению атомов в пространстве, называются изо-
мерами. Они отличаются друг от друга свойствами. Хими-
ческие превращения, в результате которых структурные
изомеры превращаются друг в друга, называются изоме-
ризацией. Этот процесс очень важен в промышленности,
например при получении более эффективного топлива и
такого материала, как капрон.
Два изомера пропилового
спирта — пропанола.
Голубыми шариками
обозначены атомы углерода
и присоединенные к ним
атомы водорода.
ВОПРОС 17
Влияет ли структура на
свойства соединения?
20 Вещество и его состав
Химические
формулы
Объемная
структурная формула
серной кислоты.
Желтым цветом
обозначен атом серы,
красным — атомы
кислорода, белым —
атомы водорода.
Химическая формула — это обозначение
химического состава и структуры соеди-
нений. Для нее используются символы
химических элементов, а также вспомогатель-
ные знаки (тире, скобки, цифры и т. д.). Хими-
ческие формулы — неотъемлемая часть языка
химии. Именно с их помощью составляются
уравнения химических реакций, даются назва-
ния химическим веществам.
Различаются несколько видов химических
формул.
Простейшую <|юрмулу можно получить опыт-
ным путем, определив соотношение химических
элементов в веществе и зная, каков атомный вес
элементов.
Истинную формулу получают, когда извест-
на молекулярная масса вещества.
Например, простейшая формула воды Н,О
совпадает с истинной. Количество атомов водо-
рода в два раза больше количества атомов кис-
лорода, причем атом кислорода один. Поэтому
формула показывает и соотношение атомов, и
их количество.
А простейшая формула бензола СН отлича-
ется от истинной С6Н6. Она показывает только
соотношение атомов. Истинная же формула
показывает точное количество атомов каждо-
го элемента в одной молекуле. Это количество
указано в виде нижнего индекса — маленькой
цифры после символа соответствующего эле-
мента. Если индекс равен 1, то его не указывают.
ВОПРОС 18
Чем простейшая формула отличается от
истинной?
Чтобы определить формулу неизвестного
вещества, необходимо узнать его химический
состав.
Химическая <|юрмула описывает одну моле-
кулу (ион, радикал) или 1 моль определенного
вещества, показывая, из каких молекул оно со-
стоит, сколько атомов каждого элемента содер-
жи гея в молекуле, ионе или радикале.
Например, формула H2SO4 обозначает:
• 1 молекулу (1 моль) серной кислоты;
• качественный состав: молекула серной кис-
лоты состоит из водорода, серы и кислорода;
• тот факт, что молекула серной кислоты
состоит из двух атомов водорода, одного атома
серы и четырех атомов кислорода.
i
н
Бензол — сложное ядовитое органическое
вещество, которое тем не менее используется
для производства лекарств, пластмасс,
красителей, резины.
Вещество и его состав 21
В химической формуле используются химические символы элементов и знаки связей между ними.
При записи форму/1 некоторых органических молекул символ углерода не ставит ся — его наличие
и так очевидно.
В рациональных формулах отдельно изобра-
жаются группы атомов, которые характерны
для классов химических соединений. Напри-
мер, для спиртов это группа —ОН. При записи
рациональной формулы такие группы атомов
часто помещаются в круглые скобки — (ОН).
Квадратные скобки используют при записи
формул комплексных соединений. Например,
KJCo(CN)J — гексацианокобальтат калия.
Эмпирическими формулами называют как
истинные, так и простые и рациональные фор-
мулы. В формуле Маркуша выделяются актив-
ное ядро и различные варианты заместителей,
потому она обозначает целые классы веществ.
Особо интересна структурная формула. С ее
помощью показывают, как атомы располагают-
ся в молекуле. Химические связи здесь обозна-
чаются как линии (черточки). Имеются как дву-
мерные, так и трехмерные формулы. Трехмер-
ные нагляднее прочих иллюстрируют состав
вещества, взаимное расположение атомов, угол
связи и расстояние между ними.
Например, рассмотрим этанол:
• простейшая формула: С2Н6О;
• истинная, эмпирическая, или брутго-фор-
мула: С,НО;
* 1 о
• рациональная формула: С,Н.ОН;
• структурная двумерная формула:
Н Н
I I
Н-С-С-О-Н
I I
н н
• структурная трехмерная формула:
Имеются также другие способы записи хи-
мических формул. В компьютерах использу-
ются молекулярные редакторы — особые про-
граммные средства.
22 Вещество и его состав
Химическая
связь
Химическая связь — это взаимодействие
атомов, обусловливающее устойчивость
молекулы или кристалла как целого;
определяется взаимодействием между заря-
женными частицами (ядрами и электронами).
Молекула — мельчайшая частица вещесгва,
сохраняющая его химические свойства. Моле-
кулы состоят из атомов. Атомам свойственна
электроотрицательность, то есть способность
оттягивать к себе электроны других атомов. Са-
мая высокая степень электроогрицателыюсги у
галогенов и сильных окислителей, например у
фтора, хлора, кислорода; самая низкая — у ак-
тивных металлов. С электроотрицательностью
связано понятие химической связи. Если элек-
троотрицательности у атомов равны, то обра-
зуется ковалентная неполярная связь. У атомов
возникает общая электронная пара. Например,
как в молекуле водорода Н2. Если электроотри-
цательность отличается не сильно, образуется
ковалентная полярная связь. Обычно это быва-
ет между атомами неметаллов. Например, как
в молекуле воды Н2О или соляной кислоты НС1.
В молекулах водорода и кислорода имеется
ковалентная неполярная связь, а в молекуле
воды — ковалентная полярная.
В молекуле диоксида углерода (углекислого
газа) — ковалентная неполярная связь. Каждый
атом кислорода имеет общие электроны
с атомом углерода, находящимся в центре.
Если электроотрицательность отличается
существенно, то один электрон полностью пе-
реходит к другому атому и образуются два иона.
Так возникает ионная связь. Обычно это бывает
между атомами металла и неметалла. Напри-
мер, как в молекуле поваренной соли NaCl.
ВОПРОС 19
Что влияет на образование ковалентной
или ионной связи?
Натрий
Отрицательный з
Положительный заряд
Хлор
Ионная связь
(хлорид натрия)
СГ Na^I СГ СГ >
Na\ CI
CI
Ионная связь в кристалле поваренной соли.
Металлическую связь образуют свободные
электроны, расположенные между ионами ме-
таллов, формирующих кристаллическую ре-
шетку. В металлическом типе связи понятия
молекулы нет, а есть только атомы металлов,
которые постоянно переходят в ионы и нао-
борот, и скопление электронов в межатомном
пространстве. Между молекулами тоже возни-
кают взаимодействия. Они бывают индукци-
онными, ориентационными, дисперсионными.
Особый вид связей — водородные. Они возни-
кают между молекулами или внутри молекул,
где есть сильно полярные ковалентные связи
Н—О, Н —F или Н—N.
С чем же связана электроотрицательность
и способность отдавать и принимать электро-
ны? Она связана с электронными оболочками
атомов. В каждой оболочке имеется определен-
Вещество и его состав 23
В кристаллической решетке металла
нет понятия молекулы, а есть лишь
ядра атомов и вращающиеся вокруг них
электроны.
ное число электронов, и если она полностью занята,
то действие сил, которые простираются за ее пределы,
очень мало. В ближайшей к ядру оболочке (К-оболоч-
ке) имеется два электрона (за исключением водорода).
Если электронов больше двух, образуются другие обо-
лочки. Следующая, L-оболочка, рассчитана на восемь
электронов, и если их больше, то остальные должны
вращаться по еще более удаленным орбитам и фор-
мировать М-оболочку.
Если для заполнения оболочки не хватает электро-
нов, их расположение становится асимметричным, а
очень интенсивные силы проникают за пределы ато-
ма, заставляя его отдавать «лишние» электроны и при-
нимать «недостающие». Так образуются молекулы.
ВОПРОС 20
От чего зависит электроотрицательность?
Число
Авогадро
Закон Авогадро гласит,
что в одинаковых объе-
мах идеальных газов при
одинаковом давлении и одина-
ковой температуре содержит-
ся равное число молекул. Дру-
гими словами, 1 моль любого
газа при одинаковом давлении
и одинаковой температуре за-
нимает один и тот же объем.
Моль — количество вещества,
которое содержит столько же
структурных единиц, сколь-
ко содержится в 12 г изотопа
углерода 12С. (Число 12 перед
символом углерода означает
атомный вес данного изотопа.)
Количество структурных еди-
ниц в 1 моле вещества называ-
ется числом Авогадро. Струк-
турные единицы — это любые
частицы: атомы, молекулы,
электроны, ионы и т. д.
Число Авогадро позволяет
определить такие величины,
КАК ОПРЕДЕЛИТЬ МОЛЬ?
Моль определил ь очень просто. Надо сложить атомные мас-
сы элементов, которые входят в химическую формулу. На-
пример, возьмем серную кислоту H,SO4. Атомный вес водо-
рода равен 1, атомный вес серы — 32, атомный вес кислоро-
да — 16. Зная количество атомов этих элементов в молекуле
серной кислот ы, получаем 1 х 2 + 32 + 16 х 4 = 98 г/моль.
как заряд электрона, массу ато-
ма или молекулы и др.
Число Авогадро
и моль — наглядное
представ л ение.
да
| Масса
ВОПРОС 21
Как определяется
моль вещества?
Объем газа
(при нормальных
условиях)
Представленные частицы
24 Вещество и его состав
Как же все это понимать?
Возьмем химическую реакцию,
которая происходит при горе-
нии дерева. Соединение угле-
рода древесины с кислородом
воздуха дает двуокись углерода
СО,. У одного атома углерода
такая же масса, как у 12 ато-
мов водорода, а у двух атомов
кислорода — как у 32 атомов
водорода. Следовательно, соот-
ношение участвующих в реак-
ции масс углерода и кислорода
всегда будет составлять 12 : 32.
Соотношение остается неиз-
менным при любых единицах
измерения: 12 г углерода всег-
да реагируют с 32 г кислорода,
12 ц углерода — с 32 ц кисло-
рода и т. д. В химических реак-
циях главное — относительное
количество атомов каждого
элемента, который участвует в
реакции.
Следовательно, в 12 г угле-
рода столько же атомов, сколь-
ко в 16 г кислорода. Именно это
количество атомов химики и
называют молем. Если принять
относительную атомную массу
вещества за п (иными словами,
его атом в п раз тяжелее атома
водорода), то массу 1 моля это-
го вещества следует принять
как п г. Моль — мера количе-
ства вещества, как пара, десяток
или сотня. Сапог в паре всегда
два, яиц в десятке всегда десять,
и в моле вещества всегда одно
и то же количество атомов, ио-
нов или молекул.
Но как ученые к этому при-
пыл? Атомы ведь сосчитать
очень сложно. Все началось с ис-
следований итальянского хими-
ка Амедео Авогадро. Он знал,
что, когда между газа» 'и проте-
кает химическая реакция, соот-
ношение между объемами га-
зов равно соотношению между
количеством их молекул. Так,
когда три молекулы водорода
(Н,) вступают в реакцию с од-
ной молекулой азота (N2), обра-
зуются две молекулы аммиака
(NH0, а объем участвующего в
реакции водорода оказывается
в три раза больше объема азо-
та. Авогадро пришел к выводу,
что количество молекул в обоих
объемах находится в соотноше-
нии 3 :1. То есть в равных объе-
мах газа содержится равное ко-
личество атомов или молекул.
Это и есть известный сегодня
закон Авогадро.
Во время горения костра для каждого атома углерода дров и
хвороста находятся два атома кислорода воздуха, и их массы
относятся друг к другу как 12:32.
Согласно закону Авогадро,
в равных объемах различных
газов, взятых при одинаковых
температуре и давлении,
содержится одинаковое
количество молекул.
Вещество и его состав 25
ВЕЧНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Для химических реакций
имеет значение броуновское
движение. Дело в том, что
микроскопические частицы
твердого вещества в жидко-
сти и газе постоянно и хао-
тически движутся. Это вы-
звано тепловым движением
час । иц жидкости или газа.
Благодаря броуновскому и
тепловому движению проис-
ходит диффузия — процесс
самопрои зволыюго вырав-
нивания концен грации мо-
лекул, ионов, коллоидных
частиц.
Броуновское движение названо гак по имени Робер га Броуна,
который в 1817 г. наблюдал хаотичное движение пыльцевых
зерен в растительном соке.
ОТВЕТЫ
1. Органическая химия изучает соединения
углерода с водородом, кислородом, азотом,
фосфором.
2. Аналитическая химия использует количе-
ственный и качественный анализ.
3. Кипение воды — это физическое явление,
а разложение ее на водород и кислород —
химическое.
4. Атом электрически нейтрален.
5. Нейтронов нет в ядре у водорода.
6. Углерод — химический элемент; кисло-
родом называют и химический элемент, и
вещество; уголь — вещество, состоящее из
углерода.
7. Для правильного составления таблицы
химических элементов прежде всего необ-
ходимо было знать их правильные а гомные
веса, другие свойства, а также достаточное
их количество.
8. Пустые места в таблице Менделеева оста-
лись потому, что он предположил суще-
ствование еще не открытых элементов и
предсказал их свойства.
9. Атомная орбиталь — это область про-
странства вокруг ядра, где наиболее вероят-
но расположение электрона.
10. Чем больше у элемента валентных элек-
тронов, тем легче он их приобретает.
11. Название электронного семейства зави-
сит от того, какой уровень в атоме заполня-
ется последним.
12. d-элементы находятся в таблице Менде-
леева между s- и p-элементами, поэтому их
называют переходными.
13. Самый распространенный элемент во
Вселенной — водород.
14. Больше всего в организме человека воды.
15. Нет, элементы острова стабильности еще
не открыты и не синтезированы.
16. Медь не имеет молекулярной структуры,
она состоит из атомов и электронов и явля-
ется макротелом.
17. Да, свойства соединения меняются при
изменении расположения его атомов.
18. Простейшая формула показывает только
соозношение атомов в молекуле, а истинная —
точное количество каждого вида атомов в ней.
19. На возникновение ковалентной или
ионной связи влияет электроотрицатель-
ность — способность атомов оттягивать на
себя электроны.
20. Электроотрицательность зависит от со-
стояния внешней электронной оболочки
атома.
21. Чтобы определить моль вещества, надо
сложить атомные массы элементов, состав-
ляющих его молекулу.
26 Химические реакции
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ
Что такое химические реакции
и как они происходят?
Химическая реакция представляет собой
превращение одного или нескольких
веществ (которые называют также реа-
гентами) в другие вещества. Если при ядерной
реакции происходит изменение состава ядер
атомов и появляются новые атомы, то химиче-
ская реакция обходится без этого. И ядра ато-
мов, и изотопный состав остаются прежними.
Однако изменяется электронная оболочка, при
этом образуются новые вещества, то есть новые
молекулы. В физических процессах, в отличие
от химических, сохраняется неизменным состав
вещества, хотя может изменяться форма или
агрегатное состояние.
При химических реакциях
возникают различные
внешние эффекты: меняется
цвет реагентов, происходит
интенсивное испарение,
реагенты нагреваются или
охлаждаются, а может даже
произойти взрыв. Поэтому
с реактивами надо быть очень
осторожными.
Для химической реакции
нужны различные условия. Так,
она может произойти самопро-
извольно, при смешении реа-
гентов. Или же для нее необхо-
димы нагревание, присутствие
катализатора, солнечный или
искусственный свет, электриче-
ский ток, механическое воздей-
ствие, действие плазмы и мно-
гие другие условия. Молекулы
взаимодействуют так: сначала
ассоциирукп (объединяются),
потом происходят обмен элек-
тронами и диссоциация. Ак-
тивными частицами здесь яв-
ляются ионы, радикалы и ко-
ординационно-ненасыщенные
соединения.
Если в результате взаимо-
действия молекул или других
частиц образуется какой-либо
Иногда для проведения
химической реакции нужно
очень мало реагента.
Химические реакции 27
продукт, такая реакция называется простой.
Если для появления конечного продукта нужны
промежуточные продукты, такая реакция назы-
вается сложной.
Если химические реакции происходят в пре-
делах одной фазы (например, в жидкости), тогда
они называются гомогенными; если на границе
раздела фаз (например, на твердом теле, погру-
женном в жидкость) — гетерогенными. Гетеро-
генные реакции происходят между раствором
и газообразным веществом, между твердым ве-
ществом и раствором, между газообразным и
твердым веществами. Если у реакции имеется
много стадий и одни из них гомогенные, другие
гетерогенные, то она называется гомогенно-ге-
терогенной.
ОБРАТИМЫЕ И НЕОБРАТИМЫЕ
РЕАКЦИИ
Реакции бывают также обратимыми и
необратимыми. Необратимые реакции
завершаются образованием какого-либо
вещества, например это реакция горения
или разложение бертолетовой соли при
нагревании:
2КС1ОЛ -» 2КС1 + ЗО2.
Необратимых реакций не так много.
Большая часть химических реакций об-
ратимые. Это значит , что они происходят
одновременно в двух противоположных
направлениях. В уравнениях таких реак-
ций знак равенст ва заменяется двумя про-
тивоположно направленными стрелками:
3H, + N,^ 2NH,.
ВОПРОС 1
Приведите пример необратимой химиче-
ской реакции.
Бертолетова соль открыта химиком Луи
Бертолле в 1786 г. Это ядовитое вещество входит
в состав спичечных головок.
Окислительно-
восстановительные
реакции
В окислительно-восстановительных реакци-
ях один элемент является окислителем,
другой — восстановителем.
Окислителем является атом (молекула или
ион), принимающий электроны. Сам он при
этом восстанавливается, понижает свою сте-
пень окисления и приобретает отрицательный
заряд, гак как электроны заряжены отрица-
тельно. Восстановителем является атом (моле-
кула или ион), отдающий электроны. Сам он
при этом окисляется, повышает свою степень
окисления и приобретает положительный за-
ряд, так как число положительно заряженных
протонов становится больше, чем число отри-
цательно заряженных электронов.
Пример окислительно-восстановительной ре-
акции — горение водорода в кислороде (окисли-
тель) с образованием воды:
2Н2 + О2 -> 2Н2О.
Водород здесь отдает свои электроны ато-
му кислорода и приобретает положительный
заряд, он является восстановителем. Степень
окисления водорода — +1. Кислород же прини-
мает электроны и приобретает отрицательны!!
заряд, он является окислителем. Степень окис-
ления кислорода равна -2.
28 Химические реакции
К окислительно-восстановительным также
относятся реакции контрпропорционирова-
ния. В них атомы одного и того же элемента, ко-
торые находятся в разных степенях окисления,
становятся окислителями и восстановителями.
Такой реакцией, например, является разло-
жение нитрата аммония NH4NO3 при нагрева-
нии.
Для определения степеней окисления азота
запомним степени окисления водорода и кис-
лорода и рассмотрим нитрат аммония как два
иона — NH4' и NO,. Сумма степеней окисления
всех элементов равняется нулю, если это ней-
тральная частица, или же заряду иона, если это
ион.
Значит, для иона NH/ сумма: х + 4 * (+1) +1,
откуда х = -3. Эго степень окисления первого
атома азота.
Для иона NO, сумма: х + 3 х (-2) = -1, отку-
да х = +5. Это степень окисления второго атома
азота.
При разложении азот приобретает степень
окисления +1. Это рассчитать еще проще: моле-
кула оксида азота, или веселящего газа, как его
еще называюг, нейтральна. Степень окисления
кислорода равна -2, значит, степень окисления
одного атома азота — +1.
Молекула нитрата аммония. Азот обозначен
синим цветом, водород — белым, кислород —
красным.
Иными словами, первый атом азота отдает
четыре электрона и является восстановителем,
второй принимает шесть электронов и является
окислителем:
NH4NO3 — N3O Т + 2Н2О.
Контейнер для хранения аммиачной селитры —
нитрата аммония. Это вещество используется
и в качестве удобрения, и для производства
взрывчатки.
ПРОТОНЫ В ХИМИЧЕСКИХ
РЕАКЦИЯХ
Окисли тельно-восстановительные реак-
ции называют еще реакциями с переда-
чей электрона. Это привычно, ио есть еще
реакции с передачей прогона, или кис-
лотно-основные. Протон — часть ядра, а
ядро при химических реакциях не изме-
няется. Но в данном случае про гон — это
просто ион водорода, ведь, лишившись
своего единственною электрона, он пре-
вращается в ядро, состоящее из одного
протона.
Вот одна из таких реакций, где соляная
кислота взаимодействует с одной из со-
леи — нитратом калия. При этом образу-
ется другая кислота — азотная и другая
соль — хлорид калия:
HCI + KNO, = KCI + HNOj.
ВОПРОС 3
При химических реакциях не происходит
изменений в ядре, состоящем из протонов
и нейтронов. Однако все же существуют
такие реакции, при которых передается
протон. Что это за протон?
Химические реакции 29
Нитрат калия называют также индийской
селитрой, потому что богатые месторождения
этого вещества находятся в Индии. Эту соль
используют как удобрение, в пиротехнике,
а раньше применяли и для производства
черного (дымного) пороха.
Выделение и поглощение тепла
при химических реакциях
При всех химических реакциях происхо-
дят поглощение и выделение энергии.
Когда химические связи разрываются,
выделяется энергия. Благодаря ей образуются
новые химические связи. Если энергии процес-
сов близки, то тепловой эффект реакции при-
ближается к нулю. Если энергии выделяется
больше, чем поглощается, то во время реакции
выделяется тепло, и она называется экзотерми-
ческой (от «экзо» — «внешний»). Если энергии
выделяется меньше, чем поглощается, то она
называется эндотермической (от «эндо» — «вну-
тренний»). При этом тепло поглощается.
Поглощение и выделение тепла выражаются
при помощи термохимических уравнений. Те-
пловой эффект реакции называется энтальпией.
можно всегда рассчитать, сколько тепла выделит-
ся при сгорании разного количества углерода.
Реакция окисления азота идет с поглощени-
ем тепла и является эндотермической:
N2 + О, = 2NO - 180,8 кДж.
Электростанции, работающие на угле,
выделяюг в атмосферу продукт его сгорания —
углекислый газ, или оксид углерода.
Горящий уголь дает много тепла.
Например, реакция горения углерода, а
проще говоря, угля, идет с выделением тепла и
является экзотермической:
С + О2 = СО2 + 402 кДж.
Значит, при сгорании 1 моля углерода выде-
ляется 402 кДж тепла. Благодаря этой реакции
ВОПРОС 4
Вычислите, сколько сгорело угля, если
при этом выделилось 33 520 кДж тепла.
Тепловой коэффициент реакции горе-
ния углерода равен 402 кДж. Атомный вес
углерода — 12.
30 Химические реакции
Типы превращения
реагирующих частиц
По типам превращения реагирующих частиц (атомов,
ионов, молекул) выделяют несколько типов реакций.
Реакции соединения — это реакции, при которых из двух
или нескольких простых либо менее сложных веществ образует-
ся более сложное вещество. К таким реакциям относится горе-
ние, а также образование самых разных веществ, например из-
вестной всем соды, или карбоната натрия:
Na2O + СО2 - Na2COr
При реакции замещения
одно вещество вытесняет дру-
гое из его соединения. Напри-
мер, в реакции Fe + CuSO4 —♦
—» FeSO4 + Си железо вытесня-
ет медь из ее сульфата.
При реакции обмена ис-
ходные вещества обменива-
ются своими частями. К при-
меру, гидроксид натрия и
соляная кислота дают хлорид
натрия и воду:
NaOH + НО - NaCl + Н2О.
Для правильного проведения
химических реакций нужны
определенные температура,
давление, и, что самое главное,
реагенты должны быть
чистыми и защищенными
от окружающей среды.
И, конечно, самим нужно
защищаться от этих реагентов,
если oiHi токсичны.
Реакции разложения — это такие реакции, при которых из
сложного вещества получаются хотя бы два менее сложных либо
простых вещества. Такой реакцией, например, является разло-
жение оксида серебра на серебро и кислород:
2Ag2O = 4Ag + Or
Разнообразные химические реакции приводят к превращению
одних вещест в в другие.
ФИЗИКА для ХИМИИ
Узнать, что произошла хи-
мическая реакция, можно
по физическим эффек-
там. Например, происхо-
дит выделение или погло-
щение тепла, появляется
запах, выпадает осадок,
меняется окраска реак-
ционной смеси. То есть
физические и химические
явления происходят од-
новременно. Это значит,
что природа едина, а раз-
деление наук произошло
только ради того, чтобы
было удобнее исследо-
вать ее.
Сульфат меди придает огню
необычный цвет.
ВОПРОС 5
По каким признакам мож-
но распознать химическую
реакцию?
Химические реакции 31
Что такое
катализаторы?
Химические реакции бывают каталити-
ческими и некаталитическими. Катали-
тическими называют реакции, которые
происходят только в присутствии катализа-
торов. Такими бывают реакции соединения и
разложения, а некаталитическими — реакции
обмена и замещения.
Что же такое катализатор? Это химическое
вещество, которое ускоряет реакцию, но не вхо-
дит в состав продуктов реакции.
Например, 3%-ный раствор перекиси водо-
рода Н2О,, повсеместно продающийся в апте-
ках, — устойчивое вещество. Но если добавить
к нему несколько крупинок диоксида марганца
Уравнение: МпО2
Перекись водорода КаталимтоР^ g0()a + кислород
2Н2О2 -------------► 2Н2О + О2
Получение кислорода в лаборатории
с помощью катализатора.
МпО2, то перекись начинает разлагаться с обра-
зованием воды и кислорода:
Н2О2 = Н2О + О2.
Таким образом, диоксид марганца — ката-
лизатор данной реакции. Именно катализатор,
а не инициатор!
ВОПРОС 6
Катализатор ускоряет или инициирует
химическую реакцию?
Катализаторами являются также многие ме-
таллы — платина, родий, палладий, золото. Они
используются в выхлопных устройствах автомо-
билей, для того чтобы нейтрализовать вредные
выбросы. Например, в присутствии платины
ядовитый угарный газ СО превращается в угле-
кислый газ СО2. Разумеется, ученые стремятся
заменить дорогие металлы более дешевыми.
В выхлопных устройствах автомобилей
используются катализаторы из драгоценных
металлов.
ВОПРОС 7
Для чего в автомобиле используют платину?
Превращения этанола в другие вещества с помощью различных катализаторов.
Катализатор
Ацетальдегид (СН3СНО) Си
Этан (С2Н4 + Н2О) А1:О,
Бутадиен (С4Н6 + Н2О + Н2) Al2O3/ZnO
-* *• Ацетон (СН3СОСН3 + Н2О + Hj) Си/Сг2О3
Этиловый эфир (CHjCCXDCjH, + Н2) Си/Се
* Метан (СН4 + Н2+СО) Ni
* Бутанол (С4НвОН + Н2О) Na
Этанол (С2Н.ОН)
32 Химические реакции
В живой природе катализаторами являются
ферменты, без которых были бы невозможны
деление клеток, синтез белка, переваривание
пищи.
Поэтому можно с уверенностью сказать: без
катализаторов не просто многие реакции шли
бы медленнее — некоторые вообще были бы не-
возможны и на Земле не появилась бы жизнь.
Целлюлаза — фермент, расщепляющий
целлюлозу.
СКОРОСТЬ
ТПТГГГСТчяллТТ
РЕАКЦИИ
Эта величина определяет, как
изменяется концентрация
компонентов реакции с тече-
нием времени. Скорость хи-
мической реакции — величи-
на всегда положительная, по-
этому если она определяется
по исходному веществу (кон-
центрация которого убы-
вает в процессе реакции), то
полученное значение умно-
жается на -1.
Скорость реакции
зависит от концентрации
ее компонен тов.
S7
ОТВЕТЫ
1. Необратимой химической реакцией явля-
ется горение.
2. Кислород в реакции образования воды яв-
ляется окислителем.
3. При химических реакциях происходит
обмен не только электронами, но и ионами.
Одним из таких ионов является ион водоро-
да. А поскольку в атоме водорода имеется
только один электрон и один протон, то,
потеряв электрон, ион водорода превраща-
ется в один протон.
4. С + О2 = СО2 + 402 кДж. По уравнению реак-
ции при сгорании 1 моля углерода выделяется
402 кДж тепла. Молярная масса углерода рав-
на 12 r/моль. Составим пропорцию. 402 кДж
выделяется при сгорании 12 г углерода;
33 520 кДж выделяется при сгорании х г угле-
рода: х = 33 520 х 12/402 = 1000,59 г. Следователь-
но, сгорел приблизительно 1 кг угля.
5. Химическую реакцию можно распознать
по изменению цвета, запаха, выделению или
поглощению тепла, появлению осадка.
6. Катализатор только ускоряет химическую
реакцию.
7. Платина в выхлопном устройстве автомо-
биля является катализатором при превра-
щении вредных веществ в безвредные.
Растворы 33
РАСТВОРЫ
ВОПРОС 1
Что такое переменный сос-
тав раствора?
Что такое растворы?
Значение растворов для химии невозможно переоценить.
Огромное количество химических реакций происходит в
растворах, а растворимость — одно из важнейших свойств
вещества. Растворы изучает физическая химия. Раствор — это го-
могенная, то есть однородная смесь переменного состава, кото-
рая состоит из растворителя, растворенного вещества и продук-
тов, получившихся в результате их взаимодействия. При этом
каждый из компонентов распределяется в массе другого в виде
молекуд, ионов или атомов.
Растворы солей имеют
различные цвета в зависимости
от содержания составляющих
их ионов.
Растворитель отличается от
растворенного вещества тем,
что его агрегатное состояние
при образовании раствора не
изменяется. Обычно речь идет
о растворе твердого вещества
в жидкости, тогда жидкость
и есть растворитель. Если же
смешивается газ с газом, жид-
Самый распространенный раствор на Земле — это морская вода.
Она содержит практически все элементы таблицы Менделеева,
но большая часть — это натрий и хлор. Присутствуют также
магний, кальций и др. В каждом литре морской воды растворено
примерно 35 г солей, главным образом это хлорид натрия —
поваренная соль.
Под переменным составом раствора понимается следующее:
соотношение веществ, смешанных друг с другом, способно в
определенных пределах непрерывно изменяться. Раствор соли
можно упаривать или разбавлять водой, но жидкости, получен-
ные при этом, все равно будут называться растворами соли.
кость с жидкостью, твердое
вещество с твердым, то рас-
творителем является тот ком-
понент, количество которого
преобладает.
ВОПРОС 2
Чем отличается раство-
ритель от растворенного
вещества?
34 Растворы
Образование раствора свя-
зано с интенсивностью меж-
атомного, межмолекулярного
или межионного взаимодей-
ствия частиц разных веществ.
Процесс взаимодействия рас-
творяемого вещества с водой
называется гидратацией, что
является частным случаем соль-
ватации — взаимодействия час-
тиц растворенного вещества с
частицами растворителя. При
гидратации образуются пира-
ты. Кристаллоптдратами назы-
ваются кристаллы, в состав ко-
торых входят молекулы воды —
такая вода носит название кри-
сталлизационной. Образование
водородных и других связей
энергетически выгодно, и пото-
му гидратация сопровождается
выделением энергии. Ее часть
идет на разрушение кристал-
лической решетки, а избыток
выделяется в виде тепла. Так,
при растворении твердого ги-
дроксида натрия NaOH раствор
сильно разогревается. Но если
для разрушения кристалличе-
ской решетки расходуется боль-
ше энерпш, чем выделяется при
образовании пиратов, то рас-
твор сильно охладится. Так про-
исходит, например, при раст-
ворении в воде твердого нитра-
та аммония NH4NO3.
При исследовании растворов их нагревают иди охлаждают.
ВОПРОС 3
Когда при растворении
выделяется тепло, а когда
раствор охлаждается?
В газированных напитках
содержится оксид углерода,
и при активном встряхивании
происходит выделение газа
из раствора.
Растворы 35
ДИФФУЗИЯ
При диффузии происходит взаимное про-
никновение молекул или атомов одного
вещества между молекулами или атомами
другого. Это приводит к тому, что их кон-
центрации самопроизвольно выравнивают-
ся по всему занимаемому объему. Само сло-
во «диффузия» означает распространение,
растекание, рассеивание, взаимодействие.
Если происходит диффузия молекул раство-
рителя через полупроницаемую мембрану
из объема с меньшей концентрацией в сто-
рону объема с большей концентрацией, та-
кой процесс называется осмосом.
Обычно при диффузии происходит перенос
вещества из области с высокой концентрацией
в область с низкой концентрацией.
Таким образом, вещество
в растворе находится в новом
состоянии — в виде гидратов.
Значит, растворение не только
физический, но и химический
процесс.
В быту раствором называют
только жидкое вещество, нап-
ример раствор соли в воде или
золота в ртути. Но в химиче-
ской практике растворы — это
гомогенные системы, в которых
растворитель бывает жидким,
твердым или газообразным.
Смесь цемента с водой и пе-
ском тоже называют раство-
ром, хотя с точки зрения хи-
мии это раствором не является.
ВОПРОС 4
Бывают ли растворы твер-
дыми?
Растворение
Растворение представляет собой переход молекул веще-
ства из одной фазы в друзую. К нему приводит взаимо-
действие частиц (атомов, ионов, молекул) растворителя с
частицами растворенного вещества. При растворении твердых
веществ энтропия системы увеличивается, при растворении га-
зов — уменьшается. Граница между фазами (например, твердой
и жидкой) исчезает, меняются многие физические параметры:
вязкость, плотность, могут изменяться цвет, вкус. Например,
вода, куда добавлены кристаллы соли или сахара, становится
соленой или сладкой; если добавить в воду кристаллы марган-
цовки (перманганата калия), она приобретает малиновый цвет.
Перманганат калия КМпО4, привычная всем марганцовка,
в твердом виде темно-фиолетовый, почти черный.
Растворяясь в воде, он придает ей фиолетовый цвет,
а в разбавленных растворах — малиновый. Разбавленный
раствор быстро разлагается, оставляя бурый осадок диоксида
марганца. Недаром марганцовку прозвали хамелеоном.
36 Растворы
КАК ПРОИСХОДИТ РАСТВОРЕНИЕ
САХАРА В ВОДЕ?
Попав в воду, молекулы сахара, которые на-
ходятся па поверхности кристаллов сахар-
ного песка или кусочка, начинают образовы-
ва1ь межмолекулярные (водородные) связи
с молекулами воды, причем с одной моле-
кулой сахара связывается сразу несколько
молекул воды. Тепловое движение молекул
воды, то есть диффузия, отрывает связан-
ные с ними молекулы сахара от кристалла
и переводит их в толщу .молекул раствори-
теля, то есть воды. Диффузия происходит
медленно, и поэтому рядом с крис галлами
оказывается избыток молекул сахара, уже
оторванных от кристалла, но еще не диф-
фундировавших в расгвор. Поэтому новые
молекулы воды не могут приблизиться к
поверхности кристалла и связаться с его мо-
лекулами. Чтобы диффузия пошла быстрее,
надо перемешать раствор. Тогда молекулы
сахара распределятся равномерно по всему
раствору и он станет сладким.
Сахар необходимо
размешать, чтобы
ускорить диффузию.
Образование раствора за-
висит от растворимости ве-
щества. Растворимость — это
способность вещества раство-
ряться в одном или другом
растворителе. Мера раство-
римости вещества в данных
условиях — его содержание
в насыщенном растворе. Рас-
творимость, выраженную при
помощи массы вещества, ко-
торое может раствориться в
100 г воды при данной темпе-
ратуре, называют коэффици-
ентом растворимости. Хоро-
шо растворимым называю!
вещество, если в 100 г воды
его растворяется более 10 г.
Малорастворимым называет-
ся вещество, если в 100 г воды
растворяется менее 1 г. Если
в раствор переходит меньше
0,01 г вещества, то оно назы-
вается нерастворимым. Одна-
ко полностью нерастворимых
веществ не бывает. Если воду
налить в стеклянный стакан,
то она, пусть очень слабо, но
растворяет стекло, и часть его
молекул переходи! в воду.
Любое вещество переводит
свои молекулы в раствор.
ВОПРОС 5
Бывают ли полностью
нерастворимые вещес-
тва?
Растворы 37
Растворы в зависимости
от концентрации
Растворы в зависимости от концентрации
носят разные названия и обладают раз-
личными свойствами.
Ненасыщенным называется раствор, в кото-
ром при данных условиях можно растворить еще
какое-то количество растворенного вещества.
В насыщенном растворе молекулы и ионы
находятся в динамическом равновесии.
В насыщенном растворе растворенное ве-
щество при данных условиях пребывает в наи-
большей концентрации и больше растворяться
не может. Его осадок находится с веществом в
растворе в равновесном состоянии. Дело в том,
что молекулы вещества не только отрывают-
ся от кристалла, но и присоединяются к нему.
Пока кристаллов немного, в раствор переходит
больше молекул, чем возвращается. Но если
кристаллов много, то количество покидающих
его и возвращающихся молекул становится
одинаковым и растворение прекращается. Та-
кой раствор называется насыщенным. Так, при
комнатной температуре нельзя растворить в
100 г воды больше 200 г сахара. Подобную си-
туацию называют динамическим равновесием,
или равновесием в движении.
вопросе
Что такое динамическое равновесие?
В пересыщенном (перенасыщенном) раство-
ре при данных условиях находится больше рас-
творенного вещества, чем в насыщенном. Избы-
ток вещества выпадает в осадок. Пересыщенный
раствор обычно можно получить с помощью
охлаждения раствора, который был насыщен
при более высокой температуре.
Жидкость
Раствор
Твердое вещество
Концентрированный раст вор далеко не всегда бывает насыщенным.
38 Растворы
Концентрированный рас-
твор вовсе не обязательно яв-
ляется насыщенным, а раз-
бавленный — ненасыщенным.
Эти понятия друг с другом не
связаны. Например, 4М очень
концентрированный раствор
бромида калия не является на-
сыщенным, а 0,0000134М очень
разбавленный раствор хлори-
да серебра — насыщенный.
В концентрированном
растворе содержание
растворенного вещества
высокое, в разбавленном —
низкое.
Растворы бывают не только
жидкими, но и твердыми. На-
пример, водород растворяется
в платине. А вот смеси газов,
тот же воздух, не называют рас-
твором, потому что их частицы
практически не взаимодейству-
ют друг с другом. А заметное
взаимодействие между части-
цами растворителя и раство-
ренных веществ — важное свой-
ство раствора.
ВОПРОС 7
Может ли разбавленный рас-
твор быть насыщенным?
Дисперсные
среды
Дисперсная система — это система, об-
разованная из двух или более фаз, кото-
рые практически не смешиваются и не
реагируют друг с другом химически. При двух-
фазной системе первое вещество — дисперсная
фаза — распределено в дисперсионной среде.
Дисперсные системы бывают различными. При-
мером системы, где дисперсной фазой является
жидкость, а дисперсионной средой — газ, слу-
жат аэрозоли (облака и туманы). Коллоидные
растворы (золи) — это высокодисперсные двух-
фазные системы, состоящие из дисперсионной
среды и дисперсной фазы, причем линейные
размеры частиц последней лежат в пределах от
1 до 100 нм. По размерам частиц коллоидные
растворы — промежуточные между истинными
растворами, суспензиями и эмульсиями. Колло-
идные частицы обычно состоят из большого чис-
ла молекул или ионов. Их изучает коллоидная
химия.
В коллоидном растворе имеются мельчай-
шие крупинки или капельки жидкости, состоя-
щие из большого количества молекул в раство-
рителе (в данном случае — в дисперсной фазе); в
истинных растворах в растворителе имеются от-
дельные молекулы или ионы. Для коллоидных
растворов характерен эффект Тиндаля, при ко-
тором свет рассеивается коллоидными частица-
ми. Если пропустить через золь пучок света, то
появляется светлый конус, видимый в затемнен-
ном помещении. Так можно распознать, являет-
ся данный раствор коллоидным или истинным.
Облака и тучи — это дисперсные системы
(аэрозоли).
Растворы 39
ЗОЛЬ И ГЕЛЬ — В ЧЕМ РАЗНИЦА?
Золь — это дисперсная система «твердое в
жидком», когда твердая дисперсная фаза, то
ест ь частицы коллоидных размеров, распре-
деляется в жидкой дисперсионной среде.
Гель — дисперсная система «жидкое в твер-
дом»; жидкость является дисперсной фазой,
и она распределена в твердой дисперсион-
ной среде. Гель можно получит ь с помощью
коагуляции золя.
Гели широко используются в медицине
и косметологии.
ВОПРОС 8
Чем золь отличается от
геля?
Если дисперсная фаза га-
зообразная, а дисперсионная
среда жидкая, мы имеем дело
с пеной. Когда обе дисперсные
фазы жидкие — это эмуль-
сия. Эмульсиями являются и
нефть, и кремы.
Обычный крем для рук —
пример эмульсии.
Твердая дисперсная фаза
при жидкой дисперсионной
среде — суспензия. Это ил,
взвесь, паста. Жидкая дисперс-
ная фаза и твердая дисперси-
онная среда — это капилляр-
ная система, то есть заполнен-
ное жидкостью пористое тело,
например почва.
Почва — пример капиллярной
дисперсной системы.
Примерами дисперсной си-
стемы, когда и дисперсная фаза,
и дисперсионная среда твер-
дые, являются бетон и сплавы.
Двухфазные дисперсные си-
стемы бывают также свободно-
дисперсными, когда дисперс-
ная фаза подвижна, и связно-
дисперсными, когда дисперси-
онная среда твердая и частицы
дисперсной фазы не могут пе-
ремещаться свободно.
Если частицы дисперс-
ной фазы одинаковые, такие
системы называют монодис-
персными, если разные — по-
лидисперсными. В основном
реальные дисперсные систе-
мы, окружающие нас, поли-
дисперсны.
ВОПРОС 9
Приведите пример колло-
идного раствора в атмо-
сфере.
Бетон — твердая дисперсная
система.
40 Растворы
МОЛОКО КАК СЛОЖНАЯ СИСТЕМА
Молоко, которое мы пьем, — сложная дис-
персная система. Оно состоит из воды, мо-
лочного жира, белка казеина и молочно-
го сахара. Жир в воде представляет собой
эмульсию и постепенно поднимается кверху,
образуя сливки. Казеин находится в виде кол-
лоидного раствора. Когда молоко скисает,
он выделяется. Его можно выделить и в виде
творога, слегка подкислив. Молочный сахар
в молоке представляет собой молекулярный
(или истинный) раствор, выделяется он толь-
ко при испарении воды.
Молоко включает и эмульсию, и коллоидный
раствор, и истинный (молекулярный) раствор.
ВОПРОС 10
Что придает молоку свойства коллоидно-
го раствора?
Коллоидные системы имеют огромное .зна-
чение в биологии и в жизни человека. Многие
вещества в человеческом организме находятся
в коллоидном состоянии. Коллоидные раство-
ры — это нервные и мышечные клетки, кровь и
другие биологические жидкости. Плазма крови
также представляет собой дисперсионную среду.
Кровь — дисперсная система, где клетки
взвешены в плазме.
Диссоциация
и константа
равновесия
Сильное физико-химическое взаимодействие при растворе-
нии приводит к тому, что свойства растворов значительно
изменяются. Эти явления изучает химическая теория рас-
творов. При изучении скорости химической реакции использу-
ется так называемая константа равновесия. Эго отношение кон-
стант скоростей прямой и обратной реакций. Она определяет
соотношение между концен-
трациями, или же парциаль-
ными давлениями, или термо-
динамическими активностями
исходных веществ и продуктов
реакции в состоянии химиче-
ского равновесия. Константа
диссоциации представляет со-
бой вид константы равновесия,
которая характеризует склон-
ность объекта диссоциировать
(разделяться) обратимым об-
разом на частицы, например
когда комплекс распадается на
составляющие молекулы.
Растворы 41
БЫВАЮТ ЛИ ИДЕАЛЬНЫЕ
РАСТВОРЫ И ГАЗЫ?
Идеальный раствор — это такой раствор,
в котором отсутствует взаимодействие
между частицами составляющих его ве-
ществ.
Идеальный газ — это такой газ, между мо-
лекулами которого отсутствуют силы вза-
имного притяжения, молекулы считают-
ся материальными точками, а взаимодей-
ствия их сводятся к абсолютно упругим
ударам.
Однако эти понятия применяются для
удобства и расчетов, в природе таких иде-
альных сред просто нет.
ЭЛЕКТРОЛИТЫ
Электролиты — это вещества, которые
проводят электрический ток в расплавах
или водных растворах. В растворах они
диссоциируют на ионы. Диссоциация во-
обще — это распад вещества на молеку-
лярные элементы или ионы. Неэлектро-
литы — вещества, молекулы которых в во-
дных растворах на ионы не диссоциируют
и потому электрический ток не проводят.
Кислоты, основания и почти все соли яв-
ляются электролитами; большинство ор-
ганических соединений, а также вещества
с ковалентными неполярными и малопо-
лярными связями — неэлектролиты.
Величина константы равновесия зависит от
природы реагирующих веществ и температуры
и не зависит от концентрации в момент равно-
весия, поскольку их отношение всегда величина
постоянная, численно равная константе равно-
весия. Если гомогенная реакция идет между ве-
ществами в растворе, то константа равновесия
обозначается как Кс, а если между газами, то Кр.
ВОПРОС 12
Почему электролиты проводят электри-
ческий ток?
Индикаторы
Диссоциация хлорида натрия в воде.
Слово «индикатор» происходит от латин-
ского indicator — «указатель». Действитель-
но, индикаторы — органические вещества
сложной природы, с помощью которых можно
отслеживать состав среды или протекание хими-
ческой реакции. Среда любого водного раствора
характеризуется содержанием ионов водорода
Н* или гидроксид-ионов ОН . У водных раство-
ров бывают нейтральная, щелочная и кислотная
Кислая среда
Нейтральная среда Щелочная среда
ВОПРОС 11
Что представляет собой диссоциация?
Красно-оранжевый Желтый
Желтый
Индикатор метиловый оранжевый в разных
средах.
42 Растворы
среды. В нейтральной среде число ионов водо-
рода равно числу гидроксид-ионов. В кислотной
среде число ионов водорода больше числа ги-
дроксид-ионов. В щелочной среде число ионов
водорода меньше числа гидроксид-ионов.
Пожалуй, самыми распространенными яв-
ляются кислотно-основные индикаторы, изме-
няющие цвет согласно кислотности раствора.
Кислотностью называется показатель активно-
сти ионов водорода в растворе. От кислотности
зависит строение молекул индикатора. Напри-
мер, фенолфталеин в слабой и средней кислой
среде представляет собой недиссоциирован-
ные молекулы, и раствор остается бесцветным.
Правда, в концентрированной серной кислоте
он дает красную окраску, поскольку в ней при-
сутствует катион фенолфталеина. В щелочной
среде раствор приобретает малиновый цвет,
потому что там присутствуют однозарядные
анионы фенолфталеина. В сильнощелочной
среде образуются грехзарядные анионы фенол-
фталеина, которые обесцвечивают раствор.
ВОПРОС 13
От чего зависит строение молекул инди-
катора?
Разному водородному показателю присвоен
свой цвет. Эти цвета изображаются
на соответствующей шкале. Индикатор
опускают в раствор, затем сравнивают его
окраску с цветной шкалой.
ЧТО ТАКОЕ pH?
10 1 тоС/Г
10 2 тоС/С
10’то(/[
10^то(/(
lO’moC/f
Ю^тоС/С
10 7 то(/(
10 *то(/(
10 " то(/(
10 10 mof/C
10 "тоС/Г
10 13 mol/C
10 »то(/(
1 тоС/С
100 ттоС/С
10 mmof/C
1 ттоС/С
100 рто(/[
10 рто(Д
1 pmotfi
100 птоС/С
10 пто(/(
1 пто(/С
100 рто(/[
10 рто(/[
I ртоС/1
lOOfmot/l
Шкала pH — зависимость
цвета кислотно-
основного индикатора
от концентрации ионов
водорода в растворе.
Водородный показатель обозначается как pH (произносится как «из аш»), что происходи !
от латинского pondus Hydrogenii — «вес водорода» или potentia Hydrogeni — «сила водорода».
Это мера ак ивност и ионов водорода в растворе, которая количественно выражает его кис-
лотность. В очень разбавленных
k I рас торах pH эквивалентен кон-
! Ж lien।рации ионов. Он выража-
Ж ется как десятичный логарифм
ЦС I---------------1 I 1 ...рода КО-
МЖ палитр:
Растворы 43
Существует множество кислотно-основных
индикаторов, их знают многие века. Это экс-
тракты или отвары окрашенных плодов и цве-
тов. Так, красными в кислой среде становятся
отвары черники, малины, ежевики, черной смо-
родины, свеклы, красной капусты, анютиных
глазок, тюльпанов, ириса. В щелочной среде
они будут синими. Кислый (например, уксус)
и щелочной (пищевая или стиральная сода)
растворы позволяют делать красные или синие
узоры либо надписи на лепестках цветов. Чай
тоже индикатор: он светлеет, если в него поло-
жить ломтик лимона, и темнеет, если добавить
в него пищевую соду.
Борщ (точнее, отвар свеклы) является
индикатором. Эго легко проверить, если
вымыть кастрюлю из-под борща мыльной
водой — тогда появится синий цвет, ведь мыло
создает щелочную среду.
В химии давно, еще с 1300 г., известен такой
кислотно-основной индикатор, как лакмус.
В чистом виде лакмус — темный порошок
со слабым запахом аммиака. В нейтральной
водной среде он дает фиолетовый цвет, в кис-
лой — красный, в щелочной — синий.
Шкала pH для лакмусовой бумаги.
ВОПРОС 14
Как изменяются в щелочной среде отва-
ры окрашенных цветов и плодов?
Определение кислотности воды в бассейне.
В химической практике применяют неско-
лько форм лакмуса — водный раствор и ленты про-
питанной лакмусом фильт-
ровальной бумаш. Выраже-
ние «лакмусовая бумага» те-
перь является нарицатель-
ным и обозначает мгновен-
ную определенную реакцию
на что-либо.
Ill III
1 SI 7 • 11 IS
2 4 • • 10 12 u
mini
Сравнение цвета
раствора co шкалой
лакмусового индикатора.
Кислая среда
Нейтральная среда
Щелочная среда
Таблица
цветов
лакмусовой
тшаги
44 Растворы
Состоит природный лакмус из смеси 10—
15 разных веществ. Основные его компонен-
ты — это азолитмин C9HI0NOy эритролитмин
С^Н^О*, спанолитмин, лейкоорцеин и лейказо-
литмин. Добывают его из растительного сырья,
в основном из лишайников.
ВОПРОС 15
Связано ли свечение флуоресцентного
индикатора с собственной окраской рас-
твора?
Кислая среда Нейтральная Щелочная
среда среда
Розово- Фиолетовый Темно-синий
красный цвет цвет
цвет
Изменение цвета лакмуса в зависимости от pH.
Кроме кислотно-щелочных существуют и
другие виды индикаторов, например адсорбци-
онные. Они основаны на явлении адсорбции —
увеличении концентрации растворенного веще-
ства на границе раздела двух фаз. Эти вещества
адсорбируются на поверхности осадка и меня-
ют его окраску. Примеры таких индикаторов —
ализариновый красный и эозин. Флуоресцент-
ные индикаторы светятся разным цветом в со-
ответствии с pH раствора. Так, флуоресценция
акридина при pH = 4,5 зеленая, при pH = 5,5
синяя. При этом свечение индикатора никак не
связано с собственной окраской раствора и его
прозрачностью.
ЧТО ТАКОЕ ТИТРОВАНИЕ?
Титрование — это постепенное прибав-
ление реагента определенной концентра-
ции к веществу с целью измерения кон-
центрации этого вещества. Например,
раствор щелочи прибавляют к раствору
кислоты до того момента, пока не изме-
нится цвет индикатора.
Тизрование — метод количественного
анализа в аналитическом
и фармацевтической химии.
Акридин — флуоресцентный индикатор.
Кислотно-основные индикаторы широко ис-
пользуются в биохимии и аналитической химии,
особенно при титровании. Однако их точность
не очень высока, а определение цвета достаточно
субъективно и зависит аг особенностей человече-
ского зрения. Поэтому для точных исследований
обычно используются специальные приборы —
рН-метры.
Растворы 45
Нейтральная среда
Щелочная среда
Шкала pH различных веществ и продуктов.
ВОПРОС 16
Почему для точных иссле-
дований применяют не
индикаторы, а рН-метры?
КИСЛОТНОСТЬ
В МЕДИЦИНЕ
Кислотность биологиче-
ских жидкостей — крови,
желудочного сока, мочи
и др. — важный параметр
при постановке диагноза
и определении здоровья
пациента. Кислотность
изменяется при различ-
ных болезнях желудка и
пищевода, при реакциях
на разные стимуляторы.
Именно изменение ее па-
раметров (а не одномо-
ментный показатель) и
определяют врачи.
ОТВЕТЫ
1. Переменный состав означает, что соотно-
шение веществ, составляющих раствор, спо-
собно изменяться в определенных пределах.
2. Растворитель не изменяет свое агрегат-
ное состояние при образовании раствора —
остается, как и был, жидким, твердым или
газообразным.
3. Гидратация сопровождается выделением
энергии. Часть ее идет на разрушение кри-
сталлической решетки, а избыток выделяет-
ся в виде тепла. Если энергии для разруше-
ния кристаллической решетки требуется
больше, чем выделяется при образовании
гидратов, раствор охлаждается.
4. Растворы бывают твердыми, если раствори-
тель представляет собой твердое вещество.
5. Полностью нерастворимых веществ не
бывает.
6. Динамическое равновесие — это такое
состояние, когда количество молекул, поки-
дающих кристалл в растворе, равно количе-
ству молекул, присоединяющихся к нему.
7. Разбавленный раствор может быть насы-
щенным; так, например, происходит с хло-
ридом серебра.
8. Золь — это дисперсная система «твердое в
жидком», а гель — «жидкое в твердом».
9. Коллоидным раствором в атмосфере явля-
ется облако, иначе аэрозоль.
10. Свойства коллоидного раствора молоку
придает белок казеин.
11. Диссоциация — это распад вещества на
частицы (молекулы или ионы).
12. Электролиты проводят электрический
ток, потому что диссоциируют на ионы, а
ионы — заряженные частицы.
13. Строение молекул индикатора зависит
от кислотности, то есть активности ионов
водорода в растворе.
14. Отвары окрашенных цветов и плодов в
щелочной среде становятся синими.
15. Свечение флуоресцентного индикатора
не связано с собственной окраской раствора.
16. Определение цвета — субъективная
вещь, зависит от особенностей зрения и по-
тому не очень точна.
46 Химические соединения
ХИМИЧЕСКИЕ
СОЕДИНЕНИЯ
Что такое химическое соединение?
О
химических соединениях речь пойдет
раныпе, чем о простых веществах, пото-
му что именно на их примерах можно
пояснить протекание некоторых химических
реакций, которые будут приводиться как при-
меры в последующих разделах.
Химическое соединение — это сложное веще-
ство, которое составляют соединенные химиче-
ской связью атомы двух или более элементов. Од-
нако химическими соединениями называют так-
же и некоторые простые вещества, в том случае
когда атомы в их молекулах связаны ковалентной
связью. Ого кислород, азот, фтор, хлор, бром, йод
и, вероятно, астат. Водород и инертные газы хи-
мическими соединениями не являются.
Хлороксиленол — химическое соединение,
включающее в себя атомы углерода, водорода,
кислорода и хлора. Это антисептик, который
получают из фенола.
Опал — гидрат диоксида кремния SiO2-nH2O
с примесью оксидов железа Fe2Oy магния MgO
и кальция СаО.
С<]юрмировать понятие о химическом сое-
динении помогли некоторые химические зако-
ны. Закон постоянства состава открыл Жозеф
Пруст в 1799 г. Согласно ему, каждое соедине-
ние, вне зависимости от того, каким был спо-
соб его получения, составляют одни и те же
химические элементы, и при этом отношение
их масс выражается малыми целыми числами.
Закон кратных отношений открыл Джон Даль-
тон в 1803 г. Этот закон гласит: в случае, когда
из конкретных элементов способны образовы-
ваться два соединения, с определенной массой
первого из них сочетаются такие массы другого,
что отношение их дает целое число.
Качественный и количественный составы
химических соединений изучает аналитическая
химия.
ВОПРОС 1
Бывают ли простые вещест ва химически-
ми соединениями?
ВОПРОС 2
Как выражается соотношение масс эле-
ментов, входящих в химическое соедине-
ние?
Химические соединения 47
ЧТО ТАКОЕ ХРОМАТОГРАФИЯ?
Хроматография — это метод разделения и анализа смесей
веществ. Суть ее в том, что отдельные компоненты сме-
си (жидкости или газа) по-разному удерживаются веще-
ством-адсорбентом, способным избирательно поглощать те
или иные химические соединения. Веществом этим может
быть и бумага, и жидкость, и гель. Смесь веществ обычно
бывает жидкой или газообразной. Ее жидкая фаза называет-
ся элюентом. Стоит капнуть немного исследуемой смеси на
адсорбент — и разные вещества, в зависимости от их молеку-
лярной массы и других свойств, начнут распределяться по
нему. Этоз метод позволяет определи гь, какие химические
соединения находятся в смеси.
Само название «хромак»рафия» (ог др.-греч. «хрома» — «цвет»)
происходит от первых экспериментов, где разделялись ярко
окрашенные растительные пигмеи гы.
Смеси и соединения —
в чем различие?
Химические соединения
существенно отличают-
ся от смесезг простых ве-
ществ. Прежде всего, свойства
смеси — это свойства ее ком-
понентов. А свойства соеди-
нения отличаются от свойств
исходных веществ. Кроме того,
смесь обычно можно разде-
лить на составляющие части с
помощью нехимических про-
цессов, например фильтраци-
ей, просеиванием, выпарива-
нием. Компоненты химиче-
скою соединения можно по-
лучить по отдельности только
посредством химической ре-
акции.
У некоторых смесезг связи
настолько тесные, а свойства
столь похожи на химические
соединения, что их нетруд-
но перепутать. Пример таких
смесезг — сплавы. Их изготав-
ливают с помощью физиче-
ских процессов, чаще всего
расплавляя зг смезпивая ком-
поненты.
Интерметаллиды, хотя и
похожзз на сплавы, представ-
ляют собой химические сое-
динения. Онзг обычно твердые
и химическзг стойкие, рассто-
яние между компонентамзг у
них фиксированное. Нередко
температура плавления интер-
мет аллзгдов более высокая, чем
исходных металлов.
ВОПРОС 3
Какими методами можно
получить и разделить хи-
мические соединения?
Воздух, составляющий
атмосферу Земли, не является
химическим соединением,
а представляет собой смесь
азота, кислорода, углекислого
газа, водяггых паров
и инертных газов.
48 Химические соединения
ПАМЯТЬ ИНТЕРМЕТАЛЛИДА
Никелид тигана, известный как нитинол, запоминает
свою форму. Если деталь сложной формы из питино-
ла закалить, то после того, как она остынет, ее можно
деформировать. Но если вновь нагреть деталь до тем-
пературы выше 40 °C, ее первоначальная форма вос-
становится. Это происходит благодаря тому, что нити-
нол — химическое соединение, а не сплав, и при закал-
ке взаимное расположение
атомов упорядочивается,
что и вызывает запомина-
ние формы.
Никелид титана (нитинол)
запоминает свою форму
потому, что является
химическим соединением.
Янтарь — окаменевшая смола
(живица) хвойных растений,
куда входит множество
химических соединений:
органических кислот, спиртов
и углеводородов.
Химические соединения подразделяются на такие классы, как
неорганические и органические. Основные типы неорганических
соединений — оксиды, основания, кислоты, соли. Впрочем, су-
ществуют и органические кислоты.
Бирюза — гидратированный
сульфат алюминия и меди
СиА1ъ(ОН)2|РО41-4Н2О.
Оксиды
Оксиды — неорганические соединения
элементов с кислородом, чья степень
окисления равна -2. Он стоит в эмпири-
ческой формуле вещества на втором месте. Са-
мый распространенный в мире оксид — вода
Н,О. Одни оксиды неспособны образовывать
соли, они называются несолеобразующими.
К ним относятся оксид азота (I) N2O, оксид азота
(II) NO, оксид углерода (И) СО, оксид кремния
(II) SiO. Римские цифры в скобках означают сте-
пень окисления. Другие оксиды являются соле-
образующими.
Например, 2FeO + О, = Ре,О}.
Солеобразующие оксиды разделяются на
кислотные, основные и амфотерные.
Кислотные оксиды не реагируют с кислота-
ми, они образуют кислоты при взаимодействии
с водой:
SO3 + Н;О = H2SO4.
Они же реагируют с основаниями и образу-
ют соль и воду:
СО, + Ва(ОН)2 - ВаСО3 + Н2О.
Оксид азота N2O называют также веселящим
газом, потому что он производит опьяняющий
эффект. При нормальной температуре он
представляет собой негорючий бесцветный газ
и обладает приятными сладковатыми запахом
и привкусом.
Кислотные оксиды чаще всего образуют не-
металлы или металлы с высокой степенью окис-
ления (V—VII).
Основные оксиды не реагируют с основани-
ями, они образуют основания при взаимодей-
ствии с водой:
СаО + Н,О = Са(ОН)2.
Эго оксиды металлов со степенью окисле-
ния I—И.
Химические соединения 49
НЕГАШЕНАЯ ИЗВЕСТЬ
И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
Оксид кальция СаО, бе-
лое кристаллическое веще-
ство, называют негашеной
известью или кипелкой. Вза-
имодействуя с водой, он дает
гидроксид кальция Са(ОН), —
гашеную известь, или пу-
шонку. Негашеная известь
применяется в строитель-
ном деле. Кроме того, это
пищевая добавка Е529. Также
ее используют в «само! рею-
щей» посуде. Небольшое ко-
личество оксида кальция в
контейнере помещают меж-
ду двумя стенками сосуда,
затем прокалывают капсулу
с водой, и начинается реак-
ция, при которой выделяет-
ся тепло.
Негашеная известь используется для производства силикатного
кирпича.
Кроме того, основные и кислотные оксиды, взаимодействуя
друг с другом, тоже образуют соли.
Например: Na2O + СО2 —* Na2CO3.
Амфотерные оксиды могут быть и кислотными, и основными
в зависимости от условий реакции. К ним относятся, например,
оксид алюминия А1,О3 и оксид цинка ZnO.
ВОПРОС 4
Взаимодействуют ли кис-
лотные оксиды с кисло-
тами?
рубин.
Мшзерал, состоящий из оксида
алюминия А12ОУ называется
корундом. Один из видов
корунда — драгоценный камень
ВОПРОС 5
С чем взаимодействуют ам-
фотерные оксиды — с кис-
лотами или с основани-
ями?
ЧТО ТАКОЕ ВЫСШИЕ ОКСИДЫ?
Если образующий элемент оксида находит-
ся в наибольшей степени окисления, такой
оксид называется высшим. Например, мак-
симальная степень окисления теллура — +6,
значит, ТеО, является высшим оксидом для
этого элемента. В периодической системе
под каждой группой элементов подписа-
на общая эмпирическая формула высшего
оксида для всех элементов, находящихся в
главной подгруппе данной группы.
Оксид церия (IV) СеО, применяется в керамике
как катализатор и абразив для полировки стекла
и огранки драгоценных камней. Его называю!
оптическими румянами.
50 Химические соединения
Оксиды очень распростра-
нены во Вселенной, в частно-
сти в земной коре и атмосфе-
ре. Это вода, углекислый газ
СО2, песок SiO2, ржавчина —
оксид железа, множество кра-
сителей, например охра и су-
рик, и многочисленные мине-
ралы — соединения металлов
с кислородом.
Ржавчина — один из примеров
оксидов.
вопросе
Какой оксид самый рас-
пространенный на Земле?
Ученые полагают, что неандертальцы использовали пиролюзит (диоксид марганца) для добычи
огня, а кроманьонцы расписывали им степы пещер.
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЕРЕКИСИ ВОДОРОДА
Существуют особые соединения, которые содержат два
атома кислорода, соединенных между собой (-О—О-).
Они называются пероксидами или перекисями. К ним
относится перекись водорода, известная как дезинфици-
рующее средство. Кроме того, она используется как ка-
тализа гор, о гбелива гель в производстве тканей и бумаги.
С ее помощью чистят аквариумы и даже приводят в себя
аквариумных рыбок, страдающих от недостатка кисло-
рода. Перекисью водорода также обесцвечиваю волосы
и отбеливают зубы, но дтого делать не стоит, потому что
данное вещество разрушает ткани. Ведь перекись водо-
рода — сильный окислитель. Для дезинфекции ее гоже
следует применять с осторожностью. В больших количе-
ствах она может даже замедлить процесс заживления.
Перекис!» водорода впервые
получил Луис Теиаро в 1818 г.
при взаимодействии перекиси
(пероксида) бария и воды.
Химические соединения 51
Фрагмент стены, окрашенной свинцовым суриком (оксидом
свинца PbjO,).
Оксиды существуют в са-
мых разных агрегатных состо-
яниях: твердом — кристаллы
и порошки (оксид кремния
SiOv оксид кальция СаО, ок-
сид марганца Мп,О4), жидком
(оксид марганца МгцО,), газо-
образном (оксиды азота NO,
ВОПРОС 7
Почему перекись водоро-
да нельзя пить?
NO2). Причина этих разли-
чий — строение кристалличе-
ской решетки. Разные у этих
оксидов и температура плав-
ления, и раст воримост ь в воде.
До XIX в. тутоплавкие, почти
не растворимые в воде оксиды
назывались землями.
Катод (угольный
электрод)
Анод (цинк)
Электролит
Отрицательный полюс
Оксид —
марганца (IV)
Положительный
полюс
Марганцево-цинковый
элемент — одноразовая
батарея, которая широко
используется в переносных
устройствах. В качестве
катода здесь выступает
диоксид марганца МпО,,
иди пиролюзит, в смеси
с графитом, в качестве
анода — металлический цинк
Zn, в качестве электролита —
раствор хлорида аммония
NH4C1.
Основания
Основания подучили свое название в
1754 г. Французский химик Гийом
Франсуа Руэль обнаружил, что кисло-
ты, которые тогда знали как летучие жидко-
сти, в сочетании с определенными веществами
превращаются в кристаллические соли. Руэль
посчитал, что эти вещества являются основа-
ниями для получения твердых солей. Осно-
вание — химическое соединение, которое в
водном растворе способно распадаться на ка-
тионы металлов Ме‘ и анионы гидроксогрупп
ОН . Существует также основание, в котором
гидроксогруппа присоединена не к металлу, а
к иону NH4‘ (катиону аммония).
ВОПРОС 8
Почему основания так назвали?
НЕУСТОЙЧИВЫЙ ГИДРОКСИД
Гидроксид аммония NH4OH сам по себе
неустойчив и разлагается с выделением ам-
миака NH3 и воды Н,О. В водных растворах
гидроксид аммония находится в равнове-
сии с аммиаком, обусловливающим резкий
запах таких растворов. Его называют т акже
аммиачной водой. Водный раствор гидрок-
сида аммония (факгически аммиака) — на-
шатырный спирт, который не следует пу-
тать с нашатырем — хлоридом аммония.
52 Химические соединения
Гидроксогруппы однова-
лентны, и поэтому формула
основания легко составляется
согласно валентности металла.
Какова валентность металла —
таково и количество гидрок-
согрупп в соединении. Силь-
ные основания, растворимые
в воде, называются щелочами.
Их образуют металлы I и II
групп. Например, это гидрок-
сиды натрия (NaOH), калия
(КОН) и лития (LiOH).
ВОПРОС 9
Какие основания называ-
ют щелочами?
Слабые основания малорас-
творимые или нерастворимые
в воде и не меняют окраску ин-
дикаторов.
Например, это гидроксид
магния Mg(OH)2 и гидроксид
железа (II) Fe(OH),.
КАК ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ЕДКИЙ НАТР?
Самая распространенная щелочь в мире — гидроксид
натрия NaOH, который называют также каустиком, ед-
ким натром, каустической содой, едкой щелочью. За год
в мире производится примерно 57 млн т этого вещест ва.
Оно используется в производстве бумаги и древесно-во-
локонных плит, мыла, для очистки засоров в канализаци-
онных трубах, в пищевой промышленности (например,
для придания маслинам черного цвета), в производстве
мороженого и шоколада, в приготовлении рыбы.
Лютефиск — норвежское и шведское рыбное блюдо, готовится
с помощью едкого натра. Сушеная треска или другая рыба
5—6 дней вымачивается в едкой щелочи и становится мягкой
и нежной. Потом ее несколько дней вымачивают в воде
и запекают. Щелочь, разумеется, полностью вымывается.
Углеродный анод
Производство гидроксида
Химические соединения 53
ВНИМАНИЕ — ОПАСНОСТЬ!
Раст воры щелочей скользкие («мыльные») и
едкие. Они разъедают ткани, бумагу и кожу,
и очень опасно, если они попадут в глаза.
Поэтому, работая со щелочами, надо наде-
вать резиновые перчатки и защит ные очки.
Если раст вор щелочи все-гаки попал в лицо,
необходимо промыть глаза большим коли-
чеством воды, а потом разбавленным рас-
твором слабой кислоты (обычно уксусной).
При этом происходит так называемая реак-
ция нейтрализации, то есть взаимодействие
основания с кислотой с образованием соли
и воды:
NaOH + СН,СООН - CH,COONa + Н,О (аце-
тат натрия и вода).
В реакцию нейт рализации с кислотами всту-
пают любые основания, а не т олько щелочи.
Работать с химическими реактивами нужно
крайне осторожно.
Сида основания и его
растворимость — разные ве-
щи. Так, гидроксид кальция
Са(ОН)2 — сильное основание,
но в воде он растворяется пло-
хо. Именно ту част ь гидроксида
кальция, которая растворена в
воде, называют щелочью. Сила
основания имеет значение при
взаимодействии со слабыми
кислотами. Сильное основание
хорошо реагирует и с сильной,
и со слабой кислотой.
Растворы щелочей окра-
шивают индикаторы: фенол-
фталеин — в малиновый цвет,
ВОПРОС 10
Что делать, если в лицо
попала щелочь?
лакмус — в синий, метиловый
оранжевый — в желтый.
Кислоты
Кислоты — это соединения, которые в водной среде дис-
сонируют на катионы Н' и анионы остатков кислоты Ап'.
Правда, изучаются кислоты и в безводных условиях.
Таким образом, все кислоты, независимо от происхождения,
содержат реакционноспособные атомы водорода.
Неорганзгческие кислоты подразделяются на две группы:
• бескислородные, например соляная НО;
• кислородосодержащие, например серная H,SO4.
Взаимодействие серной кислоты с баритом
(минерал, сульфат бария).
54 Химические соединения
Кислоты бывают также од-
ноосновные, двухосновные и
трехосновные.
Они бывают стабильными
(устойчивыми) и нестабильны-
ми (неустойчивыми). К стаби-
льным относится большинство
кислот, а к нестабильным —
угольная Н.СО, и сернистая
H2S°r
Кислоты бывают сильными
и слабыми. Под силой кисло-
ты понимают ее способность
отдавать ионы водорода Н’.
По окислительной спо-
собности различают кислоты-
окислители — HNO3 и кон-
центрированная H2SO4, кисло-
ты-неокислители — все осталь-
ные.
ВОПРОС 11
Какие кислоты считаются
окислителями?
СЕРНАЯ КИСЛОТА
Серная кислота H,SO4 — это сильная двухосновная кисло-
та, которая отвечает высшей степени окисления серы (+6).
В нормальных условиях концентрированная серная кис-
лота — тяжелая маслянистая жидкость без цвета и запаха.
Это очень едкое и опасное вещество, но оно и очень по-
лезно: его применяют для
производства .минераль-
ных удобрений, как элек-
тролит в аккумуляторах, в
производстве красителей,
в синтезе разнообразных
веществ (неорганических
и органических) в нефтя-
ной, текстильной и пище-
вой промышленности.
Молекула серной кислоты:
водород обозначен белым цветом,
сера — желтым, кислород —
красным.
К сильным кислотам от-
носятся такие, как соляная
НО, серная H2SO4, хлорная
НСЮ4 и др.; к слабым — се-
роводородная H2S, хлорнова-
тистая НСЮ и др. Органиче-
ские, или карбоновые, кисло-
ты имеют функциональную
группу СООН. Это, напри-
мер, уксусная СН3СООН, му-
равьиная НСООН, стеари-
новая С]7Н35СООН и другие
кислоты.
Температуры плавления и
кипения у кислот различные.
Существуют кислоты в виде
кристаллов и порошков, но
большинство из них — жидко-
сти.
Взаимодействие сахара
с концентрированной серной
кислотой. Сахар превращается
в уголь, потому что серная
кислота извлекает из него
ионы водорода и кислорода
(производит дегидратацию).
Химические соединения 55
Индикаторы реагируют на кислоты следую-
щим образом: метиловый оранжевый и лакмус
дают красный цвет.
Золото, растворенное в царской водке. Царская
водка — это смесь концентрированных азотной
и соляной кислот в пропорции 1: 3. Назвали ее
так потому, что она растворяет золото, которое
средневековые алхимики считали царем
металлов. Пробовать царскую водку нельзя ни в
коем случае — это смертельно опасно!
ПОЧЕМУ КИСЛОТЫ КИСЛЫЕ?
Кислоты образуют в водных растворах
избыток попов гидроксония Н(О'. Имен-
но эти попы являются причиной кислого
вкуса (.1 еще изменения окраски индика-
тора). Разумеется, сильные кислоты, та-
кие как серная и соляная, нельзя брать в
роз ни в коем случае — они могут вызвать
тяжелый ожог из-за высокой концентра-
ции ионов. Но существую т кисло ты, ко то-
рые пробовать вполне можно: лимонная,
яблочная, аскорбиновая (известный всем
витамин С). Они относятся к органиче-
ским кислотам, о которых мы поговорим
позже.
Лимон обладает
кислым вкусом
благодаря
ирису IC I НИН»
в нем лимонной
и других
органических
кислот.
ПОЧЕМУ КИСЛОТУ НАДО ЛИТЬ В ВОДУ?
Кислоты опасны — они могут вызывать тяже-
лые ожоги, поскольку разрушают кожный по-
кров. При работе с ними следует соблюдать
крайнюю осторожность. Совершая химиче-
ские реакции, кислоту всегда необходимо ли гь
в воду и ни в коем случае не наоборот! При сое-
динении кислоты с водой идет реакция с выде-
лением тепла. Кислота плотнее, тяжелее воды.
Если лить воду поверх кислоты, последняя оста-
нется на поверхности и начнет закипать, брыз-
ги кислот ы полетят в человека. Если же лить
кислоту в воду, тяжелая кислота опустится на
дно, тепло распространится под водой, и ника-
ких брызг и кипения па поверхности не будет.
При химических опытах необходимо соблюдение
техники безопасности.
ВОПРОС 12
Что такое царская водка и почему она так
называется?
ВОПРОС 13
Почему кислоту всегда необходимо лить
в воду и ни в коем случае не наоборот?
56 Химические соединения
Практические все кислоты
взаимодействуют с металла-
ми, стоящими в электрохи-
мическом ряду напряжений
до водорода, при этом обра-
зуются газообразный водород
и соль. Подробнее об электро-
химическом ряде мы погово-
рим в разделе, посвященном
металлам. Например, вот вза-
имодействие цинка с соляной
кислотой:
Zn + 2НС1 ’ ZnCl2 + HJ.
Соляная кислота НС1 (раствор
хлороводорода в воде) входит
в состав желудочного сока
(ее концентрация в желудке —
0,5 %). Это едкая жидкость,
которая дымится на воздухе.
И если открыть сосуд с ней,
появятся пары, которые
вызывают ожоги.
Правда, кислоты-окислите-
ли (окисляющие кислоты) мо-
гут взаимодействовать и с ме-
таллами, стоящими в электрохимическом ряду напряжений после
водорода:
Си + 2H2SO4 = CuSO4 + SO2f + 2Н2О.
Такие металлы, как алюминий, железо, хром, никель и др.,
вступая в реакцию с безводными кислотами, тут же покрыва-
ются продуктами окисления. Эти продукты образуют прочные
пленки, которые не растворяются в концентрированных кисло-
тах. Поэтому концентрированная серная кислота хранится и пе-
ревозится в железных емкостях.
При взаимодействии кислоты с сильным основанием — ще-
лочью — образуются соль и вода (реакция нейтрализации).
Уравнение:
Нитрат калия + серная кислота —»Акяинля кислота + гидросулъфат калия
KNO} + H,SO4 -» HNO, + KHSOt
Приготовление азотной кислоты (V) в лабораторных условиях.
При взаимодействии кис-
лоты с амфотерными гидрок-
сидами также образуются соль
и вода.
Например, при взаимодей-
ствии азотистой кислоты и ги-
дроксида бериллия получают-
ся азотистая соль бериллия и
вода:
2HNO, + Ве(ОН)2 = Be(NO,)2 +
+ 2Н2О.
Соль и вода также образу-
ются при взаимодействии кис-
лоты и оксида. Например:
2НС1 + FeO = FeCl2 (И) + Н2О.
Растворы кислот в воде из-
меняют окраску индикаторов
следующим образом. Лакмус
окрашивается растворами кис-
лот в красный цвет, индика-
тор метиловый оранжевый —
тоже.
ВОПРОС 14
Что такое реакция нейтра-
лизации?
Химические соединения 57
КАК ИЗБАВИТЬСЯ ОТ РЖАВЧИНЫ?
Фосфорная кислота хорошо реагирует с оксидом железа, а с
самим железом — очень медленно. Поэтому она использует-
ся для очистки железа от ржавчины, которая и является ок-
сидом железа.
В упрошенном виде эта реакция выглядит так:
2Н,РО4 + Fe.O, = 2FePO, + ЗН.О.
Фосфорная кислота убирает с поверхности металла его ок-
сид, который превращается в растворимую соль FePO4 (фос-
фат железа (III)). Эту соль можно смыть водой.
Фосфорная кислота: атомы кислорода обозначены
красным цветом, фосфора — желтым, водорода — белым.
Соли
Соли — неорганические
соединения, которые в
водном растворе дис-
социируют на катионы ме-
таллов и анионы кислотных
остатков.
Соли подразделяются на
кислые (с катионом водорода
в составе), например гидро-
сульфат натрия NaHSO4; ос-
новные (с гидроксогруппой
в составе), например хлорид
гидроксожелеза FeOHCl2; сре-
дние (только с катионом ме-
талла), например хлорид на-
трия NaCl; двойные (с двумя
разными катионами метал-
лов), например сульфат алю-
миния-натрия NaAl(SO4)3; а
также комплексные, напри-
мер тетрацианоферрат калия
K,[Fe(CN)J. Агрегатное состо-
яние солей твердое, они суще-
ствуют в виде кристаллов и
порошков.
ВОПРОС 15
В чем особенность сред-
них солей?
КОМПЛЕКСНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
Комплексными называют соединения, в узлах кристаллов
которых находятся комплексы (комплексные ионы), спо-
собные к самостоятельному существованию. В каждом
комплексном соединении различаются внутренняя и
внешняя сферы. Внутренняя сфера — это и есть комплекс.
В химической формуле она заключается в квадратные
скобки. Так, в комплексном соединении KJBeFJ внутрен-
няя сфера — это комплекс |BeFJ:, а внешняя — ион 2К‘.
ВОПРОС 16
Чем отличаются
комплексные со-
единения?
Медный купорос, кристаллическая
структура.
Медный купорос — сульфат
меди. В безводном состоянии
он бесцветный, но его
кристаллогидраты обретают
синий цвет. Эта соль
применяется для получения
красок, выявления различных
металлов, как антисептик,
фунгицид (противогрибковое
средство), удобрение.
58 Химические соединения
Средние соли взаимодействуют с сильными
кислотами, при этом образуются другая соль и
слабая кислота. Например:
KCNS + НС1 = КС1 + HCNS (II).
Реагируя с растворимыми гидроксидами,
соль дает другую соль и нерастворимое основа-
ние. Например:
CuSO4 + 2LiOH = 2LiSO4 + Cu(OH)2.
При взаимодействии с другой растворимой
солью образуются нерастворимая и раствори-
мая соли. Например:
РЬС12 + Na2S = PbS + 2NaCl (IV).
Соль реагирует с металлами, стоящими в
электрохимическом ряду напряжений левее
того, который входит в состав этой соли. Более
сильный металл вытесняет более слабый из мо-
лекулы, образуя новую соль. При этом важно,
чтобы металл, вступающий в реакцию, при
обычных условиях не взаимодействовал с водой:
Mg + 2AgCl - MgCl2 + 2Ag.
Эго главные типы взаимодействий, которые
характерны для средних солей.
Гемоглобин
Молекула глутомата — соли глутаминовой
кислоты.
Химические соединения 59
Нитрат гольмия под микроскопом.
Многие соли очень важ-
ны для человека. Так, напри-
мер, железо входит в состав
гемоглобина, переносящего
кислород по всему организму,
поэтому человек нуждается в
солях железа. Кальций необ-
ходим для укрепления костей,
магний — для работы кишеч-
ника, калий — для работы
сердца, а натрий — для пере-
дачи нервных импульсов. По-
этому соли добывают и про-
изводят в достаточно больших
количествах.
ВОПРОС 17
Зачем нашему организму
нужны соли железа?
ОТВЕТЫ
1. Да, простые вещества бывают химически-
ми соединениями, если атомы в их молеку-
лах соединены ковалентной связью.
2. Соотношение масс элементов, входящих в
химическое соединение, выражается малы-
ми целыми числами.
3. Химические соединения можно получить
и разделить только химическими методами.
4. Кислотные оксиды не взаимодействуют с
кислотами, но при взаимодействии с водой
они образуют кислоты.
5. Амфотерные оксиды взаимодействуют и с
кислотами, и с основаниями.
6. Самый распространенный оксид — вода.
7. Перекись водорода — сильный окисли-
тель, она может повредить ткани.
8. Французский химик Гийом Франсуа Ру-
эль обнаружил, что эти вещества, реагируя
с кислотами, дают соли, и посчитал их осно-
ваниями для получения солей.
9. Щелочами называют растворимые в воде
основания, изменяющие цвет индикатора.
10. Необходимо промыть глаза и лицо боль-
шим количеством воды, а затем сильно раз-
бавленным раствором уксусной кислоты.
11. Окислителями считаются концентриро-
ванные азотная и серная кислоты.
12. Царская водка — это смесь концентриро-
ванных азотной и соляной кислот в объем-
ном соотношении 1: 3. Так ее назвали пото-
му, что в ней растворяется золото — «царь
металлов».
13. Кислоту надо лить в воду потому, что при
реакции ее с водой выделяется тепло. Если
лить воду в кислоту, кислота вскипит, и ее
брызги могут попасть в лицо и на руки. Если
же лить кислоту в воду (именно так правиль-
но!), все тепло распространится под водой и
брызг не будет.
14. Реакция нейтрализации — это реакция
кислоты с основанием, в результате которой
образуются соль и вода.
15. У средних солей в молекуле нет ионов во-
дорода, все они заменены на ионы металла.
16. В узлах кристаллов комплексных соеди-
нений находятся комплексные ионы, кото-
рые способны к самостоятельному суще-
ствованию.
17. Соли железа нужны потому, что железо
входит в состав гемоглобина, который пере-
носит кислород.
60 Металлы
МЕТАЛЛЫ
ВОПРОС 1
Почему металлы прово-
дят электрический ток?
Общие свойства
металлов
Металлы — химические элементы и простые вещества, ко-
торые обладают характерными для них металлически-
ми свойствами. Эго высокие теплопроводность, элек-
тропроводность, положительный температурный коэффициент
сопротивления, характеризующий зависимость сопротивления
от температуры, металлический блеск, ковкость, пластичность.
У металлов (за исключением полуметаллов) имеется ионная
кристаллическая решетка. Подавляющее большинство метал-
лов — твердые вещества при нормальных условиях. Исключение
составляют ртуть и франций.
Натрий благодаря хорошей
теплопроводности используется
для охлаждения в клапанах
автомобильных двигателей.
Металлы — основные материалы, используемые в
машиностроении.
Теплопроводность и электропроводность обусловлены гем,
что в кристаллических решетках металлов имеются свободные
электроны, которые движутся под воздействием электрического
поля. Наибольшая электропроводность у серебра, меди и алю-
миния, а также у натрия. Из алюминия и меди чаще всего делают
провода. Лучший проводник тепла — серебро, хорошо проводит
тепло также натрий — его используют в клапанах двигателей ав-
томобилей для охлаждения.
ПОЧЕМУ МЕТАЛЛЫ
ПЛАСТИЧНЫ?
Большинство металлов пла-
стичны, то есть под воз-
действием сиды гнутся, ио
не ломаются. Это происхо-
дит потому, что слои ато-
мов металла смещаются и
связи между ними не раз-
рываются. Самые пластич-
ные — золото, серебро и
медь. Однако существуют
и непластичные металлы.
Например, при дет|юрма-
цтзи ломаются марганец и
висмут. Пластичность за-
висит также от чистоты.
Например, чистый хром
очень пластичен, а загряз-
ненный — более хрупкий и
твердый.
Цвет у большинства ме-
таллов примерно одинако-
вый — светло-серый с голу-
боватым оттенком. Золо-
то, медь и цезий обладают
желтым, красным и свет-
ло-желтым цветами. Это
связано со строением их
элек тронных оболочек.
Металлы 61
ВОПРОС 2
Почему металлы облада-
ют пластичностью?
Из 118 известных на сегод-
ня химических элементов ме-
таллами являются 87, а если
прибавить так называемые по-
луметаллы, то даже 94.
Шесть элементов относятся
к группе щелочных металлов:
литий (Li), натрий (Na), калий
(К), рубидий (Rb), цезий (Cs),
франций (Fr).
Литиево-ионные батареи
широко распространены.
Четыре элемента относят-
ся к группе щелочноземель-
ных металлов. Эго кальций
(Са), стронций (Sr), барий (Ва),
радий (Ra). Эти металлы от-
носятся к II группе таблицы
химических элементов. Ще-
лочноземельными эти веще-
ства называют потому, что их
гидроксиды являются щело-
чами, а оксиды тугоплавкие
и их когда-то называли зем-
лями. Эти оксиды (земли),
взаимодействуя с водой, дают
щелочь. Во II группу входят
также бериллий (Be) и магний
(Mg), которые, хоть иногда их
и относят к щелочноземель-
ным, обладают другими свой-
ствами.
ЧТО ТАКОЕ ЩЕЛОЧНЫЕ МЕТАЛЛЫ?
Щелочными металлами на зыкаю гея элемен ты I группы
периодической таблицы химических элементов. Когда
они (а также их оксиды) растворяются в воде, образуются
щелочи (растворимые гидроксиды). Щелочные металлы
очень активно взаимодействуют с водой и водяными па-
рами, поэтому их хранят подслоем керосина.
Ионы щелочных металлов, таких как
калий и натрий, содержатся в крови,
и существуют методики выявления
их концентрации.
Продукты, содержащие калий.
Аквамарин — алюмосиликат
бериллия.
ВОПРОС 3
Почему щелочные метал-
лы так называются?
ВОПРОС 4
Почему щелочные метал-
лы хранят под слоем ке-
росина?
62 Мегаллы
Сорок металлов относятся
к ipynne переходных. Это скан-
дий (Sc), титан (Ti), ванадий (V),
хром (Сг), марганец (Мп), же-
лезо (Fe), кобальт (Со), никель
(Ni), медь (Си), цинк (Zn), ит-
трий (Y), цирконий (Zr), ниоб-
ий (Nb), молибден (Мо), техне-
ций (Тс), рутений (Ru), родий
(Rh), палладий (Pd), серебро
(Ag), кадмий (Cd), лантан (La),
гафний (Hf), тантал (Та), воль-
фрам (W), рений (Re), осмий
(Os), иридий (1г), платина (Pt),
золото (Au), ртуть (Hg), акти-
ний (Ас), резерфордий (Rf),
дубнии (Db), сиборгий (Sg),
борий (Bh), хассий (Hs), мейт-
нерий (Mt), дармштадтий (Ds),
рентгений (Rg), коперниций
(Сп). Эти металлы характеризу-
ются незавершенностью стро-
ения электронных оболочек, и
у них валентные электроны на-
ходятся на разных оболочках.
Они относятся к I—VIII груп-
пам периодической таблицы
химических элементов.
Семь металлов относятся к легким. Это алюминий (А1), гал-
лий (Ga), индий (In), олово (Sn), таллий (TI), свинец (РЬ), висмут
(Bi). Это металлы, которые обладают сравнительно малой плот-
ностью — меньше 5 г/см3.
Легкость, пригодность для штамповки, стойкость к коррозии,
неядовитость сделали алюминий очень популярным
материалом. Его используют для изготовления посуды, фольги,
также в авиационной и космической промышленности.
ВОПРОС 5
Что характерно для пере-
ходных металлов?
САМЫЕ ПРЕСТИЖНЫЕ ВИЛКИ
Однажды на торжественном приеме у французского импе-
ратора Наполеона 111 знатным и уважаемым гостям, а также
самому императору с супругой подали алюминиевые ложки
и вилки. Остальные довольствовались золотыми и серебря-
ными приборами. В то время алюминий был крайне дорог,
сегодня же его весьма эффект ивно производят с помощью
электролиза и алюминиевая посуда ценится недорого.
Хромирование, то есть
покрытие стальных изделий
хромом, производится для
того, чтобы сделать предмет
более стойким к коррозии
и менее подверженным
износу.
Металлы 63
Пятнадцать металлов относятся к группе
лантаноидов. Это лантан (La), церий (Се), пра-
зеодим (Рг), неодим (Nd), прометий (Pm), са-
марий (Sm), европий (Ей), гадолиний (Gd), тер-
бий (ТЬ), диспрозий (Dy), гольмий (Но), эрбий
(Ег), тулий (Тт), иттербий (Yb), лютеций (Lu).
Данное семейство относится к III группе 6-го
периода периодической таблицы и имеет атом-
ные номера 57—71 (от лантана до лютеция). Их
свойства чрезвычайно сходны.
ГРОЗНЫЙ УРАН
Уран — радиоактивный элемент, который в
наши дни используется в ядерных реакторах
и ядерном оружии. Но уран применялся и за-
долго до начала атомной эры. Тогда его сое-
динения считались хорошими красителями.
Например, уранат натрия Na2LJ,O, использо-
вался как желтая краска, другие соединения
применялись для живописи по фарфору и
добавлялись в глазури и эмали. Они давали
в зависимости от степени окисления ура-
на желтый, зеленый, бурый и черный цвета.
Добавив немного урана в стекло, ему можно
придать желто-зеленую флуоресценции). Од-
нако лучше всего с радиоактивным элемен-
том этого не делать.
Неодимовый магнит состоит из сплава неодима,
бора и железа. Его используют в разных
областях промышленности, медицине,
электронике, в том числе и в жестких дисках
компьютеров.
Пятнадцать элементов относятся к группе ак-
тиноидов. Это актиний (Ас), торий (Th), протак-
тиний (Ра), уран (U), нептуний (Np), плутоний
(Ри), америций (Ат), кюрий (Ст), берклий (Вк),
калифорний (Cf), эсмий (Es), фермий (Fm), мен-
делевий (Md), нобелий (No), лоуренсий (Lr). Эго
радиоактивные химические элементы III группы
7-го периода периодической системы с атомны-
ми номерами 90—103. Их свойства очень похожи.
Существуют также элементы, занимающие
промежуточное положение между металла-
ми и неметаллами. Иногда их относят к неме-
таллам, иногда называют металлоидами или
полуметаллами. Таких элементов семь. Это
бор (В), кремний (Si), германий (Ge), мышьяк
(As), сурьма (Sb), теллур (Те), полоний (Ро).
Для них характерны ковалентная кристалли-
ческая решетка и металлическая электропро-
водность.
Золото, серебро, платина и пять металлов
платиновой группы: рутений, родий, палла-
дий, осмий и иридий — считаются благород-
ными (драгоценными) металлами. Они прак-
тически не окисляются на воздухе и потому не
Аутунит —
минерал,
содержащий
фосфаты урана
и кальция.
Стибнит — природный сульфид сурьмы.
В древности его использовали в косметитке
и медицине.
ВОПРОС6
Что характерно для полуметаллов?
ВОПРОС 7
Для каких мирных целей использовали
уран в прошлые времена?
64 Металлы
подвержены коррозии. Золото
и серебро обладаю! высокой
пластичностью, а остальные
благородные металлы — еще
и тугоплавкостью.
вопросе
Какие металлы называют
благородными и почему?
Также ряд металлов назы-
вают редкоземельными. Это
17 элементов, которые вклю-
чают скандий, иттрий, лан-
тан и лантаноиды. Назвали
их так потому, что в XVIII —
XIX вв. считалось, что их окси-
ды (земли) очень редкие. На
самом деле они встречаются
довольно часто, но название
осталось.
«СЕРЕБРИШКО»
Европейцы познакомились с платиной во время колони-
зации Америки. Этот очень тугоплавкий металл, похожий
на серебро, получил пренебрежительное название «сере-
бришко»: добывать его было трудно. Какое-то время пла-
тину добавляли в золотые монеты — для фальсификации,
а не для удорожания, ведь цена платины была бросовой.
Чтобы не допустить дальнейшей чеканки подделок, в
1735 г. испанский король приказал топить всю добываемую
и ввозимую пла гину. Этим занимались в течение более че-
тырех десятилетий. Позднее были изобретены различные
способы обработки платины, и она нашла широкое при-
менение в промышленности и ювелирном деле.
Сегодня платина ценится чрезвычайно дорого.
Платина используется как
катализатор для множества
химических реакций, из нее
изготавливают ювелирные
изделия.
ВОПРОС 9
Почему редкоземельные
металлы так назвали?
ТЯЖЕЛЕЕ ГЕЛИЯ — ЗНАЧИТ. МЕТАЛЛ
В астрофизике металлами иногда называют все химиче-
ские элементы тяжелее гелия.
П роизво дство
металлов
Большинство металлов встречается в при-
роде в виде руд и других соединений,
некоторые — в виде самородков. При-
родные соединения металлов — это оксиды,
сульфиды (соли сернистой кислоты), карбонаты
(соли угольной кислоты) и др. Чтобы получить
чистый металл, надо выделить его из руды и
очистить, а также обработать различными спо-
собами. Этим занимается металлургия. В метал-
лургии различают черные (на основе железа) и
цветные металлы, всего их около 70.
Считается, что сама химия началась тогда,
когда люди научились воздействовать огнем
на металл. Добиться высоких температур
(температур плавления металла) было
нелегко, это потребовало многих технических
усовершенствований.
Металлы 65
Руду добывают из земли,
после извлечения ее, как пра-
вило, обогащают. При этом
из сырья выделяется рудный
концентрат. Затем с помощью
химического или электроли-
тического восстановления из
добытой и обогащенной руды
извлекается металл. Это дела-
ют обычно с помощью высо-
кой температуры или же воды.
Если металлическая руда пред-
ставляет собой соединение ме-
талла и неметалла, ее плавят,
то есть нагревают с восстано-
вителем, чтобы выделить ее из
оксида или соли. При выплав-
ке железа как восстановитель
используют углерод, для алю-
миния и натрия подходящих
для промышленности восста-
новителей нет, и их извлека-
ют посредством электролиза.
Сульфидные руды обжигают
на воздухе, преобразуя в окси-
ды, и только потом восстанав-
ливают.
ВОПРОС 10
С чего, как считается, на-
чалась химия?
САМЫЕ-САМЫЕ
Самая низкая температура плавления у ртути-39 °C.
Самая высокая температура плавления у вольфрама — 3410 °C.
Самый легкий (наименее плотный) металл — литий, ею плот-
ность — 0,53 г/см’.
Самые тяжелые элементы — осмий и иридий, их плотности при-
мерно равны и составляют 22,6 г/см’.
Вольфрам — тугоплавкий и пластичный .металл, его использую!
в нитях накаливания, для производства тяжелых сплавов, из которых
изготавливают хирургические инструменты, танковую броню,
важнейшие детали самолетов и различных двигателей.
Химические свойства металлов
У большинства металлов
количество электронов
на внешней электрон-
ной оболочке невелико (1—3),
и поэтому почти во всех реак-
циях они являются восстано-
вителями, то есть отдают свои
электроны. Все металлы, кроме
золота, платины и платиновых
металлов, реагируют с кисло-
родом, образуя оксиды, перок-
сиды и надпероксиды. Обычно
они устойчивы, только оксид
серебра очень быстро распада-
ется. С азотом могут реагиро-
вать лишь наиболее активные
мет аллы, образуя нит риды:
3Mg + N2 = Mg3N2.
Производство оцинкованной
стали. Цинк используется для
защиты стали от коррозии.
С серой реагируют все ме-
таллы, за исключением золота
и платины:
Zn + S = ZnS.
ВОПРОС 11
Чем являются металлы —
окислителями или восста-
66 Металлы
МЕТАЛЛЫ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Организм человека состоит из металлов на
3 °о. Больше всего распространены кальций,
который ггаходится в основном в костях, и
натрий, который имеется в межклеточной
жидкое!и, крови и цитоплазме клеток, где
играет роль электролита. В крови также
накапливается железо, в печени — медь, в
мышцах и нервной системе — магний.
Магний поддерживает работу нервной
системы, сердца; он содержится
также в хлорофилле растений.
Его роль для живых организмов
сформировалась в глубочайшей
древности, когда в морской воде
преобладал хлорид магния, а не
хлорид натрия, как сейчас.
Кальций необходим для рос га и укрепления костей,
поэтому человеку так нужны продукты, которые его
содержат.
С водородом, как и с углеродом, способны
вступать в реакцию лишь самые активные ме-
таллы, образуя гидриды, ацетилениды и мета-
ниды:
4AI + ЗС = А13С4 (карбид алюминия).
Взаимодействуя с водой, ацетилениды об-
разуют ацетилен, а метаниды — метан. С кис-
лотами реагируют металлы, которые стоят в
электрохимическом ряду активности металлов
до водорода.
Металлы также могут взаимодействовать
между собой, образуя интерметаллические со-
единения, например:
ЗСи + Аи = Си3Аи.
ВОПРОС 12
Какой металл больше всего распростра-
нен в организме человека?
Электрохимический ряд
напряжений металлов
Все металлы, как уже го-
ворилось выше, являют-
ся восстановителями, то
есть достаточно легко отдают
свои валентные электроны,
иными словами, окисляются.
Восстановительная активность
металла в химических реак-
циях, которые проходят в во-
дных растворах, определяет
его положение в электрохи-
мическом ряду напряжений
металлов (ряду электродных
потенциалов металлов):
Li, К, Са, Na, Mg, Al, Zn, Cr,
Fe, Pb, H,, Cu, Ag, Hg, Au.
Водород в ряду напряже-
ний стоит для того, чтобы
определять взаимодействие
металлов с ним. Металлы, ко-
торые стоят в ряду электрохи-
мических напряжений левее
водорода, могуч вытеснять его
из растворов разбавленных
кислот и растворяться в них.
Чем левее стоит металл в
ряду стандартных электродных
Металлы 67
Лепидолит — минерал, который является
источником такого активного металла,
как литий. При горении литии и его соли
окрашивают пламя в красный цвет.
потенциалов, тем более силь-
ным восстановителем он явля-
ется. Таким образом, литий —
самый сильный восстанови-
тель, а золото — самый слабый.
Каждый металл может вос-
станавливать из солей в рас-
творе металлы, стоящие после
него в ряду напряжений. Так,
железо вытесняет медь из рас-
творов ее солей. Правда, ще-
лочные и щелочноземельные
металлы будут взаимодейство-
вать непосредственно с водой.
Восстановительная актив-
ность металла не всегда соот-
ветствует его положению в пе-
риодической системе. Дело в
том, что место металла в ряду
зависит не только от его спо-
ВОПРОС13
Чем определяется поло-
жение металла в электро-
химическом ряду напря-
жений?
ВОПРОС 14
Какой металл является са-
мым слабым восстанови-
телем?
собности отдавать электроны,
но и от энергии, которая тра-
тится, чтобы разрушить кри-
сталлическую решетку метал-
ла и осуществить гидратацию
ионов.
История
металлов
Благодаря металлам и их сплавам возник-
ла современная цивилизация. Причина
этого — высокая прочность металлов, од-
нородность, непроницаемость для жидкостей
и газов. Изменяя рецептуру сплавов, можно в
очень широких пределах менять их свойства.
Первые металлы, с которыми познакомился
человек, — золото, серебро и медь. Они встреча-
ются на земной поверхности в виде самородков.
Затем были открыты металлы, которые широко
распространены в природе и легко выделяются
из руд. Эго железо, олово, свинец и ртуть.
Таким образом, в древности были известны
семь металлов. Более того, по названиям метал-
лов и сплавов, наиболее важных в определенные
периоды развития человечества, названы эти
эпохи: медный, бронзовый и железный века.
Алхимики соотнесли с металлами известные в
то время небесные тела. Символом Солнца ста-
ло золото, Меркурия — ртуть, Венеры — медь,
Луны — серебро, Марса — железо, Юпитера —
олово, Сатурна — свинец.
ВОПРОС 15
Сколько металлов было известно в древ-
ности и какие это металлы?
68 Металлы
РТУТНО-СЕРНАЯ ТЕОРИЯ МЕТАЛЛОВ
Средневековые алхимики считали, что в
основе всех металлов лежат принципы ме-
талличности и горючести. Принципу ме-
талличносги отвечает философская Ртуть, а
принципу горючести — философская Сера.
Позже добавили еще один принцип — рас-
творимости (хрупкости) и ввели понятие
философской Соли. Философские Ртуть и
Сера вовсе не являются обычными элемен-
тами, тем не менее считалось, что все метал-
лы состоят из ртути, серы и соли, и потому,
манипулируя с ними, можно получить раз-
ные металлы, в том числе золото.
Средневековые
алхимики, пытаясь
получить золото,
опробовали много
методов обработки
химических
соединений и сделали
немало открытий,
касающихся
свойств разных
веществ, главным
образом металлов,
хотя их природу
алхимики понимали
неправильно.
ВОПРОС 16
Какую пользу принесли
алхимики?
В Средние века были от-
крыты цинк, висмут и сурьма,
в XVIII в. — мышьяк. В Средне-
вековье мышьяк не хотели счи-
тать металлом, потому что для
него не хватало планеты. Од-
нако количество открытых ме-
таллов все время возрастало.
Процессы, связанные с до-
бычей и обработкой металлов,
как никакие другие, способ-
ствовали развитию химии. Их
свойства настолько характер-
ны, что уже в глубокой древ-
ности семь известных тогда
Многие старинные способы обработки металлов существуют
и сегодня.
металлов объединили в одну’
группу сходных веществ. Од-
нако не была известна их при-
рода. Аристотель, например,
счи тал, что все вещества созда-
ны из четырех элементов (огня,
Металлы 69
воды, земли и воздуха). В XVIII в. полагали, что
металлы — сложные вещества, куда входит го-
рючее начало — флогистон.
В том же веке Антуан Лоран Лавуазье выяс-
нил, что горение металлов — это их соединение
с кислородом, а сами металлы — простые веще-
ства. И когда была создана периодическая си-
стема элементов Менделеева, металлы заняли в
ней свое место.
ВОПРОС 17
Когда стало окончательно ясно, что ме-
таллы — простые вещества?
Старинный перегонный аппарат.
Медь
Медь — это элемент 11-й
группы (или побочной
подгруппы I группы)
периодической системы хими-
ческих элементов Д. 14. Менде-
леева. Ее атомный номер — 29.
Медь обозначают символом Си
(от латинского cuprum). Само
слово происходит от названия
острова Кипр, где в древности
добывали медь римляне и гре-
ки. Медь представляет собой
пластичный металл золоти-
сто-розового цвета.
Содержание меди в земной
коре — 0,003 %. Температура
плавления меди — 1084 °C,
кипит она при температуре
2600 °C.
Эго один из первых метал-
лов, которые начали исполь-
зовать люди, потому что он
встречается в природе в виде са-
мородков, да и из руды ею срав-
нительно легко выплавить. Счи-
ВОПРОС18
Откуда происходит латин-
ское название меди — cup-
rum?
таегся, что впервые медь выпла-
вили еще в VI, а по некоторым
данным, даже в IX тысячелетии
до н. э., а в IV тысячелетии до
н. э. она была уже широко рас-
пространена. Медный, или мед-
но-каменный, век следует за ка-
менным. Называется он так, по-
тому что мягкие медные орудия
долго не могли вытеснить камен-
ные, хотя они были гораздо бо-
лее острыми и с ними было лег-
че работать. Медно-каменный
век начался в VI тысячелетии до
н. э. и продолжался примерно
две тысячи лет. Медь добывали
из руды, содержащей малахит
Cu2COs(OH)2. Смесь руды и угля
поджигали, и выделяющийся
угарный газ СО восстанавливал
малахит до свободной меди:
Си СОХ(ОН), + 2СО = 2Си +
+ зсо2 + н2о.
1
Па современных
медных рудниках
шахтеры продолжают
дело своих далеких
предков из медного
и брон юного веков.
ВОПРОС 19
Почему медный век на-
зывается также медно-ка-
менным?
Люди с древности ценили
малахит не только за красоту,
но и за его свойства.
ВОПРОС 20
Из какой руды раньше все-
го начали добывать медь?
70 Металлы
ХОЗЯЙКА МЕДНОЙ
ГОРЫ
Медные руды распростра-
нены по всему миру. Люди
всегда ценили и специально
искали их, нередко опреде-
ляя медь по красивому яр-
кому цвету руды. А Павел
Петрович Бажов в своих ска-
зах «Малахитовая шкатул-
ка», «Хозяйка Медной горы»
и др. прославил мастеров,
работавших с таившимся в
Уральских горах малахитом.
Малахит раньше служил источником меди, теперь из него
делают и произведения искусства.
Позже стали использовать и сульфидные
руды:
2Cu2S + ЗО2 = 2Cu2O + 2SO2;
Cu2O + С = 2Cu + СО.
Борнит, который за окраску называют павлиньей
рудой, представляет собой соединение меди
Cu,FeS4.
А потом люди научились делать сплавы
меди с другими веществами. Они называются
бронзами, за некоторым исключением. Сплав
меди с цинком — латунь, а сплав с никелем —
мельхиор. Но в древности люди не знали этих
материалов. Первой бронзой был сплав меди с
мышьяком. Однако при переплавке мышьяк ис-
парялся, и качество сплава ухудшалось. Кроме
того, мышьяк ядовит, и кузнецы постоянно бо-
лели. Даже бог-кузнец Гефест в мифах изобра-
жается хромым. Поэтому мышьяк был заменен
оловом, хотя это гораздо более редкий элемент.
Случилось это примерно за 3000 лет до н. э. на
Знаменитый Медный всадник, создашгый
Этьеном Фальконе в 1782 г., несмотря на свое
название, отлит из бронзы.
ВОПРОС 21
Почему мышьяк при производстве брон-
зы заменили оловом, несмотря на то что
оно более редкое?
Ближнем Востоке. Бронза прочная и ковкая, из
нее делали орудия труда, оружие, посуду, укра-
шения.
Бронза использовалась и тогда, когда в оби-
ход вошло железо. Так, в XIII—XIV вв. была ос-
воена промышленная выплавка меди и бронзы.
Из бронзы изготавливали артиллерийские ору-
дия, колокола, статуи. Интересно, что в бронзе
для производства пушек содержались не только
медь и олово, но и цинк.
Сегодня медь получают из медных руд и
минералов при помощи пирометаллургии, ги-
дрометаллургии и электролиза. Пирометаллур-
гический способ представляет собой несколько
этапов: обогащение, обжиг, плавку на штейн
Металлы 71
(сплав сульфида меди и сульфида железа) и ра-
финирование. Рафинирование бывает огневым
и электролитическим. Огневое — это окисление
примесей, удаление их с газами и перевод в шлак.
Электролитическое рафинирование осуществля-
ют с целью получения чистой меди. Электролиз
проводят в ваннах, где анод представляет собой
медь огневого рафинирования, а катод — тонкие
листы чистой меди. Электролит — раствор сер-
ной кислоты с медным купоросом. В ходе элек-
тролиза происходит повышение концентрации
серной кислоты. При пропускании постоянного
тока анод растворяется, медь переходит в раст вор
и осаждается на катодах:
2CuFeS2 + О2 = 2Cu2S + 2FeS + SO2T-
Гидрометаллургический способ — это вы-
щелачивание меди слабым раствором серной
кислоты и последующее ее выделение из рас-
твора.
В соединениях медь проявляет две степени
окисления: +1 и +2. Первая из них устойчива
только в нерастворимых соединениях, таких как
Си,О, CuCl, Cui, или комплексных, например
IcG(NH,)2r.
Соли меди (П) образуются при растворении
меди в кислотах-окислителях (азотной, концен-
трированной серной). Большинство таких со-
лей обладают синим или зеленым цветом.
Как и другие металлы, медь реагирует с се-
рой, азотом, хлором, кислотами.
Медное месторождение в Рио-Тиито,
Испания.
ВОПРОС 22
Какими цветами обладает большинство
солей меди?
Как простое вещество в отсутствие влаги
и диоксида углерода медь не изменяется. На
влажном воздухе она окисляется и образует ос-
новной карбонат меди. Он представляет собой
внешний слой патины:
2Си + Н2О + СО2 СщСО3(ОН)4.
Халкантит — сульфат меди.
Именно эта соль придает
прожилкам синий цвет.
ПАТИНА
Патина — пленка или налет на меди и
ее сплавах. Обычно за нее принимают
поверхностный слой карбоната меди
зеленова того цвета, хотя на самом деле
патина многослойная и содержи т еще
оксиды. Патина бывает естественной
и искусственной. Естественная па i ина
образуется под воздействием окружа-
ющей среды, а искусственную нано-
сят специально при помощи особых
составов, которые обычно содержат
кислоты и другие окислители.
1la i ина на старинной вазе свидетельствует
о ее древности. Поэтому, чтобы придать
предметам древний вид, создают
искусственную патину.
ВОПРОС 23
Каков состав патины?
72 Металлы
Сегодня медь как хороший проводник при-
меняется для изготовления проводов и кабелей.
При этом она должна быть чистой, так как при-
меси резко снижают ее электрическую прово-
димость.
Медные провода прекрасно выполняют
свои функции благодаря хорошей
электропроводности меди.
ВОПРОС 24
Почему при изготовлении проводов важ-
на чистота меди?
Бронзу и медь используют в одних системах:
так, к медным трубам крепится бронзовый
кран.
Сплавы меди сегодня используются очень
широко. В состав бронзы и латуни могут вхо-
дить также никель, висмут и другие металлы.
Сплавы меди с цинком, оловом, алюминием,
кремнием используют в деталях машин. Они
прочные, стойкие и пластичные. Из медно-ни-
келевого сплава чеканят монеты, его использу-
ют в судостроении. Другие сплавы меди при-
меняют в ракетных двигателях. Инструменты,
изготовленные из меди и ее сплавов, не создают
искр и потому используются на огнеопасных и
взрывоопасных производствах.
Благодаря высокой теплопроводности медь
используется в разных теплообменниках и те-
плоотводных устройствах: радиаторах, компью-
терных кулерах и т. п. Благодаря прочности и
пригодности к механической обработке медь и
ее сплавы также применяются в производстве
труб.
Мельхиор — сплав меди и никеля — иногда
называют также немецким серебром.
МЕДНЫЕ ТРУБЫ
ДЛЯ МУЗЫКАНТОВ
Медные музыкальные инструменты изго-
тавливаются из меди или ее сплавов. Либо
это латунь, либо сплав, в котором меди
60 %, никеля 10 °о, цинка 30 "о. А иногда
медные духовые инструменты делают из
серебра.
Из медных сплавов
изготавлива ют
трубу, тубу,
валторну,
саксофон, тромбон
п корнет.
Металлы 73
Медь широко используется в архитектуре.
Медные кровли и фасады служат до 100—150
лет. В будущем этот металл, вероятно, будет
применяться для изготовления бактерицидных
поверхностей в больницах и поликлиниках: он
препятствует перенос)' бактерий.
В организме взрослого чело-
века содержание меди состав-
ляет примерно 100—200 мг,
при этом около 50 % находится
в мышцах, а еще 10 % — в пе-
чени.
Медь входит в состав многих
ферментов, участвует в метабо-
лизме железа, повышает усвое-
ние белков и углеводов, участву-
ет в образовании гемоглобина
и созревании эритроцитов, то
есть необходима для снабжения
организма кислородом. Медь
также поддерживает эластич-
ность стенок кровеносных сосу-
дов и кожи, обладает противо-
воспалительным действием.
Белок гемоцианин, переносящий кислород у членистоногих
и моллюсков, содержит медь. Кровь у моллюсков голубая
и благодаря меди, и из-за строения самого белка.
ВОПРОС 25
У каких животных за пе-
ренос кислорода отвечает
медь?
74 Металлы
Высокое содержание ионов меди в воде при-
дает ей явный металлический привкус. Разные
люди по-разному чувствительны к меди. Од-
ним достаточно концентрации 2 мг/л, чтобы ее
почувствовать, для других концентрация меди
должна достигать 10 мг/л.
Недавно ученые установили, что в тех водоемах,
где имеется медь, карпы вырастают особенно
крупными. Там, где ее нет, развивается
вредоносный для этих рыб грибок.
КАКИЕ ПРОДУКТЫ СОДЕРЖАТ
МЕДЬ?
Медь содержится в морепродуктах (осо-
бенно в моллюсках), печени, цельном зер-
не, фасоли, орехах, шоколаде, картофеле,
мясе, фруктах, грибах, капусте и даже в
питьевой воде. Однако некоторые сое-
динения меди могут быт ь токсичны, по-
лому ее содержание в пит ьевой воде не
должно превышать 1 мг/л.
Некоторые иродук i ы, содержащие медь.
Золото
Золото — это элемент 11-й
группы (или побочной
подгруппы I группы) пе-
риодической системы химиче-
ских элементов Д. И. Менделе-
ева. Его атомный номер — 79.
Золото обозначают символом
Au (от латинского aurum).
Слово «золото» происходит от
индоевропейского корня, име-
ющего значение «желтый»,
«зеленый», «яркий». Латин-
ское aurum тоже переводится
как «желтый» и родственно
с именем богини утренней
зари Авроры.
Золото нередко находят
в самородном виде, потому
оно и известно с самых
древних времен.
Золото — благородный ме-
талл желтого цвета. Краснова-
тый оттенок некоторым золо-
тым изделиям придают при-
меси, в частности медь. Тонкие
золотые пленки (толщина ко-
торых не превышает 100 нм)
дают в проходящем свете си-
невато-зеленоватый оттенок.
Содержание золота в зем-
ной коре очень низкое: 0,5—
5 мг/т, но в мире существует
множество месторождений и
участков, обогащенных этим
металлом.
ВОПРОС 26
Когда золото бывает зеле-
новато-синим?
Температура плавления зо-
лота — 1064,18 °C, кипит оно
при 2856 °C. У него высокая
теплопроводность и низкое
электрическое сопротивление.
Эго тяжелый металл, его плот-
ность равна 19,32 г/см3.
В соединениях золото обыч-
но имеет степень окисления +3,
такие соединения самые устой-
чивые. Сравнительной устой-
чивостью обладают соедине-
ния со степенью окисления
+1. Степень окисления +5 дает
стабильное соединение только
с фтором. Фториды золота со
степенями окисления +6 и +7
Металлы 75
Кристаллическая структура
золота.
неустойчивы. А в веществах, где
степень окисления считается
равной +2, у одной половины
атомов она на самом деле +1,
а у другой — +3. Поэтому ион-
ная формула сульфата серебра
AuSO4 должна быть следую-
щей: AuHAu>(SO4)2-2.
Золото стоит в электрохи-
мическом ряду напряжений
металлов на крайнем правом
месте. Поэтому в нормаль-
ных условиях оно не реагиру-
ет с большинством кислот и
не образует оксидов. Но .мы
помним, что золото способно
растворяться в царской водке.
Растворяется оно и в концен-
трированной селеновой кис-
лоте при 200 °C:
6HnSeO4 + 2Au -► Au,(SeO4)J+
+ 3SeO, + 3H2O.
Реагирует золото также с
хлорной кислотой НС1О4, всту-
пает в реакцию с галогенами и
кислородом:
2Аи + 8НС1О4 -► С1л +
+ 2Аи(С1О4)3 + 2О2 + 4Н2О.
Известно больше 30 минералов
с содержанием золота
примерно от 10 до 43 %. Самое
важное значение имеет все-
таки самородное золото.
Существуют токсичные сое-
динения золота, их накопление
в организме человека может
привести к различным забо-
леваниям, например стомати-
там и дерматитам. Однако в
медицине используются орга-
нические соединения золота
(кризанол и ауранофин). Их
применяют для лечения ауто-
иммунных заболеваний, к при-
меру ревматоидного артрита.
Золото, как и медь, извест-
но людям с древности, при-
мерно с V тысячелетия до н. э.,
потому что встречается в виде
самородков.
Человечество за всю свою ис-
торию добыло около 161 000 т
золота. Если сплавить все его в
один слиток, то получится куб
со стороной около 20 м.
Золото сегодня добываю г
в больших количествах, оно
ценится так же, как и раньше.
ВОПРОС 27
Какова степень окисления
у золота в его сульфате?
ВОПРОС 28
В чем растворяется зо-
лото?
Атом золота.
Атомная масса: 196,96 а. с. м.
Электронная конфи:’урация: 2,
8. 18, 32, 18, 1
КАК ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА ИСПОЛНИЛА МЕЧТУ
АЛХИМИКОВ?
Алхимики древности и Средневековья пытались получить золото
in неблагородных металлов. Этот процесс они называли транс-
мутацией. Во время поисков алхимики получили множество со-
единении и разработали большое количес тво важных для химии
методов. Но золота они не получили, ведь при помощи химии та-
кое превращение осуществить невозможно. Однако при помощи
физики это удалось. В 1947 г. американские физики Hi и рем, Гесс и
Гайдн изучали эффекты, которые получаются, когда ядра ртути
поглопцнот дополнительные нейтроны. Они не пытались создать
золото, но все же получили его — примерно 35 мкг. Но гак произ-
водить золото не имеет смысла: этот способ слишком дорог? добы-
вать этот металл из самых бедных руд намного дешевле.
76 Металлы
ВОПРОС 29
Можно ли превратить ртуть в золото и
имеет ли это смысл?
Золото добываю! с помощью нескольких
методов. Промывка основана на том, что золо-
то — очень плотный металл. И в потоке воды
минералы, плотность которых меньше (а их
большинство), смываются, а золото собирается
в тяжелой фракции, содержащей песок. Такая
фракция называется шлихом. Золотоискатели
прошлого, да и настоящего тоже, вооружив-
шись промывочным лотком, использовали
именно этот метод.
Амальгамация основана на том, что ртуть
способна образовывать с металлами, в том чис-
ле и с золотом, сплавы — амальгамы. Дробле-
ную породу смешивали с ртутью, еще больше
измельчали, потом извлекали амальгаму про-
мывкой и отгоняли ртуть. Этот метод был изве-
стен еще в I в. до н. э.
Цианирование основано на том, что золо-
то растворяется в расгворах синильной кис-
лоты (цианистого водорода HCN) и ее солей.
Измельченную золотоносную породу обра-
батывают разбавленным раствором цианида
натрия NaCN, образуется цианоаурат натрия
NaAu(CN)w который осаждается цинковой пы-
лью.
Для извлечения золота из сульфидных руд,
которые производятся на предприятиях, ис-
пользуют гораздо более сложные технологии.
Так, метод регенерации проводится следую-
щим образом: 10%-ный раствор щелочи дей-
ствует на растворы солей золота, после чего
проводится осаждение аффинажного золота на
алюминий из горячего раствора гидроксида.
При помощи промывки золото ищут
и настоящие золотоискатели, и туристы,
для которых эта работа включена в некоторые
туристические программы.
Золотодобывающий рудник.
Металлы 77
Из всех запасов золота око-
ло 10 % находится в промыш-
ленных изделиях, из осталь-
ного примерно треть — это
золотой запас различных го-
сударств, главным образом
в виде стандартных слитков
химически чистого золота,
треть — частная собствен-
ность, а остальное — ювелир-
ные изделия.
Золото — один из самых
важных элементов мировой
финансовой системы.
До начала Первой миро-
вой войны все мировые валю-
ты были основаны на золотом
стандарте. Бумажные купюры
можно было свободно обме-
нять на золото.
Золото — прекрасный ма-
териал для производства элек-
трических контактов. Поэтому
в микроэлектронике широко
используются золотые прово-
дники, контактные поверхно-
сти, разъемы; печатные платы
также покрываются золотом.
Золото используется при
производстве печатных плат.
Золото используется как
мишень в ядерной физике;
им покрывают зеркала, кото-
рые работают в дальнем ин-
фракрасном диапазоне; оно
применяется как тончайшая
(20 нм) пленка на внутрен-
ней поверхности оконных и
витражных стекол, которая
уменьшает тепловые потери и
ОТ ЧЕГО ЗАВИСИТ ЦВЕТ ЗОЛОТЫХ
ДРАГОЦЕННОСТЕЙ?
В ювелирной промышленности чистое золото использу-
ется для составления сплавов драгоценных металлов. Зо-
лотые сплавы — идеальный материал для изготовления
ювелирных изделий. В отличие от слишком мягкого чи-
стого золота они более прочные и износостойкие, а при
добавлении различных лигатур легко меняют цвет на бе-
лый (белое золото), красный, зеленый, розовый и др.
В настоящее время для
изготовления украшений
используются сплавы
золота с серебром
и медью. Они могут
содержать добавки
цинка, никеля,
кобальта, iмлладия.
Устойчивы к коррозии украшения благодаря золоту, а цвет их
определяется соотношением серебра и меди.
защищает от инфракрасного
излучения; как припой; а так-
же для защиты от коррозии.
Этот металл также исполь-
зуют в стоматологии. Кроме
того, золото — это пищевая
добавка Е175.
Для природного золота су-
ществует только один стаби-
льный изотоп 197Аи. Осталь-
ные изотопы золота радиоак-
тивны.
ЧТО ТАКОЕ ПРОБА?
Очень важная характеристика ювелирных изделий — про-
ба, которая характеризует содержание в них золота. В Рос-
сии принят ы пять проб ювелирных сплавов из золота:
• 375-я проба: золота — 38 %, а также имеются серебро и
медь;
• 500-я проба: золота — 50,5 %, также имеются серебро и
медь;
• 585-я проба: золота — 59 %, также имеются серебро, медь,
палладий, никель;
• 750-я проба: золота — 75,5 %, также имеются серебро,
платина, медь, палладий, никель;
• 958-я проба: золот а — до 96,3 %;
• 999-я проба — чистое золото.
Проба благородных металлов —
весовое содержание золота, серебра,
платины в сплавах.
ВОПРОС 30
Чем определяется цвет
золотых ювелирных изде-
лий?
ВОПРОС 31
Что характеризует золо-
тая проба?
78 Металлы
ВЫКУП АТАУАЛЬПЫ — КРУПНЕЙШАЯ ВОЕННАЯ
ДОБЫЧА В ИСТОРИИ
16 ноября 1532 г. Франсиско Писарро захватил в плен прави*
геля инков Агауальпу. Надо сказать, что Атауальпа сам вос-
стал против прежнего правителя, а испанцы, конечно, вме-
шались. За его освобождение из плена испанцам предложили
выкуп в виде изделий из золота и серебра, которыми заполни-
ли комнату до высоты поднятой руки. Выкуп составил 6 г зо-
лота и примерно в два раза больше серебра. Получив выкуп,
испанцы убили Агауальпу, а драгоценности переплавили.
Памятник Aiayaawie в Куско отлили из золота
в память о самой большой в истории военной добыче,
которая не спасла пленнику жизнь.
Серебро
Серебро — элемент 11-й
группы (или побочной
подгруппы I группы) пе-
риодической системы химиче-
ских элементов Д. И. Менделее-
ва. Его атомный номер — 47. Се-
ребро обозначается символом
Ag (от латинского Argentum —
«белый», «блистающий»). Тем-
пература плавления — 962 °C,
кипит оно при 2162 °C, плот-
ность — 10,5 г/см3. Теплопрово-
дность у серебра самая высокая
среди всех металлов.
Среднее содержание сере-
бра в земной коре — 70 мг/т.
Серебро — эго пластичный,
ковкий благородный металл се-
ребристо-белого цвета. Тонкая
серебряная фольга в проходя-
щем свете имеет фиолетовый
цвет. Если во влажном воздухе
присутствуют даже едва раз-
личимые следы двухвалентной
серы (тиосульфаты, резина, се-
роводород), то на серебряных
изделиях образуется налет ма-
лорасзъоримого сульфида сере-
бра, из-за чего изделия темнеют.
Серебро, как и золото, имеется
в природе в самородном виде.
ВОПРОС 32
Отчего темнеют серебря-
ные изделия?
В глубокой древности, когда люди еще
не знали железа, на острове Сардиния
уже добывали серебро.
Металлы 79
Серебро, встречающееся в виде самородков, известно с глу-
бокой древности. Ассирийцы и вавилоняне считали серебро свя-
щенным металлом, его изучением активно занимались алхими-
ки. Существует более 50 природных минералов серебра, однако
промышленное значение имеют только 15—20, в том числе са-
мородное серебро, электрум (сплав золота и серебра), аргентит
(сплав серебра и серы) и др.
Из серебра делали и делают посуду, до сих пор чеканят мо-
неты, изготавливают ювелирные изделия. Также серебро приме-
няют для сплавов, из которых получают катоды гальванических
элементов, для обеззараживания воды.
Драгоценности из серебра
Кристаллическая структура
всегда были популярны.
серебра.
БЕСЦЕННАЯ НАХОДКА
В канадском месторождении Кобальт об-
наружили серебряную пластину длиной
30 м. Содержалось в ней 20 г серебра. Эта
находка получила название «серебряный
тротуар».
АДСКИЙ КАМЕНЬ
Соль серебра и азотной кислоты AgNO, на-
зывают также адским камнем или ляписом.
Это бесцветные кристаллы ромбической
формы, хорошо растворимые в воде. Ад-
ским камнем вещество прозвали потому,
что оно обжигает кожу, в концентриро-
ванных растворах может вызвать сильный
ожог. Однако нитрат серебра также пода-
вляет развитие бактерий, и его с давних вре-
мен использовали как обеззараживающее и
вяжущее средство, конечно, в умеренных
количествах. Ляписный карандаш, содер-
жащий inn par серебра в сплаве с нитратом
калия, и сегодня применяют как наружное
лекарственное средство.
Первые в мире монеты де-
лали из сплава золота и сере-
бра. В течение нескольких ты-
сячелетий серебро наряду с зо-
лотом и медью было одним из
основных монетных металлов.
Серебряные монеты наряду
с золотыми использовались
в разных странах мира.
Серебро — относительно
инертный металл, но вступает
в реакцию с горячей концен-
трированной серной кисло-
той, а также с азотной кисло-
той, если присутствует свобод-
ный кислород:
Ag + 2HNO3=AgNO}+NO, J +
+н,о.
Ни I par серебра используют как реагент для
выявления соляной кисло гы и ее солей, потому
чю при реакции он дает белый творожистый
осадок хлорида серебра.
ВОПРОС 33
Какой состав у адского камня?
80 Металлы
Также серебро растворяется в хлориде желе-
за. Эго качество используется для травления:
Ag + FeCl, = AgCI + FeClr
Самая устойчивая степень окисления сере-
бра в соединениях — +1. Так, серебро образует
комплексы с аммиаком, цианидами, тиосуль-
фатами. Образование комплексов применяют
для того, чтобы извлекать серебро из руд. Более
высокие степени окисления (+2, +3) у серебра
имеются в соединениях с кислородом и фто-
ром, но эти вещества не такие устойчивые.
Большинство солей серебра не растворяется
в воде, и это свойство нередко используется для
того, чтобы определять наличие ионов галоге-
нов в водном растворе.
ВОПРОС 34
Какое свойство серебра используется для
травления?
У ионов серебра имеются бактериостатиче-
ские свойства. Но чтобы они проявились, кон-
центрация ионов серебра должна быть настоль-
ко высокой, что обеззараженная таким методом
вода оказывается непригодной для питья. Одна-
ко персидский царь Кир II Великий использо-
вал в военных походах серебряные сосуды для
хранения воды. А в Древнем Египте накладыва-
ли на поверхность ран серебряные пластины.
Серебро
останавливает
рост бактерий, его
обеззараживающие
свойства были
известны с древности,
и во многом поэтому
из него делали
и делают посуду.
Следы серебра (примерно 0,02 мг/кг веса) имеются
в организмах всех млекопитающих. Интересно,
что в ядрах нейронов — нервных клеток —
серебра содержится больше (0,008 % веса), чем в
остальном организме.
ВОПРОС 35
Какие проблемы возникают при обеззара-
живании воды с помощью серебра?
Железо
Железо — это элемент
8-й группы (или по-
бочной подгруппы
VIII группы) периодической
системы химических элемен-
тов Д. И. Менделеева. Его
атомный номер — 26. Обозна-
чается железо символом Fe
(от латинского ferrum). Тем-
пература плавления железа —
1539 °C, температура кипе-
ния — 2862 °C.
Железо редко встречается
в природе в чистом виде, в ос-
новном его находят в виде руд.
С древности известно также
метеоритное железо. Этот эле-
мент по распространенности
в земной коре занимает чет-
вертое место после кислорода,
кремния и алюминия.
Сегодня считается, что земное
ядро в основном состоит
из железа.
Металлы 81
Железо — пластичный ковкий металл се-
ребристо-белого цвета. Оно обладает высо-
кой реакционной способностью и потому
подвержено коррозии. Железо хорошо горит
в чистом кислороде, способно самовозгорать-
ся на воздухе, будучи в мелкодисперсном со-
стоянии. Железо обладает магнитными свой-
ствами.
Притяжение частичек железа магнитом.
ТАЙНА МАГНИТНОЙ СТРЕЛКИ
Еще в XVIII в. астроном и академик II. II. Ино-
ходцев, уточняя географическое положение
российских городов, обнаружил, что в райо-
не Курска и Белгорода стрелка компаса ведет
себя необычно, отклоняется от направле-
ния на север. В 1883 г. Н. Д. Пильчиков иссле-
довал аномалию и обнаружил новые ме-
ста, где она проявлялась. Он предположил,
что причина этого — железорудное место-
рождение, поскольку железо обладает свой-
ствами магнита. Так и оказалось. И в 1923 г.
были добыты первые образцы руды.
Курская магнитная аномалия — самое мощное железорудное месторождение в мире.
ВОПРОС 36
Как можно обнаружить
железорудные месторож-
дения?
Существует множество со-
держащих железо минералов.
Самые важные из них — крас-
ный железняк (гематит) Fe2O3
(железа в нем более 70 %) и маг-
нитный железняк (магнетит)
FeOFe,O3 (содержит 72,4 %
железа). Распространены так-
же сульфиды железа — пирит
FeS, (серный, или железный,
82 Металлы
колчедан) и пирротин FeSn>),
где п - 6 ... 11. Пирит приме-
няют для производства серной
кислоты.
Гематит, или красный
железняк, — самая
распространенная
из железных руд.
Магнетит, или магнитный
железняк. Именно он
обладает свойствами магнита.
Стрелка компаса указывает
на магнетит, именно по этому
свойству его и находят.
Под железом обычно по-
нимают его сплавы с другими
элементами, главным образом
углеродом, который придает
железу прочность и твердость.
Так, в стали содержится от 0,1
до 2,14 % углерода, а в чугу-
не — более 2,14 %. Применя-
ется также легированная (не-
ржавеющая) сталь, куда добав-
Стальные изделия делаются как из углеродистых,
так и из легированных сталей.
ВОПРОС 37
Чем сталь по составу от-
личается от чугуна?
ляются легирующие металлы,
такие как марганец, никель,
хром и др.
Пирит, или железный (серный)
колчедан. Само название
«пирит» по-гречески означает
«камень, высекающий огонь».
С его помощью получали
огонь еще древние люди.
Кроме углерода в чугун входят такие примеси, как кремний,
марганец, сера и фосфор. Различают белый чугун, где углерод
вступает в химическое соединение с железом (цементит FeC),
и серый, где углерод находится в свободном виде как графит.
Металлы 83
Важность железа для цивилизации невоз-
можно переоценить. Железный век в различ-
ных областях Земли начинался в разное время.
Сначала использовали только метеоритное же-
лезо, около 2000 г. до н. э. на Ближнем Восто-
ке его стали выплавлять из руды сыродутным
способом. Слои железной руды перекладывали
слоями древесного угля и прокаливали в осо-
бых печах-горнах. Железо так добывали в Ма-
лой Азии, а потом и в Греции.
Железное оружие и другие орудия появились
более чем за тысячу лет до н. э., и владевшие
тайной выделки железа пароды получили
большое преимущество. Считается, что
дорийцы, пришедшие в Грецию с севера,
одолели ахейцев, которые сражались
бронзовым оружием. А вот железные подковы
появились много позже, не ранее III в. н. э.
Начало железного века в Средиземноморье
относится примерно к 1200 г. до н. э., ко време-
ни Троянской войны. Гомер, живший намного
позже, несколько раз упоминал железо в «Или-
аде» и «Одиссее». Например:
Много сокровищ хра-
нится в отеческом доме
богатом,
Много и меди, и зла-
та, и хитрых изделий же-
леза.
Гомер (VIII в. до н. э).
рассказывал в своих
поэмах о начале
железного века.
Сыродутный способ был тяжелым, но позд-
нее появились печи-домны, а также начали
использовать меха для подачи воздуха в горн.
Сегодня железо получают промышленным спо-
собом из железных руд, главным образом это
гематит и магнетит.
Самый распространенный способ получе-
ния железа — доменный процесс.
На первом этапе железо при температуре
2000 °C восстанавливается с помощью углерода,
который содержится в коксе. Углерод окисля-
ется до СО, который восстанавливает железо из
руды.
Чтобы избавиться от примесей, к руде до-
бавляют также флюс, в котором имеются кар-
бонат кальция (известняк) и карбонат магния
(доломит). Карбонат кальция разлагается до
оксида, который соединяется с примесью — ди-
оксидом кремния. При этом образуется метаси-
дикат кальция — шлак. Он легче железа, плава-
ет на поверхности и легко отделяется.
Шлак, или метасиликат кальция, может
использоваться в строительстве.
ВОПРОС 38
С помощью каких веществ руду очищают
от примесей?
В доменной печи получается чугун, содер-
жащий много углерода. Удалить излишки угле-
рода и получить сталь можно в мартеновской
печи с помощью окисления.
У природного железа имеется четыре ста-
бильных изотопа — 54, 56, 57 и 58. Также из-
вестно более 20 нестабильных изотопов железа
с массовыми числами от 45 до 72.
84 Металлы
Ученые считают, что именно синтезом желе-
за завершается ряд синтеза элементов в ядрах
звезд.
Оранжевый и бурый цвета почве придают
оксиды железа.
РЖАВЧИНА
Хранясь на воздухе в обычных условиях,
железо со временем покрывается плот-
ной пленкой оксида, которая препятству-
ет дальнейшему окислению. Однако если
воздух влажный, то на железе образуется
рыхлая ржавчина. Она не мешает кисло-
роду и влаге получить доступ к металлу,
и он подвергается коррозии. У ржавчины
нет постоянного химического состава, ее
приближенная химическая формула вы-
глядит так: Fe,O/xH,O.
В электрохимическом ряду напряжений же-
лезо стоит до водорода, и поэтому реагирует с
разбавленными кислотами. Степени окисления
железа — +2 и +3.
ВОПРОС 39
Реагирует ли железо с разбавленными
кислотами и почему?
Правда, при этом чистое металлическое же-
лезо проявляет устойчивость в воде и разбав-
ленных растворах щелочей. Оксидная пленка
не дает ему растворяться в холодных концен-
трированных азотной и серной кислотах. Одна-
ко горячая концентрированная серная кислота
с железом реагирует.
Оксид железа (II) FeO черного цвета, ги-
дроксид (II) Fe(OH)2 — зеленого. Оксид (III)
Fe2O3 красно-коричневого цвета, а гидроксид
(III) Fe(OH)j — коричневого. Существуют также
соли железа — ферриты и ферраты.
ВОПРОС 40
Почему железо не растворяется в холод-
ных концентрированных азотной и сер-
ной кислотах?
С ржавчиной борются с помощью различных
присадок к железу и антикоррозийных
покрытий.
Железо также реагирует с кислородом, се-
рой, азотом и фосфором, вытесняет из раство-
ров солезг металлы, которые стоят правее него в
ряду электрохимических напряжений.
Ферритин — белковый комплекс, главное
хранилище железа в живом организме, имеется
почти во всех органах и тканях. В одной
молекуле ферритина может содержаться до 4000
атомов железа.
Металлы 85
В живом организме железо катализирует
процессы дыхания. Оно хранится в белковом
комплексе ферритине. Кроме того, входит в со-
став гемоглобина — белка, переносящего кис-
лород и содержащегося в эритроцитах— клет-
ках крови. Именно гемоглобин придает крови
красный цвет. Правда, за цвет отвечает не толь-
ко металл, содержащийся в гемоглобине, но и
структура самого белка.
Железо пощупает в организм с пищей, бога-
ты им печень, бобовые, яйца, семена кунжута и
тыквы, полевой салат, петрушка, тимьян.
Свинец
Свинец — это элемент 14-й
группы (или главной под-
группы IV группы) пе-
риодической системы химиче-
ских элементов Д. И. Менделе-
ева. Он имеет атомный номер
82. Обозначается символом РЬ
(от латинского plumbum). Эго
ковкий металл, сравнительно
легкоплавкий, для него харак-
терен белый цвет с синеватым
отливом. Свинец мягкий, его
легко резать ножом и даже по-
царапать ногтем. Температура
плавления — 327,46 °C, тем-
пература кипения — 1749 °C.
Стабильные изотопы свинца —
204, 206, 207, 208.
Свинец был известен еще в
древности. Самое старое свин-
цовое изделие — древнеегипет-
ская ст атуэтка в виде женской
фигуры, которая датируется
3100—2900 гт. до и. э. В Древнем
Риме широко использовался
свинцовый водопровод.
В земной коре этот эле-
мент встречается с частотой
1,6 • 103%. Самородный свинец
редок, однако существует мно-
жество свинцовосодержащих
пород. Причем свинец встре-
чается там не только в виде
сплавов, но и в виде интерме-
таллидов — химических сое-
динений с оловом, сурьмой,
палладием, платиной и дру-
гими элементами. Самая важ-
ная из свинцовосодержащих
пород — сульфид свинца PbS,
или свинцовый блеск.
СВИНЕЦ В РИМЕ
По всей территории Древнего Рима строили водопрово-
ды из свинцовых труб. Свинец токсичен. Правда, благода-
ря содержащей кальций воде на внутренней поверхности
труб образовывалась пленка из соединений кальция, ко-
торые снижали эту опасность. Однако в костях древних
римлян содержание свинца высокое, существует даже
мнение, что причиной гибели Рима стал свинцовый водо-
провод. Но кроме водопровода из свинца еще делали по-
суду, что не могло не вредить здоровью людей.
Свинец очень хорошо подходит для произволе! ва труб,
полому римляне его и использовали. Однако уже в те времена
многие понимали вред л ого металла.
ВОПРОС 41
Что характерно для свинцовосодержащих пород?
Галенит — сульфид свинца
PbS, главная свинцовая
руда. Раньше его называли
свинцовым блеском. Он
действительно легко узнаваем
по свинцово-серому цвету
и характерному серебристому
блеску, а также большому
удельному весу.
86 Металлы
Именно галенит главным образом исполь-
зуют для получения свинца. Прежде всего,
применяют метод флотации для получения
концентрата, который содержит от 40 до 70 %
свинца. Затем концентрат перерабатывают в
веркблей (черновой свинец), который содержит
90 % свинца, после чего удаляют примеси.
Типографские литеры делались из гартового
сплава, содержащего свинец, сурьму и олово.
С появлешгем компьютерного набора
необходимость в них отпала.
Свинец реагирует с щелочами и кислотами,
образуя соли.
для химического источника тока. Ранее широко
применяли свинцовые белила РЬ(ОН), РЬСО,.
Соединения свинца с мышьяком используют
для производства инсектицидов, соединение с
бором РЬ(ВО,)2-Н,О — для сушки картин и ла-
ковых покрытий.
Крокоит, он же хромат свинца. Некоторые его
кристаллы, найденные на ост рове Тасмания,
достигали 40 см в длину.
Хромат свинца РЬСгО4 используется для
производства желтых красок, идет также на
окраску фарфора и тканей. Нитрат свинца
Pb(NOj)2 используют в производстве спичек,
окраске тканей, гравировке. Сульфат свинца
PbSO4 применяют как пигмент в аккумулято-
рах, литографии, в технологии производства
набивных тканей.
Сульфид свинца PbS, черный нераствори-
мый в воде порошок, используют при обжиге
глиняной посуды и для обнаружения ионов
свинца.
ВОПРОС 43
Какое соединение свинца используют для
производства желтых красок?
ВОПРОС 42
Какую породу главным образом исполь-
зуют для получения свинца?
Свинец используется очень широко и давно.
Из его сплавов с сурьмой делают пули и типо-
графский шрифт; соединения с серой, висму-
том, фтором, хлором и кислородом — материал
Свинец хорошо поглощает гамма-излуче-
ние и поэтому применяется как защитный ма-
териал в ядерных реакторах и рентгеновских
установках.
Также содержание изотопов свинца изме-
ряют, чтобы определить возраст минералов и
горных пород.
Свинец и его соединения ядовиты, особенно
опасны растворимые в воде и летучие. Правда,
Металлы 87
Свинец используется для защиты человека от радиоактивного
излучения.
острого отравления свинцом
не бывает, только хроническое.
Он накапливается в костях, пе-
чени и почках. Поэтому обра-
щаться с соединениями свин-
ца надо осторожно.
Определение уровня
свинца в крови необходимо
для назначения лечения.
Олово
Олово — элемент 14-й
группы (главной под-
группы IV группы) пе-
риодической таблицы хими-
ческих элементов. Его атом-
ный номер — 50. Обозначается
символом Sn (от латинского
stannum). Это легкий серебри-
сто-белый металл, ковкий, лег-
коплавкий и пластичный. Тем-
пература плавления олова —
231,9 °C, температура кипе-
ния — 2600 °C.
Олово человек открыл еще
в IV тысячелетии до н. э. Его
месторождения были ред-
кими, а металл был очень
важен — ведь именно сплав
олова и меди представляет со-
бой бронзу. И весь бронзовый
век олово представляло собой
стратегический металл.
Главный минерал, содер-
жащий олово, — касситерит,
ВОПРОС 44
Для чего главным обра-
зом использовалось олово
с глубокой древности?
или оловянный камень. Его
состав — SnOj, он содержит
78,8 % олова. Оловянный кол-
чедан, или станнин, встречает-
ся намного реже. Его состав —
Cu2FeSnS4. Впрочем, и олова в
нем гораздо меньше — 27,5 %.
Касситерит — основной минера,!,
откуда добывают олово.
Руины старинного здания на оловянном руднике в Корнуолле —
графстве на юго-западе Англии, где добыча олова ведется
с бронзового века. Считается, что легендарные Касситериды —
Оловянные острова, где финикийцы в древности добывали
олово, — это иди сами Британские острова,
или крохотные островки у побережья большого
одгровз Британия.
88 Металлы
При производстве олова
руда, содержащая касситерит,
дробится, после чего олово от-
деляется от пустой породы с
помощью так называемого гра-
витационно-обогатительного
метода. Затем руда обогаща-
ется и очищается с помощью
флотации. Потом концентрат
обжигается в кислороде — так
удаляются примеси мышьяка и
серы. Очищенный концентрат
выплавляют в печах. Олово при
этом восстанавливают до сво-
бодного состояния в электро-
печах либо древесным углем,
либо алюминием с цинком.
Восстановление углеродом
представляет собой следую-
щую реакцию:
SnO2 + С Sn + СО2.
На поверхности олова об-
разуется пленка оксидов, что
обеспечивает устойчивость к
воздействию воздуха и воды.
Только при температурах, ко-
торые превышают 150 °C, оло-
во начинает окисляться:
Sn + О2 = SnO2.
Олово также вступает в ре-
акцию с большинством неме-
таллов при нагревании. При
этом получаются соединения
со степенью окисления +4:
Sn + 2Cl2 = SnCl4.
Олово реагирует с соляной
кислотой и очень медленно —
с концентрированной серной.
Также при нагревании оно
вступает в реакцию с водными
растворами щелочей.
Олово существует в двух
модификациях: белое и се-
рое. Белое олово пластич-
ное и достаточно крепкое.
Но если температура падает
ниже отметки 13,2 °C, удель-
ный объем его увеличивается,
и спонтанно образуется серое
олово. В его кристаллической
решетке атомы расположены
менее плотно — происходит
спонтанное увеличение удель-
ного объема чистого олова
на 25,6 %. При -33 °C превра-
щение осуществляется очень
быстро. На олове появляются
трещины, и оно рассыпается
в порошок. При этом серое
олово «заражает» белое при
соприкосновении. Это явле-
ние называется оловянной чу-
В глубине этого самого холодного континента погибла
экспедиция Роберта Скотта, возвращаясь с Южного полюса.
Одной из причин была оловянная чума.
ВОПРОС45
В чем заключается амфо-
терность олова?
мой. Во многом из-за оловян-
ной чумы в 1912 г. погибла
экспедиция Роберта Скотта к
Южному полюсу. Баки с го-
рючим были запаяны оловом,
его поразила оловянная чума
на морозе — и топливо вытек-
ло. Экспедиция осталась без
горючего, а это в Антарктиде
было катастрофой. Путеше-
ственники тогда не знали, что
предотвратить оловянную чу-
му можно было, добавив в
олово висмут или другой ста-
билизатор.
Олово представляет собой
амфотерный металл, то есть
растворяется и в кислотах,
и в щелочах. При этом
выделяется водород.
ВОПРОС 46
Почему при низких температурах олово рассыпается
в порошок?
Металлы 89
ЧУМА ДЛЯ ОЛОВЯННОГО СОЛДАТИКА
Всем известна сказка о стой-
ком оловянном солдатике,
которого бросили в огонь,
где он и расплавился. На са-
мом деле оловянному вой-
ску угрожает другая опас-
ность — оловянная чума.
Многие коллекции таких
солдатиков превратились в
пыль, потому ч то в помеще-
ниях, где их хранили, было
слишком холодно. Так про-
изошло в ганасниках петер-
бургского музея А. В. Суво-
рова, где зимой лопнули ба-
тареи отопления.
Ч гобы оловянный солдагик
оставался в целости
и сохранности, ему нужно
тепло. В отличие от настоящих
стойких солдат, холода он не
выдерживае!.
Олово используется и в чистом виде, и в сплавах, например в
белой жести (луженом железе), в припоях для электроники, тру-
бопроводах, подшипниках, покрытиях металлических изделий.
И, разумеется, как сплав с медью — бронза.
МАГИЧЕСКОЕ ОЛОВО
У олова существует 10 ста-
бильных изотопов: 112,
114, 115,116, 117,118, 119,120,
122 и 124. Большое количе-
ство изотопов связано с
тем, что 50 — количество
прогонов в ядре олова —
магическое число. Маги-
ческие числа 2, 8, 20, 28, 50,
82, 126 соответствуют чис-
лу нуклонов (прогонов
или нейтронов), при кото-
ром какая-либо электрон-
ная оболочка становится
полностью заполненной.
Заполненность оболочки
приводит к повышению
стабильности ядра.
Благодаря Mat ическому
числу своих про гонов олово
имеет много стабильных
И МУГОНОВ.
ВОПРОС 47
Почему у олова много ста-
бильных изотопов?
Консервные банки
делают из белой жести
(низкоуглеродистого железа),
которая является луженой,
то есть она покрыта тонким
слоем олова. Делается это для
защиты от коррозии.
90 Металлы
Металлическое олово не токсично, поэ-
тому его применяют в пищевой промыш-
ленности. Однако в виде паров и различных
аэрозольных частиц оно представляет нема-
лую опасность, а станнан (оловянистый водо-
род) — очень сильный яд. Пары или оловян-
ная пыль могут привести к станнозу — пора-
жению легких.
Ртуть
Ртуть — элемент 12-й
группы (побочной под-
группы II группы) пе-
риодической системы химиче-
ских элементов Д. И. Менделе-
ева. Его атомный номер — 80.
Обозначается символом Hg
(от латинского Hydrargyrum).
Температура плавления со-
ставляет -38,83 °C, темпера-
тура кипения — 356,73 °C.
У природной ртути есть семь
стабильных изотопов: 196, 198,
199, 200, 201, 202, 204.
У ртути очень низкая
температура плавления,
поэтому при комнатной
температуре опа является
жидкостью.
коре — 83 мг/т. Однако ртуть
слабо связывается с элемен-
тами, распространенными в
земной коре, и потому ртут-
ные руды обычно достаточно
концентрированы. Ртуть —
элемент большинства мине-
ралов, содержащих серу. Ее
месторождения имеются в
разных странах, в том числе и
в России. В словенском городе
Идрия добыча ртути ведет-
ся с XV в. А самое крупное и
древнее месторождение — в
Амальдене (Испания).
ВОПРОС 48
Почему ртутные место-
рождения в природе кон-
центрированы?
Атом ртути.
Атомная масса: 200,59 а. е. м.
Электронная конфигурация: 2,
8, 18, 32, 18, 2
2>гот металл при нормаль-
ных условиях представляет со-
бой серебристо-белую жид-
кость. Она способна образо-
вывать со многими металлами
твердые сплавы — амальгамы.
Пары ртути очень ядовиты.
Ртуть известна с древности.
Содержание ртути в .земной
Крупнейшее ртутное месторождение Альмаден разрабатывается
более 2000 лет. Это промышленное предприятие, точнее его
инфраструктура, включено в Список Всемирного наследия
ЮНЕСКО.
Металлы 91
Бывало, что ртуть находи-
ли в виде жидких капель на
горных породах, но чаще в
виде соединений — кинова-
ри — сульфида ртути HgS и
каломели Hg2Cl,. Ртуть обыч-
но получали посредством об-
жига природной киновари.
11 сегодня этот металл добы-
вают таким же способом или
при помощи металлотерми-
ческого метода:
HgS + О2 = Hg + SO2f,
HgS + Fe -FeSj + Hg.
Пары ртути конденсируют
и собирают.
Ртуть — малоактивный ме-
талл. Она не реагирует с кис-
лотами, которые не обладают
окислительными свойствами,
но растворяется в царской вод-
ВОПРОС 49
Что такое амальгама?
Киноварь.
ке и азотной кислоте, при на-
гревании также в серной кис-
лоте.
Если нагреть ртуть до
300 °C, она реагирует с кисло-
родом:
2Hg + О2 = 2HgO.
Если нагреть получивший-
ся оксид до температуры выше
340 °C, он разложится на ртуть
и кислород. Именно эта реак-
ция представляет собой один
из самых исторически ранних
способов получения кисло-
рода.
Несмотря на токсичность,
ртуть используется широко:
в люминесцентных лампах и
ртутных термометрах, в гер-
метичных выключателях, как
консервант для вакцин. Рань-
ше ее применяли еще шире,
например в барометрах и ма-
нометрах, поэтому давление
и измеряется в миллиметрах
ртутного столба. Ртуть ис-
пользовали для очистки зо-
лота с помощью образования
амальгамы — сплава с ним,
при этом о токсичности ртути
и ее соединений было хорошо
известно. Также ее применяли
для золочения поверхностей и
для выделки фетра при произ-
водстве шляп.
Каломель, сулема, мерти-
олят и другие токсичные со-
единения ртути используют-
Киноварь, несмотря на ее
токсичность, очень широко
применяли как краситель.
Использовали ее и в
Древнем Китае, где мастера
расписывали киноварью
прекрасные вазы.
ВОПРОС 50
Почему атмосферное дав-
ление измеряется в милли-
метрах ртутного столба?
ся как пестициды и средства
для протравливания семенно-
го зерна.
Ртуть даже в небольших ко-
личествах очень вредна для
Люминесцентная лампа, содержащая ртуть.
Видимый свет
Аргон и пары ртути
Нить накала
92 Металлы
здоровья: она нарушает рабо-
ту' нервной, пищеварительной,
иммунной систем, повреждает
глаза, легкие, почки и кожу.
Очистку помещений и пред-
метов от загрязнений метал-
лической ртутью и источников
ртутных паров называют де-
меркуризацией. Широко ис-
пользуют для демеркуризации
серу и хлорное железо FeCl,.
Для регуляции использова-
ния и производства ртути суще-
ствует Минаматская конвенция
по ртути — межгосударствен-
ный договор, защищающий
людей и окружающую среду
от выбросов и высвобождений
ртути и ее соединений, которые
приводят к отравлению. Кон-
венция с 2020 г. запрещает про-
изводство, экспорт и импорт
ЧТО ДЕЛАТЬ, ЕСЛИ РАЗБИЛСЯ РТУТНЫЙ
ГРАДУСНИК ИЛИ СОДЕРЖАЩАЯ РТУТЬ
ЛАМПОЧКА?
Лучше всего демеркуризацию проводят профессионалы,
поэтому, если разбился содержащий ртуть гермометр
или лампочка, надо вывести из помещения всех людей и
животных, плотно закрыть дверь и позвонить в МЧС —
приедут специалисты и очистят помещение. Ртуть мож-
но собрать и самим, но эго сложно. Работат ь надо в рези-
новых перчатках, обуви и маске. Ртуть следует собрать в
банку с водой с помощью бумаги, скот ча или шприца, а
затем сдать ее в специальные службы. Пол нужно вымы гь
раствором марганцовки и мыльно-содовым раствором.
Но все шарики можно просто не найти. Поэтому лучше
опасное дело доверит ь профессионалам.
нескольких видов содержащей
ртуть продукции, в том числе
ряда люминесцентных ламп,
ртутных термометров и тоно-
метров (приборов для измере-
ния давления).
Энергосберегающие лампочки
содержат пары ртути, поэтому
их нельзя просто выбрасывать,
а надо сдавать в специальные
места.
ВОПРОС 51
Что надо делать, если раз-
бился ртутный термометр?
В ртутном термометре
содержится около 2 г ртути,
но и такое количество
представляет опасность, если
градусник разбился.
ОТВЕТЫ
1. У металлов в кристаллических решет-
ках имеются свободные электроны, дви-
жущиеся под воздействием электрическо-
го поля.
2. Пластичность обусловлена тем, что слои
атомов в металлах не разрываются, а только
смещаются относительно друг друга.
3. При взаимодействии с водой щелочные
металлы дают растворимые гидроксиды, то
есть щелочи.
4. Щелочные металлы таким образом защи-
щают от воздействия водяных паров.
5. Для переходных металлов характерна не-
завершенность электронной оболочки, к
тому же валентные электроны находятся у
них на разных оболочках.
6. У полуметаллов металлическая электро-
проводность и ковалентный тип связи.
7. Соединения урана использовали в каче-
стве красителя.
8. Благородными называют золото, серебро,
платину, рутений, родий, палладий, осмий и
иридий, потому что они не окисляются на
воздухе и не подвержены коррозии.
9. Считалось, что их оксиды, которые назы-
вали землями, очень редкие.
10. Химия началась тогда, когда люди научи-
лись воздействовать огнем на металл.
11. Металлы являются восстановителями.
12. Больше всего в организме человека рас-
пространен кальций.
13. Положение металла в электрохимиче-
ском ряду напряжений определяется его
восстановительной способностью.
14. Самый слабый восстановитель — золото.
15. В древности было известно семь метал-
лов: медь, золото, серебро, железо, олово,
свинец и ртуть.
16. Алхимики сделали немало открытий и
создали новые методы исследования, кото-
рые вошли в химическую науку.
Металлы 93
17. Это произошло в XVIII в. в связи с откры-
тиями Лавуазье.
18. Название cuprum происходит от назва-
ния острова Кипр, где в древности добывали
медь.
19. Потому что медь из-за своей мягкости дол-
го не могла полностью вытеснить камень.
20. Медь начали впервые добывать из руды,
содержащей малахит.
21. Мышьяк ядовит, кроме того, при пере-
плавке он испарялся и качество сплава ста-
новилось хуже.
22. Цвет большинства солей меди — синий
или зеленый.
23. Патина состоит из нескольких слоев, она
содержит оксиды меди, а также карбонат
меди, который представляет собой верхний
слой.
24. Примеси резко снижают электрическую
проводимость меди.
25. Медь отвечает за перенос кислорода у
моллюсков и членистоногих.
26. Золото в виде тончайшей пленки, тол-
щина которой не превышает 100 нм, в про-
ходящем свете бывает зеленовато-синим.
27. В сульфате у половины атомов золота
степень окисления +1, а у половины — +3.
28. Золото растворяется в царской водке и
селеновой кислоте.
29. Ртуть можно превратить в золото путем
ядерной реакции, но никакого экономиче-
ского смысла это не имеет, потому что спо-
соб слишком дорог.
30. Цвет золотых ювелирных изделий опре-
деляется примесями других металлов.
31. Проба характеризует содержание золота
в сплаве, из которого производят ювелир-
ные изделия.
32. Серебряные изделия темнеют потому,
что на них образуется налет малораствори-
мого сульфида серебра.
33. Адский камень — это нитрат серебра.
34. Для гравления используется такое свой-
ство серебра, как его растворимость в хло-
риде железа.
35. Чтобы обеззараживающий эффект пол-
ностью проявился, нужно так много сере-
бра, что вода становится непригодной для
питья.
36. Железорудные месторождения мож-
но обнаружить по отклонению магнитной
стрелки, это происходит, если они содержат
магнетит.
37. В стали содержится меньше углерода —
до 2,14 %, в чугуне — более 2,14 %.
38. Руду от примесей очищают с помощью
карбоната кальция и карбоната магния.
39. Железо реагирует с разбавленными кис-
лотами, так как в электрохимическом ряду
напряжений оно стоит до водорода.
40. В холодных концентрированных азотной
и серной кислотах железу не дает раство-
ряться оксидная пленка. Однако в горячих
кислотах оно растворяется.
41. Свинец встречается не только в виде
сплавов, но и в виде интерметаллидов —
химических соединений, в то время как
сплавы химическими соединениями не яв-
ляются.
42. Для получения свинца используют его
сульфид — галенит.
43. Для производства желтых красок исполь-
зуют хромат свинца.
44. Олово использовалось (и используется)
для производства бронзы — сплава с медью.
45. Амфотерность олова заключается в том,
что оно растворяется и в кислотах, и в ще-
лочах.
46. При низких температурах белое олово
переходит в другую форму — серое олово,
чей удельный объем больше и структура
предполагает большую хрупкость.
47. Число протонов в ядре олова магическое,
одно из тех, которые обеспечивают запол-
ненность электронной оболочки и стабиль-
ность ядра.
48. Месторождения ртути концентрированы,
потому что ртуть слабо связывается с распро-
страненными в земной коре элементами.
49. Амальгама — это сплав ртути с другим
металлом.
50. В прошлом в барометрах использова-
лась ртуть, и название сохранилось по тра-
диции.
51. Следует надеть резиновые перчатки, со-
брать шарики ртути в банку с водой и сдать
ее в специальные службы, а комнату вымыть
раствором марганцовки и мыльно-содовым
раствором. Но лучше всего сразу выйти из
комнаты, плотно закрыть дверь и вызвать
МЧС. Сбор ртути — сложное и опасное дело,
лучше доверить его специалистам.
94 Неметаллы
НЕМЕТАЛЛЫ
Особенности неметаллов
Неметаллы — химические элементы, у
которых на внешнем энергетическом
уровне больше электронов, чем у метал-
лов. Поэтому они легче присоединяют допол-
нительные электроны и проявляют большую
окислительную активность. С атомами других
элементов и друг с другом они образуют кова-
лентные связи, в отличие от металлов, для кото-
рых характерна ионная связь.
В морских водорослях содержится
до 1 % йода — одного из галогенов,
который необходим для нормального
функционирования щитовидной железы.
В то же время свободный йод ядовит.
ВОПРОС 1
Какие связи образуют друг с другом и
другими элементами атомы неметаллов?
В чем здесь заключается отличие их от
металлов?
Неметаллы бывают газами (инертные газы,
кислород, водород, фтор, хлор, азот), тверды-
ми веществами (сера, селен, теллур, фосфор,
мышьяк, углерод, бор, кремний, йод, астат) и
жидкостью (бром). В виде молекул — простых
веществ — в природе можно встретить азот,
кислород и серу. Но чаще они существуют в
виде соединений, как вода, минералы, различ-
ные горные породы. Наиболее распространен-
ными в земной коре являются кислород, крем-
ний и водород самыми редкими — мышьяк,
селен, йод.
ВОПРОС 2
Какой неметалл в нормальных условиях
является жидкостью?
ВОПРОС 3
Какие элементы самые распространен-
ные в земной коре?
Шестнадцатое место по распространенно-
сти в земной коре и шестое — в природных
водах занимает сера. Ее можно встретить и в
свободном виде, и в виде соединенней, таких
как свинцовый блеск, железный колчедан, ки-
новарь и др.
Сера также имеется в природных газах, угле,
нефти. Она важна для жизнедеятельности орга-
низмов, включена в состав множества белков.
Для прижигания ран используется спиртовой
раствор йода с добавлением его соли — йодида
калия. Настоящий цвет свободного йода —
фиолетовый.
Неметаллы 95
СЕРА ДЛЯ МИРА И ВОЙНЫ
Человек познакомился с серой еще в глу-
бокой древности. Запах горящей серы при
извержении вулканов, вонь сероводорода и
удушающее действие сернистого газа извест-
ны давно. Со временем серу стали применять
для различных военных целей. Очевидно,
она входила в состав знаменитого греческого
огня. Из серы, древесного угля и селитры про-
изводили черный порох. В то же время сер-
ные источники очень полезны для здоровья.
Один из серных источников в Японии. Вода, в которой содержится много серы, имеющей
вулканическое происхождение, считается целебной при арipine, болезнях кожи и других недугах.
Руда самородной серы
на арагоните (карбонате
кальция). Большие скопления
самородной серы встречаются
не так уж часто, обычно она
присутствует в некоторых
рудах.
Кремний по распростра-
ненности в земной коре нахо-
дится на втором месте после
кислорода, его содержание
примерно равно 27,6—29,5 %.
В морской воде концентрация
кремния — 3 мг/л.
В природе кремний обыч-
но находится в виде кремнезе-
ма. В основе этого соединения
лежит диоксид кремния SiOr
Кремнезем составляет пример-
но 12 % от земной коры. Диок-
сид кремния образует извест-
ный всем и повсеместно рас-
пространеннызг песок, а также
кремень (не путать с кремни-
ем!), полевые шпаты, кварц и
кварциты.
ВОПРОС 4
Какие соединения серы вы
можете назвать?
Кристаллическая решетка
кремния — одного из самых
распространенных элементов
в земной коре.
96 Неметаллы
ВОПРОС 5
В чем разница между крем-
нием и кремнем?
Инертные, или благород-
ные, газы называются так по-
тому, что они химически не-
активны. Это гелий, неон, ар-
гон, криптон, ксенон и радон.
Правда, при некоторых усло-
виях они могут реагировать с
фтором — самым активным из
галогенов. Из инертных газов
широко используется аргон,
например при сварке, также
для того, чтобы изолировать
от воздуха металлы, которые
при нагреве вступают в реак-
цию с кислородом и азотом.
Аргон применяют также в лю-
минесцентных лампах, стекло-
пакетах, для обработки жид-
кой стали.
Галогены, что означает «рож-
дающие соль», — это элемен-
ты, принадлежащие к 17-й
группе (или главной подгруп-
пе VII группы) периодической
системы химических элемен-
ВОЛШЕБНЫЙ КВАРЦ
Всем известен кварц, красивый, иногда полупрозрачный
камень. На самом деле кварц — эго кристаллический крем-
незем, тот же самый диоксид кремния. Этот минерал в зем-
ной коре встречается необычайно часто. К кварцевым по-
родам относятся и горный хрусталь, и агат, и сердолик, и
яшма. У' агата множество оттенков — белый, черный, крас-
ный, голубой, розовый. Поделки не единственное приме-
нение кварца, он используется в электронных приборах,
часах, радиоаппара туре, при производстве стекла.
Химическая формула кварца — SiO,. Он представляв!
собой полиморфную модификацию диоксида кремния
и кристаллический кремнезем.
Инертный газ аргон применяется
в промышленности, в том числе при сварке.
ВОПРОС 6
Чем кварц отличается от кремнезема?
ВОПРОС 7
С каким элементом могут вступать в реак-
цию инертные газы?
тов. Название это не случайно. Известно, что са-
мая распространенная соль — это соединение
натрия с хлором. К галогенам относятся фтор F,
хлор С1, бром Вг, йод I, астат At. Фтор и хлор —
газы, бром — жидкость, йод и астат — твердые
вещества.
Галогены вступают в реакцию почти со все-
ми простыми веществами, исключение состав-
ляют некоторые неметаллы. Химическая ак-
тивность галогенов снижается с увеличением
порядкового номера. Таким образом, из пере-
Неметаллы 97
численных галогенов самый
активный — фтор, самый не-
активный — астат.
Флюорит — фторид кальция
CaFy светится в темноте при
нагревании. Он может быть
окрашен в разные цвета
и нередко, несмотря на свою
хрупкость, ценился за красоту
дороже золота. В Англии
добывали сине-фиолетовый
флюорит, который прозвали
Синим Джоном. Из него
вырезали разли'гные поделки.
Содержащие фтор соединения
входят в состав некоторых
зубных паст. Считается, что их
использование укрепляет зубы
и предотвращает кариес.
ВОПРОС 8
Какое соединение фто-
ра называли Синим Джо-
ном?
ХЛОР — ядовитый,
НО НЕОБХОДИМЫЙ
Хлор чрезвычайно ядовит, его впервые ис-
пользовали как отравляющее вещество во
время газовой атаки в годы Первой мировой
войны. В то же время он чрезвычайно по-
лезен и необходим для жизнедеятельности,
особенно в своих соединениях, в гой же пова-
ренной соли NaCI. В водных растворах хлор
подвергается реакции диспропорциониро-
вания, при этом утрачиваются его опасные
свойства, а приобретаются полезные:
С1,+ Н2О~НС1О + НС1.
Хлор применяют для получения соляной
кислоты, он незаменим в органическом
синтезе, когда upon «водятся синтетические
волокна и пластмассы, красители, раство-
рители и искусе । венный каучук. Также его
используют при отбеливании различных
тканей и обеззараживании питьевой воды.
Известно, ч ю воду в бассейнах дезинфицируют
хлоркой. Более правильное ее название —
хлорная известь. Она представляет собой смесь
гипохлорита кальция Ca(ClO)„ хлорида кальция
СаС1, и гидроксида кальция Са(ОН),.
ВОПРОС 9
Какой элемент в свободном виде очень ядовит, а в соеди-
нении является одним из важнейших продуктов питания?
98 Неметаллы
Водород
Водород — это первый
элемент периодической
системы химических эле-
ментов. Его обозначают сим-
волом Н (от латинского hydro-
genium, что и означает «рож-
дающий воду»). Водород пред-
ставляет собой газ без цвета,
запаха и вкуса. Его земперазура
кипения----252,76 °C. Если тем-
пература ниже этого показате-
ля, но выше -259,2 °C, то водо-
род находится в жидком состо-
янии. При температуре ниже
-259,2 °C образуется твердый
водород, похожий на снег.
Молекулярный водород Н, —
относительно редкий газ. Глав-
ное соединение этого элемен-
та — вода, и значение ее невоз-
можно переоценить.
Дейтерий -Н
У водорода три изотопа: протий, состоящий из одного протона и электрона; дейтерий, где в ядре
кроме протона есть нейтрон; и тритий с двумя нейтронами и одним протоном в ядре.
ГЛАВНЫЙ ВО ВСЕЛЕННОЙ
Во Вселенной водород является самым распространен-
ным элементом. Из всех атомов, составляющих Вселен-
ную, на долю водорода приходится 88,6 "о. Атомы гелия
составляют примерно 11,3 "о, а все остальные — примерно
0,1 %. В живых клетках водород составляет почти 63 "6.
Большине! во !везд, в гом числе и наше Солнце,
состоит в основном из водорода.
ВОПРОС 10
При каких условиях водо-
род может стать твердым?
Получен водород был в
конце XVIII в. Английский фи-
зик и химик Генри Кавендиш
в 1766 г. назвал его горючим
воздухом. Французский химик
Антуан Лавуазье совместно с
инженером Жаном Мёнье в
1783 г. разложили водяной пар
над раскаленным железом и
произвели анализ его состав-
ляющих.
Сегодня в промышленно-
сти водород получают из водя-
ных паров, например пропу-
ская их над раскаленным кок-
сом при температуре 1000 °C,
конверсией с водяным паром,
электролизом водных раство-
ров солей и другими способа-
ми. В лабораторных условиях
Неметаллы 99
ВОПРОС 11
Какие космические тела состоят в основ-
ном из водорода?
водород можно получить, воздействуя кислота-
ми на металлы. Например:
Zn + H2SO4 = ZnSO4 + HJ.
Водород — самый легкий из всех газов, он
в 14,5 раза легче воздуха. Водород при смеси
с воздухом, а также с кислородом (в объемном
соотношении 2:1) образует взрывоопасную
смесь — так называемый гремучий газ. Ког-
да-то водородом наполняли воздушные шары
и дирижабли, но произошло несколько ката-
строф из-за его взрыва, и теперь воздушные
шары наполняют гелием.
Водород не ядовит, он хорошо растворяется
в этиловом спирте, а также в ряде металлов —
железе, никеле, палладии, титане, платине.
Иногда водород, растворяясь в стали или чугу-
не, может привести к их разрушению, потому
что взаимодействует с углеродом, входящим в
Один из способов получения водорода.
Для этого нужны кусочки цинка и соляная
кислота. При реакции между ними выделяются
пузырьки газа — водорода.
состав этих сплавов.
ВОПРОС 12
Почему воздушные шары перестали за-
полнять водородом?
ВОПРОС 13
Чем водород может навредить стали?
100 Неметаллы
При обычных температу-
рах водород реагирует только
с очень активными металлами,
например с кальцием, образуя
гидрид кальция. В этих же ус-
ловиях водород вступает в ре-
акцию лишь с одним неметал-
лом, самым активным из га-
логенов — фтором. При этом
образуется фтороводород.
Молекулярный водород ис-
пользуется в органическом син-
тезе для восстановления ор-
ганических соединений. Эти
процессы называют реакция-
ми гидрирования.
Атомарный водород при-
меняется для атомно-водород-
ной сварки, охлаждения гене-
раторов, как ракетное топли-
во, в производстве пластмасс,
аммиака, мыла, в газовой хро-
матографии. Он также приме-
няется при производстве мар-
гарина из жидкого раститель-
ного масла. Сегодня изучается
использование водорода в ка-
честве горючего для автомо-
билей, потому что при этом
будет выделяться обычная чи-
стая вода.
ВОПРОС 14
Какой пищевой продукт
производится с помощью
водорода?
ЭЛЕКТРОЛИЗ ВОДЫ
Электролиз воды — один из способов получения водо-
рода. Суть электролиза заключается в том, что, когда
электрический ток проходит через раствор или расплав
электролита, на электродах выделяются составные части
растворенных веществ или же происходят вторичные ре-
акции, в результате которых также выделяются составные
части образовавшихся веществ. Но все же самым дешевым
способом является конверсия метана с водяным паром.
В результате электролиза вода разлагается на водород
и кислород.
В водородном
топливном элементе
химическая энергия,
заключенная
в водороде и
кислороде,
преобразуется
непосредственно
(без горения)
в электрическую.
Неметаллы 101
Кислород
Все мы дышим кислоро-
дом. Кислород — эле-
мент 16-й группы (глав-
ной подгруппы VI группы)
периодической системы хи-
мических элементов. Его атом-
ный номер — 8. Обозначается
символом О (от латинского
oxygenium, что означает «рож-
дающий кислоту»). Кисло-
род — химически активный
газ, не имеющий цвета, вкуса
и запаха. Молекулярный кис-
лород двухатомный. Темпе-
ратура плавления составляет
-218,35 °C, температура кипе-
ния равна -182,96 °C. У жидко-
го кислорода светло-голубой
цвет, а твердый превращается
в светло-голубые кристаллы.
ВОПРОС 15
Какой цвет у жидкого и твердого кисло-
рода?
Атом кислорода.
Атомная масса: 15,999 а. е. лг.
Электронная конфигурация: 2, 6
ОЗОН. ЕГО ОПАСНОСТЬ И ПОЛЬЗА
Иногда после грозы чувствуется специфи-
ческий запах. Это запах озона — еще одной
аллотропной формы кислорода; он образу-
ется под воздействием электрических раз-
рядов. Но не стоит вдыхать это вещество.
Озон имеет формулу Ov то есть состоит из
। рех атомов кислорода. Это очень акт ивиый
окислитель. Из-за своей активности озон
ядовит, дышать им нельзя: он вызывает на-
рушение работы органов дыхания. Однако
озон играет и другую роль. Озоновый слой,
который образуется из кислорода под воз-
действием солнечного излучения, защищает
нашу планету оз космического излучения;
если бы не он, жизнь на Земле погибла бы.
102 Неметаллы
ВОПРОС 16
Что из себя представляет
запах грозы?
Стабильный
Кислород больше других
элементов распространен в
земной коре. Главным обра-
зом он представлен там в виде
соединений (47 %), в основном
силикатов. В воде содержа-
ние связанного в ее молекулах
кислорода примерно равно
85,82 %.
Кислород присутствует в
составе многих органических
веществ. Он имеется во всех
живых клетках, где играет
главную роль в процессе ды-
хания. На его долю приходит-
ся 25 % всех содержащихся в
клетке атомов, а по массе он
составляет 65 %.
Газообмен в организме человека. Кислород
поступает с воздухом в легкие, затем в кровь,
эритроциты которой переносят его по всему
организму. Из организма с выдохом удаляется
углекислый газ.
©Электрон
-1 (ороита)
Стабильные изотопы кислорода.
Органы
О 8
Q 9
Q8
Стабильный
Кислород-17
Протон +1 (ядро)
Кислород-18
О 8
0 10
Q 8
Стабильный
О Нейтрон
О (ядро)
КАК МЕНЯЛОСЬ СОДЕРЖАНИЕ
КИСЛОРОДА В АТМОСФЕРЕ?
В атмосфере содержание свободного кис-
лорода составляет 20,95 °<> по объему и
23,10 % по массе. Но так было не всегда.
В древней атмосфере кислорода практиче-
ски не было, только небольшие следы. Кис-
лород в процессе фотосинтеза начали син-
тезировать цианобактерии 2,7—2,8 млрд
лет назад. При фотосинтезе растения по-
глощают углекислый газ и выделяют кисло-
род. Сначала кислород окислял горные по-
роды, другие соединения и атмосферные
газы. И только потом он стал накапливать-
ся в атмосфере в свободном виде. Пример-
но 1,7 млрд лет назад кислорода в атмосфе-
ре было в 10 раз меньше, чем сейчас, а затем
его содержание увеличилось. Такое увели-
чение содержания кислорода в атмосфе-
ре называют кислородной катастрофой.
Анаэробные организмы, не нуждавшиеся
в кислороде, стали вымирать. Однако при
этом широко размножились аэробные ор-
ганизмы, кот орые дышат кислородом.
Сегодня большую
часть кислорода
Земли вырабатывает
фитопланктон
Мирового океана.
Неметаллы 103
ВОПРОС 17
Почему увеличение концентрации кисло-
рода в атмосфере назвали катастрофой?
В настоящее время в промышленности кис-
лород получают из воздуха. В лабораторных
условиях немного кислорода можно получить,
нагревая перманганат калия KMnOt:
2КМпО, — К2МпО4 + МпО2 + О2Т-
ВОПРОС 18
Какую роль диоксид марганца играет в
лабораторном получении кислорода?
Один из способов лабораторного получения
кислорода. Хлорат калия (бертолетова соль)
КСЮ, разлагается с образованием КО и О2.
Оксид марганца (IV) МпО2 выступает как
катализатор.
ВОПРОС 19
Где применяют углекис-
лый газ для получения
кислорода?
На Международной космической станции (МКС) кислород
обычно получают при помощи реакции между пероксидом
натрия и углекислым газом, который выдыхают люди.
Сам кислород обладает слабой растворимостью в воде и
спирте, вступает в реакцию со всеми простыми вещесгвами, за
Кислород используется в ка-
честве пищевой добавки Е948
(как упаковочный газ и пропел-
лент).
Этот элемент применяется
также в химических синтезах в
промышленности.
Широко используется кис-
лород в медицине: как компо-
нент дыхательных газовых сме-
сей, для легочной вентиляции,
в процедурах по улучшению
обменных процессов. Лечение
кислородом полезно при сер-
дечно-сосудистых и других за-
болеваниях.
исключением инертных газов и золота.
Применяется кислород при производстве
стали, сварке и резке металлов, в качестве окис-
лителя для ракетного топлива. Один из самых
мощных окислителей ракетного топлива —
смесь жидкого озона и кислорода.
Кислородные маски применяют
для предотвращения кислородной
недостаточности и в медицине, и в авиации.
104 Неметаллы
Природа горения
Вначале XVIII в. процессы горения толко-
вали следующим образом. Считалось,
что в горючих веществах якобы содер-
жится горючая субстанция — флогистон. При
горении флогистон высвобождается. Металлы
состоят из «земли» — оксида металла и флоги-
стона. Правда, при прокаливании металла его
масса увеличивается. Но это объясняли тем, что
флогистон имеет отрицательную массу.
ВОПРОС 20
Как сторонники теории флогистона объ-
ясняли увеличение массы металла при
прокаливании?
Разделение оксида ртути
на кислород и ртуть
путем нагревания.
Отказу от теории флогис-
тона способствовало открытие
кислорода. Сегодня считают,
что кислород открыл англий-
ский химик Джозеф Пристли
1 августа 1774 г. Он разложил
оксид ртути в герметично за-
крытом сосуде, с помощью
сильной линзы направляя на
него солнечные лучи.
Чтобы получить кислород, Пристли
использовал линзу большого увеличения для
нагревания оксида ртути в закрытом сосуде.
За несколько лет до Пристли, в 1771 г., кис-
лород удалось получить шведскому химику
Карлу Шееле. Он применил прокаливание се-
литры с серной кислотой, получил в результате
оксид азота и разложил. Этот газ Шееле назвал
огненным воздухом и описал в книге, которая
была издана в 1777 г. А поскольку Пристли со-
общил о своем открытии раньше, ему и отдан
приоритет.
Памятник шведскому химику Карлу Вильгельму
Шееле (1742—1786) в Стокгольме.
И Пристли, и Шееле сообщили о своих от-
крытиях Антуану Лорану Лавуазье, выдающе-
муся французскому химику. В 1775 г. Лавуазье
доказал, что кислород представляет собой со-
ставную часть воздуха, кислот и многих других
веществ.
Антуан Лоран
Лавуазье (1743—
1794), французский
химик, автор многих
открытий и создатель
новой химической
номенклатуры. Был
казнен во время
Великой французской
революции за участие
в Генеральном
откупе.
Неметаллы 105
Лавуазье сжигал различные вещества, взвешивая их до и по-
сле эксперимента. Вес золы был больше первоначального веса
вещества. Лавуазье доказал, что при горении происходит хими-
ческая реакция, то есть окисление элемента, масса полученного
вещества увеличивается именно за счет окислителя — кислоро-
да, а вовсе не по надуманной причине — якобы отрицательной
массе несуществующего флогистона.
ВОПРОС 21
Как Лавуазье объяснил уве-
личение массы веществ по-
сле горения?
ЦВЕТ ОГНЯ
Горение представляет собой окисление с
выделением тепла и, очень часто, света. При
этом выделяются раскаленные газы, кото-
рые мы видим как огонь. Для появления
огня нужны горючие материалы, которые
нагреваются до определенной точки, и соб-
ственно химическая реакция окисления.
Цвет огня зависит от того, из каких атомов
или ионов состоит сгораемое вещество. Са-
мый привычный цвет оранжевый, его дает
древесина. Голубым цветом горит природ-
ный газ, состоящий из углеводородов, и этот
огонь наблюдают каждый день все, у кого
дома есть газовая плита. Жел тым цветом го-
рят соли натрия, а зеленым — медь, молиб-
ден, фосфор и некоторые другие вещества.
Калий горит фиолетово-розовым цветом.
Но все это один и тот же химический про-
цесс — окисление.
Цвет пламени (слева направо) цинка, калия,
стронция, натрия и меди.
По цвету пламени можно определить, какое
вещество в нем сгорает .
106 Неметаллы
Соединение двух неметаллов,
без которого невозможна жизнь
Рассказывая о неметаллах, особенно о кис-
лороде и водороде, нельзя не вспомнить
об особом их соединении — воде — од-
ном из самых распространенных веществ на на-
шей планете (составляет 0,05 % ее массы). Без
воды жизнь на Земле была бы невозможна.
Молекула воды состоит из атома кислорода
и двух атомов водорода, которые объединены
ковалентной связью.
Вода в твердом состоянии — лед, а в газо-
образном — пар. Она хорошо растворяет по-
лярные вещества, то есть заряженные и поло-
жительно, и отрицательно. Каждая молекула
такого вещества окружается множеством не-
больших молекул воды. Атомы кислорода при-
тягиваются положительно заряженными участ-
ками этого вещества, а атомы водорода — отри-
цательно заряженными. В живых организмах
это свойство активно используется. Растворы
различных веществ в воде вступают между со-
бой во взаимодействие и реагируют.
Вода является основой жизни на Земле. Она
передает тепло, растворяет и переносит колос-
сальные массы химических веществ и элемен-
тов, разрушает и перераспределяет горные по-
ВОПРОС22
За счет чего вода является хорошим рас-
творителем полярных веществ?
ГИДРОСФЕРА
Гидросфера — это водная оболочка Зем-
ли. Большую ее часть составляют воды
Мирового океана — 94,6 "о. На воды суши
(поверхностные и подземные) приходит-
ся менее 6 % всей воды. В состав гидросфе-
ры включаются пары воды в атмосфере,
но доля их мала — всего 0,001 %.
Неметаллы 107
роды, образует формы рельефа, создает осадочные гор-
ные породы и полезные ископаемые, участвует в ряде
метеорологических (осадки, туманы, облака) и гидро-
логических (течения горизонтальные и вертикальные,
волнение, давление, перемещение русел рек, создание
водоемов и др.) процессов, является средой жизни для
множества организмов.
ВОПРОС 23
Сколько воды в день нужно человеку?
РОЛЬ ВОДЫ В ОРГАНИЗМЕ
Человек сможет прожить без воды
всего несколько суток. Для нор-
мальной работы всех систем ему не-
обходимо как минимум 1,5 л воды
в день. Вода доставляет в клетки
организма питательные вещества
и выводит отходы жизнедеятель-
ности. Кроме того, она участвует в
процессах терморегуляции (пото-
отделения) и дыхания.
КРУГОВОРОТ ВОДЫ В ПРИРОДЕ
Вода постоянно совершает круговорот меж-
ду морями, атмосферой и сушей, создавая
условия, в которых может существовать и
развиваться жизнь.
Под лучами солнца вода испаряется и под-
нимается в воздух. Там капельки воды соби-
раются в облака и тучи. Они выпадают на
землю дождем, снегом или i радом, которые
снова превращаются в воду. Вода впитыва-
ется в землю, возвращается в моря, реки и
озера. И все начинается сначала. Так проис-
ходит круговорот воды в природе.
Большая часть пара образуется над Миро-
вым океаном. Вода в нем соленая, а та, кото-
рая испаряется с его поверхности, пресная.
Таким образом, океан — мировая фабрика
пресной воды, без которой жизнь на Земле
невозможна.
Перенос влаги
Конденсация
Испарение
Поверхностный сток
шшние
Подземный сток
Круговорот воды
в природе.
Выпадение осадков в виде дождя
или снега
108 Неметаллы
Азот
Азот — элемент 5-й груп-
пы (главной подгруп-
пы V группы) перио-
дической системы химических
элементов Д. И. Менделеева.
Его атомный номер — 7. Обо-
значается символом N (от ла-
тинского nitrogenium, то есть
«рождающий селитру»; се-
литрой называли некоторые
соли азотной кислоты.
Молекулярный азот пред-
ставляет собой молекулу из
двух атомов N2, соединенных
тройной связью.
ВОПРОС 24
Почему азот по-латыни
называется nitrogenium?
Молекула азота состоит
из двух атомов.
Молекула азота является
неполярной, поляризуется она
слабо, поэтому молекулы его
тоже слабо взаимодействуют
между собой. Вот почему азот
в нормальных условиях — газ.
Цвета, вкуса и запаха он не
имеет. Температура его плав-
ления ----209,86 °C. При тем-
пературе ниже этого значения
азот твердый. Он похож на снег
или представляет собой боль-
шие белоснежные кристаллы.
Температура его кипения со-
ставляет -195,8 °C. Ниже этой
температуры азотбесцветная
жидкость, похожая на воду. И
твердый, и жидкий азот, взаи-
модействуя с воздухом, погдо-
щаюз из него кислород.
Азот в 1772 г. открыли Ген-
ри Кавендиш, Джозеф Прист-
ли, Даниель Резерфорд, одна-
ко они были сторонниками те-
ории флогистона и не смогли
понять, что выделили простое
вещество. Название «азот», то
есть «безжизненный», предло-
жил Антуан Лавуазье для сво-
ей номенклатуры, потому что
этот элемент не поддерживает
ни горения, ни дыхания. Позд-
нее оказалось, что азот жизнен-
но необходим всем организ-
мам, но название сохранилось.
Существует также версия, что
слово это применялось еще
в Средние века и обозначало
первичную материю металлов.
Азот является одним из
самых распространенных эле-
ментов нашей планеты. Содер-
жание его в воздухе — 78,09 %
ВОПРОС 25
Почему азот в нормаль-
ных условиях — газ?
Приготовление мороженого
с помощью жидкого азота.
от объема, таким образом,
азот — главный компонент
атмосферы. На суше он и его
соединения составляют 75,6 %
по массе. Он необходим всем
живым организмам, так как
входит в состав нуклеиновых
кислот и белков.
Иногда при разложении
органики образуются полез-
ные ископаемые, которые со-
держат азот. Одно из таких
ископаемых — чилийская се-
литра, в состав которой входят
нитрат натрия NaNO3 и при-
меси других соединений.
ВОПРОС 26
Почему азот необходим
для живых организмов?
Неметаллы 109
АЗОТ В КОСМОСЕ
Азота немало и вне Земли. В Солнечной си-
стеме этот элемент по распространенности
находится на четвергом месте после водо-
рода, гелия и кислорода. Его обнаружили в
атмосферах спутника Сатурна Титана, спут-
ника Нептуна Тритона и карликовой плане-
ты Плутона.
Атом азота.
Атомная масса: 14,007 а. е. м.
Электронная конфигурация: 2,5
Стабильный
У природного азота имеются два
стабильных изотопа — 14 и 15.
Изотоп-16 радиоактивный.
& Электрон -1 <орбита)
Протон +1 (ядро) Q Нейтрон 0 (ядро)
110 Неметаллы
КРУГОВОРОТ АЗОТА
Круговорот азота представ-
ляет собой ряд замкнутых
взаимосвязанных путей, по
которым он циркулиру-
ет в земной биосфере. При
гниении органических ве-
ществ значительная часть
содержащегося в них азота
превращается в аммиак, ко-
торый под влиянием живу-
щих в почве бак терий окис-
ляется в азотную кислоту.
Последняя, вступая в реак-
цию с находящимися в поч-
ве карбонатами, образует
нитраты, или соли азотной
кислоты. Нитрат — основ-
ное азотистое вещество по-
чвы, используемое растени-
ями в процессе рос та.
Гниение,
или аммонификация, — это
превращение орт аттического
азота в минеральный. Азот
превращается в аммиак,
который под влиянием
живущих в почве бактерий
и плесневых трибов окисляется
в азотную кислоту.
ЖИВЫЕ ЛАБОРАТОРИИ
Усваивая атмосферный азот,
клубеньковые бактерии пе-
рерабатывают его в азо т ные
соединения, а растения, в
свою очередь, превращают
последние в белки и другие
сложные вещества. Азотфик-
сирующие бактерии обра-
зуют на корнях некоторых
растений (преимуществен-
но бобовых) клубеньки, по-
тому их и назвали клубень-
ковыми.
Азотфиксирующие бактерии
вступают в симбиоз
с бобовыми растениями.
ВОПРОС 27
Какие живые организмы
преобразуют азот в его со-
единения?
Степени окисления азота в
соединениях равны -3, -2, -1,
0, +1, +2, +3, +4, +5. В промыш-
ленности азот получают как
разложением воздуха, так и
другими методами. В лабора-
торных условиях его извлека-
ют также разложением азидов
металлов, соединением дихро-
мата калия и сульфата ам-
Неметаллы 111
СОЕДИНЕНИЯ
АЗОТА
С кислородом: NO —
оксид азота, NO, —
нитрат азота, NO, —
нитрит азота.
С водородом: NH, —
аммоний.
Л;от содержится в планктоне.
Уровень 4
Расте/1 и я исполь. /уют
нитраты для питания
Круговорот а гота
в гидросфере.
Уровень 1
Выделяется
«ЛЬМНЛК
Уровень 3
Нитратные бактерии
превращают нитрит
в нитрат
Аммиак выделяется
ил ралмкающегося
материала
Уровень 2
Нитритные
бактерии
превращают
аммиак
в нитрит а юта
мония, разложением нитрита
аммония.
Сам азот достаточно инер-
тен, поэтому при нормальных
условиях он вступает в реак-
цию только с самым активным
из металлов — литием. При
нагревании он взаимодейству-
ет с некоторыми другими ме-
таллами и неметаллами. При
этом образуются нитриды.
ВОПРОС 28
С каким металлом азот ре-
агирует при нормальных
условиях?
112 Неметаллы
Азот применяется чрезвы-
чайно широко. Из соединений
азота самое большое практи-
ческое значение имеет нитрид
водорода, или аммиак, NHy
который получают при помо-
щи реакции водорода с азо-
том. Производство аммиака
в мире составляет 150 млн т в
год. Главным образом он ис-
пользуется для производства
азотных удобрений — нитрата
и сульфата аммония, мочеви-
ны, а также для получения по-
лимеров, взрывчатых веществ,
соды, азотной кислоты и дру-
гих продуктов.
Несмотря на то что нитра-
ты, то есть соли азотной кис-
лоты, используются как удо-
брения, это приводит к про-
блемам. Избыток нитратов в
пище вреден, и потому их со-
держание тщательно отслежи-
вается.
Анализ содержания нитратов в различных средах.
ВОПРОС 29
Какое из соединений азо-
та имеет самое большое
значение?
ВОПРОС 30
Какие удобрения произ-
водят из аммиака?
Жидки и азот используется в
качестве хладагента, при крио-
терапии (лечении холодом).
С его помощью также проду-
вают трубопроводы, создают
в шахтах среду, безопасную от
взрывов, синтезируют разно-
образные соединения. Он яв-
ляется пищевой добавкой Е941
(в качестве газовой среды для
упаковки и хранения продук-
тов). Жидкий азот также при-
меняется при разливе масел
и негазированных напитков,
чтобы создать в мягкой таре
избыточное давление и инерт-
ную среду.
В биологии и медицине жидкий азот используется для хранения
клеточных культур и других биологических объектов.
Действительно, применение
азота поистине всеобъемлюще,
и для жизни он более чем необ-
ходим во всех своих видах.
Неметаллы 113
ЭФФЕКТЫ ЗАМОРОЗКИ
В кино нередко показывают возможности
жидкого азота как вещества, с помощью ко-
торого можно мгновенно заморозить круп-
ные объекты. Однако это далеко не так.
У азота низкая теплоемкость, и для замора-
живания требуется время. Именно поэтому
невозможно заморозить в жидком азоте жи-
вое существо, чтобы потом благополучно
разморозить. Заморозка получится слишком
неравномерной, и внутренние opianbi и тка-
ни будут повреждены.
Углерод
Углерод — химический
элемент 14-й группы
(главной подгруппы IV
группы) периодической систе-
мы химических элементов. Его
атомный номер — 6. Обознача-
ется символом С (от латинско-
го carboneum). Углерод входит
в состав органических веществ
и, соответственно, живых ор-
ганизмов. Однако в атмосфере
и гидросфере он содержится в
виде углекислого газа СОГ
Атом углерода.
Атомная масса: 12,011 а. е. м.
Электронная конфигурация: 2, 4
Свободный углерод был
получен в 1791 г. английским
химиком Смитсоном Теннан-
том, который пропускал пары
фосфора над прокаленным
мелом. В результате этой ре-
акции образовались углерод и
фосфат кальция.
У кристаллического угле-
рода существует множество ал-
лотропных модификаций, са-
мые известные из которых —
алмаз и графит; надо упомя-
нуть еще и фуллерен, графен,
нанотрубки. Существует так-
же аморфньш углерод в виде
угля и сажи.
У природного углерода име-
ются два стабильных изотопа —
12 и 13. На образовании и рас-
паде радиоактивного изотопа
14С основан метод радиоугле-
родного датирования.
Антрацит- — лучший из сортов
каменного угля.
ВОПРОС 31
В виде какого соединения
углерод содержится в ат-
мосфере и гидросфере?
ВОПРОС 32
Какой углерод используется для датировки археологиче-
ских находок, старинных предметов, остатков древних
животных и растений?
114 Неметаллы
КРУГОВОРОТ УГЛЕРОДА
Углерод входит в состав живых организмов,
а также содержится в океане, атмосфере и
земной коре. Растения поглощают углерод
из атмосферы путем фотосинтеза. Живот-
ные поедают растения, передавая углерод
вверх по пищевой цепи. Когда растения и
животные умирают, они передают углерод
обратно земле.
На поверхности океана двуокись углерода
из атмосферы растворяется в воде. Фито-
планктон поглощает ее для фотосинтеза.
Животные, поедающие планктон, выдыха-
ют углерод в атмосферу и передают дальше
по пищевой цепи. После гибели фитоплан-
ктона он может перерабатываться в поверх-
ностных водах или оседать на дно океана.
Холодные течения переносят углерод к по-
верхности. При нагревании воды углерод
освобождается в виде газа и попадает в ат-
мосферу, продолжая цикл.
В процессе горения
древесины или
природного
топлива углерод
высвобождается
и возвращается
в атмосферу.
Из воздуха растения
получают молекулы
углекислого газа,
затем при помощи
солнечного свега
и воды углерод
превращается
в различные
соединения.
Неметаллы 115
УГЛЕКИСЛОТА В АТМОСФЕРЕ
Концентрация углекислого гам в атмосфере менялась
всегда, и до появления человека гоже. Однако в XIX в. в
связи с бурным развитием промышленности, которая
стала использовать каменный уголь как основной вид то-
плива, и быс трым ростом городов началось интенсивное
загрязнение воздуха. В наши дни атмосферу в основном
загрязняют окись углерода и углекислый газ. Для того
чтобы уменьшить их содержание в атмосфере, необхо-
димо высаживать леса и совершенствовать двигатели.
Выхлопные газы являются
продуктами окисления и неполного
сгорания углеводородного топлива.
В большинстве соединений углерода,
главным образом в углеводородах, связь
ковалентная. Простые двойные и трой-
ные связи атомов углерода между со-
бой прочны. Из этих атомов образуют-
ся устойчивые цепи и циклы, и потому
существует множество углеродсодержа-
щих соединений, которые изучает орга-
ническая химия.
Углерод проявляет степени окисле-
ния +4 (в СО2), -4 (в CHJ, реже — +2 (в
СО и карбонилах металлов), +3 (в C2N2).
Сгорая в кислороде, углерод дает угар-
ный газ СО и углекислый газ СО,. При
реакции последнего с водой получает-
ся слабая угольная кислота Н2СО3. Она
образует соли — карбонаты. Наиболее
распространенными на Земле являются
карбонаты кальция (мел, мрамор, из-
вестняк) и магния (например, доломит).
ВОПРОС 33
Какие минералы содержат соли
угольной кислоты?
Углерод при нормальных темпера-
турах химически инертен, однако если
температуру повысить, он проявляет
себя как сильный восстанови тель. Актив-
нее всего аморфный углерод, менее ак-
тивен графит, и на последнем месте по
активности стоит алмаз.
ВОПРОС 34
В каких видах топлива содержится
углерод?
Доломитовые Альпы — горный массив в Восточных
Альпах, назван так по характерной для них горной
породе. И горы, и порода получили свои наименования
в честь французского геолога Деода де Доломье,
который их исследовал.
КАМЕННОУГОЛЬНЫЙ ПЕРИОД
Каменноугольный период, или карбон, начался
примерно .159 млн лет назад, а закончился около
299 млн лет назад. В го время па Земле царили
гигантские древовидные папоротники, хвощи и
плауны. Из остатков этой растительности обра-
зовался каменный уголь.
В каменноугольный период часть углерода была
на время выведена и з кругооборота. Однако сего-
дня добыча и использованиеyi ля приводят к тому,
что углерод, содержащийся в каменном угле, сно-
ва попадает в атмосферу, участвуя в кру-
говороте. При л ом накапливается СО,.
Нефть и газ также содержат углеро-
дистые соединения, их переработка
и сжигание тоже возвращают угле-
род в оборот.
Остатки папоротника
каменноугольного периода в виде
окаменелости. Из гаких растений
образовались залежи каменного угля.
116 Неметаллы
Использование графитовых
электродов позволяет
сваривать заготовки из любых
металлов и сплавов.
Графит применяется при
производстве карандашей, как
смазка при низких и высоких
температурах. Высокая элек-
тропроводность позволяет из-
готавливать из него электро-
ды, а высокая температура
плавления — тигли для залив-
ки металлов.
Исключительная твердость
алмаза позволяет использо-
вать его в качестве незамени-
мого абразивного материала.
У шлифовальных насадок бор-
машин есть алмазные насадки.
Алмаз считается драгоценным
камнем.
Этим польза углерода не
исчерпывается. Например, ак-
тивированный уголь (карбо-
лен) применяется при отрав-
лениях для выведения токси-
нов из организма. И, разуме-
ется, углерод — неотъемлемая
составляющая стали и чугуна.
Фосфор
Фосфор — химический
элемент 15-й группы
(или главной подгруп-
пы V группы) периодической
системы химических элемен-
тов Д. И. Менделеева. Его атом-
ный номер — 15. Обозначается
символом Р (от латинского
phosphorus, то есть «светонос-
ный»).
В земной коре фосфор со-
ставляет 0,08 —0,09 % массы, то
есть достаточно распростра-
нен. При этом он химически
активен и встречается только
в виде соединений. Известно
примерно 190 минералов, важ-
А том фосфора.
Атомная масса: 30,973 а. е. м.
Электронная конфигурация: 2, 8, 5
нейшими из которых являют-
ся апатит Ca5(PO4)3(F, ОН, О) и
фосфориты, принадлежащие
к группе апатитов, куда кроме
фосфатов кальция входят фос-
форный ангидрид Р4О10 и дру-
гие соединения.
Фосфор открыл гамбург-
ский купец Хеннинг Бранд в
1669 г. Разорившись, он занял-
ся алхимией, пытался полу-
чить золото и проводил опыты
с человеческой мочой. Купец
думал, что она обладает зо-
лотистым цветом, поскольку
содержит золото. Выпаривая
мочу, он получил белое, по-
хожее на воск вещество, кото-
рое светилось в темноте. Бранд
дал этому веществу название
phosphorus mirabilis, что в пе-
реводе с латинского означает
«чудотворный носитель све-
Неметаллы 117
Продукты, содержащие фосфор.
та». Это событие интересно
тем, что фосфор оказался пер-
вым элементом, чье открытие
точно датировано.
В наши дни фосфор полу-
чают из апатитов и фосфори-
тов, которые вступают в реак-
цию с коксом и кремнеземом
при температуре примерно
1600 °C:
2Са,(РО4)2 + ЮС + 6SiO2 ->
-» Р4 + 10СО + 6CaSiO3.
Фосфор взаимодействует с
водой, щелочами, кислоро-
дом, вступает в реакцию с не-
металлами. Со многими неме-
таллами он взаимодействует
как окислитель, с некоторыми
металлами — как восстано-
витель. При этом образуют-
ся фосфиды. Вода и кислоты
разлагают фосфиды, при этом
получаются фосфины. Воздей-
Апатит.
ВОПРОС 35
Встречается ли фосфор
в свободном виде?
Фосфорит.
ВОПРОС 36
Из каких минералов полу-
чают фосфор?
ствие сильных окислителей
превращает фосфор в фосфор-
ную кислоту:
ЗР + 5HNO3 + 2НЭО-ЗН,РО4+
+ 5NO.
Молекула фосфорной кислоты.
118 Неметаллы
ВОПРОС 37
С чем фосфор реагирует
как окислитель, а с чем —
как восстановитель?
У элементарного фосфо-
ра при нормальных условиях
имеется несколько аллотро-
пических модификаций с раз-
ной температурой плавления.
Сегодня принято различать
четыре такие модификации:
белый, красный, черный и
металлический фосфор, при-
чем самый активный и ядови-
тый — белый, а самый неак-
тивный — черный. Ядовитость
фосфора в прошлом позволя-
ла использовать его для произ-
водства отравляющих веществ.
Белый фосфор горит даже под
водой. Кислородом воздуха
он окисляется при комнатной
температуре и светится блед-
но-зеленым светом — это яв-
ление называется хемилюми-
несценцией (название «фосфо-
ресценция» неверное). Жел-
тым фосфором называют не-
очищенный белый, он также
очень ядовит. Его горение со-
провождается ярко-зеленым
пламенем, при этом выде-
ляется густой белый дым —
мелкие частички декаоксида
тетрафосфора Р4О|0. Красный
фосфор образуется из белою
при нагревании, воздействии
света и ионизирующего излу-
чения. Это сложный полимер
с формулой Р . Несмотря на
название, у него встречаются
оттенки от пурпурно-красно-
го до фиолетового. Намного
менее активен, чем белый, рас-
творяется только в расплав-
ленных свинце и висмуте. При
нагревании красный фосфор
испаряется, при охлаждении
пара превращается главным
образом в белый фосфор.
ФОСФОР и спички
Ядовитость красного фосфора в тысячи раз меньше, чем
белого, поэтому его используют широко. Так, красный
фосфор применяется при производстве спичек, точнее,
спичечных коробков. Терочная поверхность коробка
как раз покрыта составом, созданным на основе красного
фосфора. Воспламенение происходит, когда спичечной
головкой, в состав которой входя т хлорат кальция и сера,
трут о боковую поверхность коробка.
При сжигании спичек
фосфор окисляется,
и окислителем
является бертолетова
соль — хлорат
кальция:
6Р + 5КС1О, — 5KCI +
* ЗР:Ог
Черный фосфор — самая
стабильная и химически неак-
тивная форма. Он не растворя-
ется ни в воде, ни в органиче-
ских раствори гелях, но горит
в кислороде при температуре
400 °C. Он похож на графит
и тоже проводит электриче-
ский ток.
В живых организмах роль
фосфора очень велика. Он вхо-
дит в состав нуклеотидов, ну-
клеиновых кислот, различных ферментов и, что очень важно, в
состав АТФ — аденозшггрифосфорной кислоты, отвечающей за
производство энергии.
Из соединения фосфора — гидроксила патита ЗСа3(РО4)3 X
х Са(ОН)2 состоят кост и. Фторапатит Ca10(PO4)6(F)2 входит в со-
став зубной эмали. Фосфорный обмен регулируют гормоны и
витамин D.
ВОПРОС 38
Какой фосфор более ак-
тивный и ядовитый —
красный или белый?
ВОПРОС 39
Какая реакция происхо-
дит при сжигании спи-
чек?
Фосфор используется для производства удобрений.
Неметаллы 119
ОТВЕТЫ
1. Атомы неметаллов образуют друг с другом
и другими элементами ковалентные связи,
тогда как для металлов характерны ионные
связи.
2. Жидкостью в нормальных условиях явля-
ется бром.
3. Кислород, кремний, водород.
4. Киноварь, железный колчедан, свинцо-
вый блеск.
5. Кремний — химический элемент, а кре-
мень — это горная порода, которую образу-
ет диоксид кремния.
6. Практически ничем: кварц — это кристал-
лический кремнезем.
7. Инертные газы могут вступать в реакцию
с фтором.
8. Синим Джоном называли флюорит —
фторид кальция.
9. Это хлор, в соединении с натрием он дает
поваренную соль.
10. Водород может стать твердым при тем-
пературе ниже -259,2 °C.
11. Из водорода в основном состоят звезды.
12. Водород в смеси с воздухом образует
гремучий газ — взрывоопасную смесь. Из-
за взрыва этой смеси произошло несколько
катастроф, и воздушные шары стали запол-
нять безопасным гелием.
13. Водород взаимодействует с углеродом,
входящим в состав стали, и может ее разру-
шить.
14. С помощью водорода производится мар-
гарин.
15. Жидкий и твердый кислород имеют свет-
ло-голубой цвет.
16. Запах грозы — это запах озона.
17. При увеличении концентрации кислоро-
да в атмосфере вымерли многие неприспо-
собленные к этому организмы, для них это
было катастрофой.
18. В лабораторном получении кислорода
диоксид марганца играет роль катализа-
тора.
19. Углекислый газ для получения кислорода
применяют на космической станции.
20. Считалось, что флогистон имеет отрица-
тельную массу.
21. Лавуазье доказал, что горение — это
окисление, а масса полученного вещества
увеличивается за счет окислителя — кисло-
рода.
22. Атомы кислорода притягиваются поло-
жительно заряженными частицами веще-
ства, а атомы водорода — отрицательно за-
ряженными.
23. Человеку нужно самое меньшее 1,5 л воды
в день.
24. Это название означает «рождающий се-
литру», а селитрой называли некоторые
соли азотной кислоты.
25. Молекулы азота слабо поляризованы и
потому слабо связаны друг с другом.
26. Азот входит в состав нуклеиновых кислот
и белков.
27. Азот в его соединения преобразуется
клубеньковыми азотфиксирующими бакте-
риями.
28. При нормальных условиях азот реаги-
рует с литием — самым активным метал-
лом.
29. Самое большое значение из соединений
азота имеет аммиак.
30. Из аммиака производят мочевину, ни-
трат и сульфат аммония.
31. В атмосфере и гидросфере углерод содер-
жится в виде углекислого газа.
32. Для датировки используется радиоактив-
ный изотоп углерода “С.
33. Соли угольной кислоты содержат мел,
мрамор, известняк и доломиты.
34. Углерод содержится в нефти, газе, камен-
ном и древесном угле.
35. Фосфор встречается только в виде соеди-
нений, потому что он очень активный эле-
мент и легко вступает в реакции с другими
элементами.
36. Фосфор получают из апатитов и фос-
форитов, реагирующих с коксом и кремне-
земом.
37. Фосфор реагирует как окислитель со
многими неметаллами, а как восстанови-
тель — с некоторыми металлами.
38. Белый фосфор более активный и ядо-
витый.
39. При сжигании спичек происходит окис-
ление фосфора бертолетовой солью.
120 Органическая химия
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Что такое органические соединения?
Органические соединения — это такие вещества, которые
включают углерод. Исключение составляют угольная кис-
лота, карбонаты, карбиды, цианиды и оксиды углерода.
Помимо углерода в состав органических веществ входят водород,
кислород, азот, а также фосфор, сера, галогены и ряд металлов.
Органических соединений сегодня известно почти 27 млн.
Органические соединения встречаются в природе повсеместно.
ВОПРОС 1
Является ли угольная кис-
лота, которая состоит из
углерода, водорода и кис-
лорода, органическим со-
единением?
Таким образом, среди хи-
мических соединений органи-
ческих больше всего. Дело в
том, что углерод, обладающий
валентностью 4, способен об-
разовывать самые разные свя-
зи — не только одинарные, но
и кратные (двойные, тройные).
Атомы углерода могут соеди-
няться друг с другом и образо-
вывать длинные цепи — пря-
мые, разветвленные и замкну-
тые (циклические). Структуры,
которые создает углерод, бы-
вают линейными, плоскими и
объемными. Отсюда такое раз-
нообразие органических сое-
динений. Среди них можно
ТЕОРИЯ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ
Выдающийся русский химик А. М. Бутлеров
выдвинул теорию химического строения,
которая верна и для неорганических, и для
органических соединений.
1. Атомы в молекулах соединяются друг с
другом в определенной последовательно-
сти. Если эта последовательность изменяет-
ся, то образуется новое вещество с новыми
свойствами.
2. Соединение атомов происходит в соответ-
ствии с их валентностыо.
3. Свойства веществ зависят не только от их
состава, но и от их химического строения,
то есть от того, в каком порядке соединяют-
ся атомы в молекулах и каков характер их
взаимного влияния.
Порфирины — органические соединения,
пигмен1ы, имеющие гетероциклическую
структуру. К ним относятся такие важные
вещества, как гемоглобин и хлорофилл.
Органическая химия 121
назвать углеводороды, карбо-
новые кислоты, спирты, эфи-
ры, кетоны, альдегиды и мно-
гие другие, в том числе жиры,
белки, углеводы, нуклеиновые
кислоты, которые также назы-
вают биологическими молеку-
лами.
ВОПРОС 2
Чем вызвано большое раз-
нообразие органических
соединений?
Памятник Якобу Берцелиусу
(1779—1848) в Стокгольме.
Именно он впервые
предложил название
«органическая химия».
Для органических веществ
характерны определенные свой-
ства. Впрочем, некоторые из них
присущи и неорганическим ве-
ществам, например изомерия,
ковалентные связи, горючесть.
Изомерия уже упоминалась
выше, когда говорилось о раз-
нице между составом и струк-
КАК РОДИЛАСЬ ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ?
Шведский химик Якоб Берцелиус в 1807 г. предложил на-
звать органическими вещества, которые получают из ор-
ганизмов. Науку, которая их изучает, он назвал органиче-
ской химией. Тогда считалось, что для образования таких
веществ нужна особая жизненная сила и невозможно син-
тезировать органические вещества из неорганических.
Однако в 1829 г. ученику Берцелиуса Фридриху Вёлеру
удалось получить органическую мочевину из неоргани-
ческого цианата аммония. Тем не менее разделение ве-
ществ на неорганические и органические утвердилось.
турой. Изомеры, то есть веще-
ства одного состава, но разного
расположения атомов, особен-
но распространены среди орга-
нических веществ. Например, у
циклопропана такой же состав,
что и у пропена (C,Hfc), однако
это разные вещества.
Это лишь одна из форм
декана С1ОНП. А всего у декана
75 изомеров.
Органическим веществам присуще явление гомологии. Су-
ществуют ряды органических соединений-гомологов. Они обла-
дают похожими химическими свойствами, и формулы двух со-
седей в ряду отличаются на одинаковую группу — метиленовое
звено —СН2—. Эта группа называется гомологической разни-
Мочевина, или карбамид,
является конечным продуктом
метаболизма белков у
млекопитающих и некоторых
рыб. Это первое органическое
вещество, синтезированное
из неорганического. В наше
время она применяется как
удобрение.
ВОПРОС3
Какое органическое соеди-
нение первым синтезиро-
вали из неорганического?
ВОПРОС 4
Какие связи характерны
для органических соеди-
нений?
122 Органическая химия
цей. Самый простой пример гомологического
ряда — предельные углеводороды алканы. Это
метан СН4, этан С2Н^ пропан С,НЯ, бутан С4Н10,
пентан С5Н12, гексан С6Н14, гептан С7Н16 и др.
Формулу любого гомолога можно получить,
прибавив к формуле предыдущего соединения
гомологическую разность. Для всех членов го-
мологического ряда существует общая форму-
ла CqH: i 2, где п — число атомов углерода.
ВОПРОС 5
Что такое гомологический ряд?
ВОПРОС 6
Как записывается формула октана — ве-
щества, следующего в гомологическом
ряду алканов сразу после гептана С7Н16?
МЕТАН ИЗ БОЛОТА
Иногда со дна стоячих водоемов выделяет-
ся газ с неприятным запахом. Это болотный
газ, который образуется из-за гниения ила
или других органических веществ. Большую
часть болотного газа составляет метан —
простейший углеводород. В нем также
имеются примеси углекислого газа и азота.
Впервые метан из болотного газа выделил
итальянский ученый Алессандро Вольта в
1779 г.
Кроме того, среди органических соедине-
ний различают насыщенные, или предельные,
и ненасыщенные, или непредельные. В насы-
щенных соединениях атомы углерода связаны
друг с другом и другими атомами одинарными
ковалентными связями, каку этана С2Н6. В нена-
сыщенных атомы соединены так называемыми
кратными, то есть двойными или тройными,
связями. При этом получаются открытые цепи
(алифатические соединения) или циклы (али-
циклические и ароматические соединения).
Непредельные соединения — это, например,
бензол, циклогексан, ацетилен, олефины. Для
таких соединений характерна высокая химиче-
ская активность, в отличие от насыщенных, ко-
торые более инертны.
Органическая химия 123
ВОПРОС 7
Каково основное отличие на-
сыщенных углеводородов от
ненасыщенных?
В карбидной лампе
источником свел а служит
горящий ацетилен С2Н2.
Сам ацетилен образуется
в результате реакции между
карбидом кальция СаС2
и водой. В прошлом карбидные
лампы использовались часто,
в том числе в шахтах. Сейчас
их применяют там, где
нужен мощный автономный
источник света, например
в спелеологии.
Органические вещества клас-
сифицируются и называются со-
гласно определенной системе —
номенклатуре. Сегодня приме-
няется номенклатура ИЮПАК.
Органические соединения клас-
сифицируются на основании
строения их углеродного ске-
лета и функциональных групп.
Этим же в первом приближе-
нии определяются их физиче-
ские и химические свойства.
Углеродный скелет — это после-
довагелытосгь химически свя-
занных между собой атомов
углерода, которая составляет
основу молекулы.
Структура бензола может отображаться в виде скелетной
формулы.
Существуют ациклические
(без циклов), циклические и
гетероциклические углеродные
скелеты. В гетероциклическом
скелете в углеродном цикле
имеется один или несколько
неуглеродных атомов. Отдель-
ные атомы углерода в углерод-
ном скелете классифициру-
ются по числу других атомов
углерода, связанных с ними
химически. Если конкретный
атом углерода связан с одним
таким же атомом, он называет-
ся первичным, если с двумя, то
вторичттым и г. д.
Благодаря этому создается
еще один вид формул кроме
уже известных вам. Это скелет-
ные формулы, в которых угле-
род не указывается. Считается,
что в каждом углу геометриче-
ской фигуры содержится один
атом углерода. Не указывается
и водород, и если в углу сходят-
ся меньше четырех линий, то
все остальные связи образованы
водородом. Те формулы бензо-
ла, где чередуются одинарные
и двойные связи, принято на-
зывать формулами Кекуле в
честь немецкого ученого, пред-
дожившего их. Есть еще один
способ обозначения скелетных
формул, когда вместо двойных
связей изображается кружок.
ВОПРОС 8
На чем основана класси-
фикация органических со-
единений?
Ученые постоянно исследуют
влияние различных
органических соединений на
рост растений.
Памятник выдающемуся
немецкому хи.мику-органику
Фридриху Августу Кекуле
(1829-1896) в Бонне.
124 Органическая химия
Функциональная группа — это группа ато-
мов, не входящая в углеродный скелет, которая
во многом определяет физические и химиче-
ские свойства органической молекулы. По ст ар-
шей функциональной группе органическое
соединение относят к тому или иному классу:
например вещества, содержащие аминогруппу,
называются аминами, амидогруппу — амида-
ми, карбоксильную — кислотами, гидроксиль-
ную — спиртами.
Функциональные группы, входящие в со-
став различных молекул, в одной и той же хи-
мической реакции в большинстве своем ведут
себя одинаково.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ,
СОДЕРЖАЩИЕ АТОМЫ КИСЛОРОДА
гидроксильная -ОН;
карбонильная >С=О;
карбоксил ы iaя -COO Н;
алкоксидьная -OR (типа -ОСН,) и др.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ,
СОДЕРЖАЩИЕ АТОМЫ АЗОТА
аминогруппа -NH^-
нитрогруппа -NO,;
нитрозогруппа -NO;
нитрильная (цианогруппа) -CN;
гидразинная -NHNH,;
амидная -CONH,.
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ГРУППЫ,
СОДЕРЖАЩИЕ АТОМ СЕРЫ
тиольная (сульфгидрильная, меркапто-
группа) -SH;
сульфидная >S;
дисул ьфидна я -S-S-;
сульфоксидная >S=O;
сульфонпая >SO,.
НЕКОТОРЫЕ КЛАССЫ
КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
• альдегиды RCHO;
• кетоны RCOR;
• карбоновые кислоты RCOOH;
• ангидриды карбоновых кислот (RCO),O.
Толуол впервые получили из сосновой смолы, но во
второй раз его выделили из бальзама, который
был привезен из колумбийского города Толу. Так
у этой ядовитой жидкости с характерным запахом
появилось название «толуол» («толуанский бальзам»).
Буква R в некоторых формулах органиче-
ских соединений обозначает радикал. Органи-
ческий радикал — это остаток молекулы, отку-
да удален один или более атомов водорода. Это
оставляет свободной одну или более валентно-
стей. Удаленные атомы водорода заменяются
функциональными группами. Например, кар-
боновые кислоты записываются в этом случае
как R—СООН, а спирты — как R—ОН. Назва-
ние радикала заканчивается на -ил. Например,
радикал метана СН4 выглядит как СНл — и на-
зывается метилом. Правда, радикал С6Н5—, об-
разованный из бензола, называется фенилом,
а не бензилом. Бензилом называют радикал
С6Н5СН2—, образованный из толуола (другое
название — метилбензол).
Толуол, или метилбензол, используют
для производства растворителей, взрывчатых
веществ, красителей, лекарств.
ВОПРОС 9
Что из себя представляет органический
радикал?
Органическая химия 125
Название органического соединения согласно правилам
ИЮПАК сгроится так: название главной цепи, в котором зашиф-
ровано число атомов углерода, образует корень слова, а названия
функциональных групп используются в качестве приставок или
суффиксов. Нумерацию атомов углерода в главной цепи начи-
нают с того ее конца, ближе к которому расположена старшая
группа. Если таких вариантов оказывается несколько, то нумера-
цию проводят таким образом, чтобы либо кратная связь, либо
другой заместитель, имеющийся в молекуле, получили наимень-
ший номер.
Например, возьмем соединение
5 4 3 2 1
СН2 = СН-СН,-СН- СН,
ОН
Здесь пять атомов углерода в одной цепи, значит, корнем бу-
дет -пент-, суффикс -ен указывает на наличие кратной (в данном
случае двойной) связи. Старшая группа гидроксильная, а это
означает суффикс -ол. Положения двойной связи и гидроксиль-
ной группы обозначаются цифрами. Значит, данное соединение
запишем как пентен-4-ол-2. Разумеется, у многих веществ есть
и тривиальные названия, отличные от номенклатурных. Напри-
мер, молочная кислота (лактат) — это тривиальное название, а по
номенклатуре она называется 2-гидроксипропановой кислотой.
ВОПРОС 10
Чьим радикалом является
бензил?
Раньше жидкост и для снятия
лака представляли собой
разбавленный ацетон —
простейший из насыщенных
кетонов СН}—С(О)—СНГ
Другие его названия —
диметилкетон, пропанон-2. Но
теперь его нередко заменяют
другими веществами,
потому что ацетон может
плохо действовать на ногти:
он слишком сильный
растворитель.
ПОЛИМЕРЫ
Многие органические вещества являются
полимерами, или высокомолекулярными
соединениями. Их структура обычно содер-
жи! многочисленные сегменты, то есть сое-
динения меньшего размера. Они могут быть
идентичны или же просто сходны. Полиме-
ры представляют собой макромолекулы, ко-
торые имеют очень большие размеры и мас-
су. Органические полимеры — это, напри-
мер, полиэтилен, полипропилен, созданные
искусственно, или же целлюлоза и крахмал,
существующие в природе.
Формулы полил плена.
Полиэтилен — полимер углеводорода этилена,
применяется не только для изготовления
пленок и бутылок, но и в бронежилетах.
ВОПРОС 11
Сравните два полимера — полиэтилен
и целлюлозу. Какой из них создан искус-
ственно, какой существует в природе?
126 Органическая химия
Углеводороды
Углеводороды — это органические соединения, которые
состоят только из атомов углерода и водорода, отсюда и
название. Они лежат в основе всех остальных соединений
органической химии, которые считаются их производными.
У углерода четыре валентных электрона, а у водорода — один,
и поэтому простейшим углеводородом является уже упоминав-
шийся метан СН,.
4
Нафталин — ароматический
углеводород, состоящий
из двух бензольных
колец. Его добывают
с помощью перегонки
из каменноугольной смолы.
У вечнозеленых хвойных растений иголки опадают и отрастают
постоянно. А отвечает за опадение углеводород, этилен C2HV
из которого производят полиэтилен, этиленгликоль и другие
необходимые нам вещества. В природе этилен является
фитогормоном, то есть регулирует жизнедеятельность растений.
ВОПРОС 12
Какой углеводород отве-
чает за опадение иголок у
хвойных растений?
Углеводороды, как упоми-
налось выше, бывают алифа-
тическими, или ациклически-
ми, где атомы углерода объе-
диняются в цепи — линейные
либо разветвленные (напри-
мер, этан). Их разделяют на
предельные и непредельные.
Существуют также карбоцик-
лические углеводороды. Они
бывают алициклическими, как
циклогексан, или аромати-
ческими, как бензол. Арома-
тичность не имеет прямого
отношения к запаху, правда,
первые представители этого
класса пахли приятно. Но во-
обще ароматичность — это
просто особое свойство соеди-
нений, кольца которых являют-
ся высоко стабильными.
Шариками нафталина
пересыпают шерстяную
и меховую одежду для защиты
от моли. Но не следует
забывать, что нафталин
ядовит не только для моли,
но и для человека.
ВОПРОС 13
Связано ли прямо опре-
деление «ароматический
углеводород» с запахом
соединения?
Предельными углеводоро-
дами являются алканы и ци-
клоалканы. Примеры алка-
нов — метан и его гомологи-
ческий ряд. Алканы называют
также парафинами. Не сле-
дует их путать с парафином,
похожим на воск веществом,
Органическая химия 127
САМЫЙ ДЛИННЫЙ УГЛЕВОДОРОД
Углеводородная цепь может быть очень
длинной. В 1985 г. британские химики
И. Билл и М. К. Уайтинг синтезировали
длинный углеводород — нонаконтагрик-
тан CW|,H_S,.
которое состоит из смеси алканов от октадека-
на ClhHw до пентатриоконтана С^.Н^. Парафин
в основном делают из нефти, а применяют при
изготовлении свечей, спичек, вазелина, как смаз-
ку для лыж и даже в ядерной физике, радио-
технике, электротехнике.
Циклоалканы (нафтены, цикланы, циклопа-
рафины) — циклические насыщенные углево-
дороды, входят в состав нефти.
У парафина очень высокая теплоемкость,
и поэтому его в нагретом виде используют
для лечения теплом разных заболеваний,
а также для улучшения состояния кожи. Тепло
в парафиновой ванночке в данном случае улучает
обмен веществ и способствует заживлению.
ВОПРОС 14
Какие соединения входят в состав нефти?
Непредельные углеводороды образуют не-
сколько гомологических рядов. Алкены, или
ряд этилена, имеют общую формулу СпН,я и
двойную связь. Простейшим алкеном является
этилен С2Н4. Названия алкенов образуют от на-
званий соответствующих алканов, заменяя суф-
фикс -ан на -ен.
Алкины представляют собой ряд ацетилена,
имеют тройную связь и общую формулу СпН2п2.
Простейший алкин — ацетилен С,Н,.
Алкадиены, или диеновые углеводороды,
имеют две двойные связи и общую формулу
СИ, ..
п 2п-2
Битум — смесь углеводородов и их
производных, содержащих азот, кислород, серу
и металлы. И природные, и искусственные
битумы получают главным образом из нефти.
Из них делают асфальт, кровельные материалы
и многое другое.
ВОПРОС 15
Из чего делают асфальт?
Арены, или ароматические углеводороды,
имеют в своем составе бензольное кольцо.
Непредельные углеводороды активны, ре-
агируют с бромом, перманганатом калия, об-
разуют полимеры. Получают их из нефти при
особой обработке — крекинге, а также из пре-
дельных углеводородов, например этилен — из
этана, бутадиен — из бугана. Их использование
в промышленности и быту широко, к примеру
при производстве пластмасс и резины.
Натуральный каучук, высокомолекулярный
углеводород представляет собой
цисполимер изопрена. Он содержится в мле'шом
соке гевеи и других каучуконосных растений.
Когда-то резину делали из натурального каучука,
теперь в основном из искусственного.
128 Органическая химия
НЕФТЬ
Нефть — важнейшее полезное ископаемое,
образовавшееся из остатков древних орга-
низмов. Она представляет собой сложную
смесь углеводородов. Есть в ней также при-
меси серы и кислорода, содержащихся в
различных соединениях. Когда-то Дмитрий
Иванович Менделеев сказал: «Нефть не то-
пливо. Топить можно и ассигнациями». Он
имел в виду, что на основе нефти можно
производить многочисленные материалы.
Из нее действительно делают и асфальт, и
пластмассы, и смазки, и моющие средства.
Однако именно топливо из нефти произво-
дят повсеместно, и это в том числе извест-
ный всем бензин.
На неф теперераба тывающих заводах нефть перегоняют,
потом подвергают другим воздействиям, в том числе крекингу
и риформингу. Перегонка разделяет нефть на фракции с
разным содержанием тяжелых и легких углеводородов —
бензин, лигроин, керосин, реактивное и дизельное топливо,
топливный мазут.
ВОПРОС 16
Почему Д. И. Менделеев срав-
нивал использование нефти как
топлива с сожжением денег?
ПАХНЕТ ЛИ ПРИРОДНЫЙ ГАЗ?
Природный газ, который используется и в
промышленности, и в газовых плитах, об-
разуется в недрах Земли при разложении
органических остатков. Неудивительно,
что он имеет много общего с болотным
газом и большую его часть составляет
знакомый нам метан, простейший угле-
водород. В состав природного газа могут
входить его гомологи, а также водород,
сероводород, диоксид углерода и другие
вещест ва. Природный газ не имеет цвета
и запаха. Но чтобы можно было опреде-
лить его утечку, к нему добавляют имею-
щие резкий неприятный запах вещества,
например этил.меркаптаи C,H,SH.
Метан взрывоопасен, поэтому ни в коем случае
нельзя допускать накопления газа в воздухе. Взрыв
может быть так силен, что разрушит несколько
квартир. Если вы учуяли запах газа, немедленно
отключите его подачу и вызовите специалистов.
Органическая химия 129
Спирты
Спирты — органические
соединения, которые со-
держат одну или несколь-
ко гидроксильных групп -ОН.
Эти группы (или группа) свя-
заны с насыщенным атомом
углерода. Общая формула спи-
ртов — R—ОН, и поэтому они
могут считаться производны-
ми воды, где вместо одного ато-
ма водорода — органический
радикал.
Спирты бывают одноатом-
ными (с одной гидроксильной
группой), двухатомными (с дву-
мя гидроксильными группами),
насыщенными и ненасыщен-
ными, ациклическими и цик-
лическими (которые содержат
бензольное кольцо), первичны-
ми, вторичными и третичными
(в зависимости от числа заме-
стителей при первом углерод-
ном атоме).
По номенклатуре ИЮПЛК,
простые спирты называются
по соответствующим алканам
с добавлением суффикса -ол.
Есть также названия по ради-
калам.
Так, гомологический ряд
простейшиходноатомныхспир-
тов: метанол (метиловый спирт)
СН3—ОН, этанол (этиловый
спирт) C,HSOH, или СН,—
СН2 —ОН, пропанол (пропило-
вый спирт) СН,—СН2—СИ,—
ОН и т. д.
ВОПРОС 17
Каковы формула и название простейшего из одноатом-
ных спиртов?
ИСТОРИЯ СПИРТА
Само слово «спирт» происходит от латинского spiritus, то
есть «дух». Его называю! также алкоголь. Это слово коре-
нится в арабском «порошок». Средневековые алхимики
стремились восстановить химические вещества до порош-
ка, который считался чистой эссенцией веществ. Л спирт
является эссенцией вина, отсюда и название. Арабские
алхимики впервые получили его из вина в VI —VII вв. В Ев-
ропе этиловый спирт получили из продуктов брожения
позже, в XI —XII вв.
Обезвоженный
этиловый
спирт впервые
получил Роберт
Бойль в 1660 г.
ВОПРОС 18
Когда и из чего впервые получили этиловый спирт?
Спирты широко распростра-
нены в природе. Всем знаком за-
пах свежей листвы. Его вызывает
так называемый спирт листьев —
(2)-гексен-3-ол-1,содержащийся в
эфирных маслах, веществах очень
сложного состава, которые произ-
водятся растениями.
Запах листьев вызван особым
спиртом, который в них
содержится.
Молекула этилового
спирта, самого известного
из спиртов. Атомы углерода
здесь обозначены черным
цветом, водорода — голубым,
кислорода — красным.
ВОПРОС 19
Чем вызван запах листьев?
130 Органическая химия
Ментол принадлежит к терпеновым спир-
там и содержится в мяте, герани и некоторых
других растениях, он является душистым веще-
ством.
В смоле хвойных деревьев содержится спирт
фенхол.
Ментол добывают из эфирного масла мяты
перечной, а также сигггезируют искусственно.
Ментол представляет собой прозрачное
кристаллическое вещество, которое легко
плавится при комнатной температуре.
ЖИЗНЬ И СМЕРТЬ ОТ ОДНОГО
ВЕЩЕСТВА
Глицерин — трехатомный спирт, фор-
мула которого — С,Н^(ОН),. Он вступает
в реакцию с азотной кислотой и образу-
ет сложный эфир — нитроглицерин. Он
используется для производства и взры-
вчатых веществ, например динамита и
бездымного пороха, и лекарства, которое
принимают при болезнях сердца. Кроме
того, на основе глицерина синтезируют-
ся липиды — источники энергии в живых
организмах.
Молекулярная
модель глицерина
к жидком состоянии.
Глицерин —
вязкая прозрачная
сладкая жидкость.
Он получил
свое название
от древнегреческого
«I ликос», то есть
«сладкий».
ВОПРОС 20
Производное какого спирта используется
и как лекарство, и как взрывчатка?
Спирты получают из самых разных соедине-
ний при помощи реакций восстановления, окис-
ления, присоединения и замещения. Например,
метанол в промышленности получают благода-
ря реакции оксида углерода с водородом.
Химические свойства спиртов определяет
гидроксильная группа, и они проявляют свой-
ства как основания, так и кислоты. Как кислоты
они реагируют с металлами — щелочными, ще-
лочноземельными и некоторыми другими; как
основания образовывают с сильными неоргани-
ческими кислотами соли алкоксония.
Спирты также подвергаются депздратации
в присутствии таких катализаторов, как серная
или фосфорная кислоты, оксид алюминия и др.
При этом образуются алкены. Так, в результате
дегидратации этанола получается этилен.
ВОПРОС 21
Спирты проявляют себя как основания
или как кислоты?
Спирты синтезируются и сами используются
в реакциях химического синтеза, например
для ситггеза эфира.
Органическая химия 131
Самый распространенный
в мире спирт — этанол. Его и
другие спирты очень широко
применяют в разных отраслях
промышленности. Этанол вхо-
дит в состав алкогольных на-
питков. Он вредит организму,
нарушает функции нервной
системы, но его воздействие
не сравнится с воздействием
метилового и других спиртов.
Так, если выпить 5—10 мл ме-
танола, фактически сделать
один глоток, то это приведет
к слепоте, а 30 мл метанола
уже убивают. А ведь метанол
и другие спирты входят либо
входили в состав различных
средств, например растворите-
лей или незамерзающих жид-
костей. Не зря использование
метанола в незамерзающих
жидкостях в России запре-
щено. Этанол гораздо менее
опасен. Более того, он широко
применяется в медицине как
антисептик, для приготовле-
ния компрессов, а также как
растворитель для приготовле-
ния всевозможных лекарствен-
ных средств, к примеру настоя
валерианы.
Многие лекарства приготовлены
на основе этилового спирта.
СПИРТ КАК ТОПЛИВО
Этанол, метанол и бутанол-1 применяются сегодня
как топливо, замена нефти и газа. Их продукты содер-
жат меньше вредных веществ и могут вырабатывать-
ся из отходов целлюлозно-бумажной и деревообраба-
тывающей промышленности. Но есть у них и недо-
статки: они в большей степени вызывают коррозию,
чем нефтепродукты, дают меньше энергии и выделя-
ют больше теплоты при сгорании.
Завод по производству биотоплива, которое делают
из растительного сырья. Так, в числе прочего, получают
биоэтанол, который является обычным этиловым
спиртом, а приставку био- получил за происхождение.
Спирты также используются при изготовлении мою-
щих средств, лаков и красок, пестицидов, смазочных ма-
териалов, фиксаторов волос, отдушек для бытовой химии,
как, например, ментол и гераниол. Таким образом, спирты
являются сырьем для многих отраслей промышленности.
ВОПРОС 22
Как используют этиловый спирт
кроме приготовления алкоголь-
ных напитков и применения в
медицине?
Карбоновые
КИСЛОТЫ
Любому виноделу известно, что вино нуж-
но хранить без доступа воздуха, иначе
оно скиснет. С точки зрения химии это
понятно: при добавлении кислорода к спирту'
получается кислота.
Карбоновые кислоты — это такие органиче-
ские соединения, в чьих молекулах имеется одна
или несколько карбоксильных групп —СООН.
Такая группа способна легко отщеплять ион во-
дорода, а это и вызывает кислые свойства.
ВОПРОС 23
Почему кислоты кислые?
Ди- и трикарбоновые кислоты сильнее мо-
нокарбоновых. Как и другие органические со-
единения, кислоты бывают ароматическими,
например бензойная, предельными, как ка-
132 Органическая химия
проновая кислота, непредель-
ными, как акриловая, алици-
клическими, как хинная, и
гетероциклическими, как ни-
котиновая кислота.
4
Молекула бензойной кислоты.
Также по числу карбок-
сильных групп кислоты делят
на одноосновные, как уксусная,
двухосновные, как щавелевая,
и многоосновные, как лимон-
ная кислота. К одноосновным
кислотам с открытой цепью
относят жирные кислоты, кото-
рые содержатся в жирах, мас-
лах, восках. Полиненасыщенные
жирные кислоты — это жирные
кислоты, молекулы которых
содержат более одной двойной
связи. Жирные кислоты ошо-
сятся к простейшим липидам,
играющим очень важную энер-
гетическую и структурную роль
в организме.
ВОПРОС 24
Какая структура у жир-
ных кислот?
Если добавить к карбоно-
вым кислотам другие функци-
ональные группы, появляются
новые классы соединений. Так,
например, добавление амино-
группы —NH, дает аминокис-
лоту, а именно из аминокис-
лот состоят белки.
Простейший гомологичес-
кий ряд карбоновых кислот вы-
глядит так: метановая (муравьи-
ная) кислота НСООН, этановая
(уксусная) СН?СООН, пропано-
вая (метилуксусная) СН,—СН, —
СООН, бутановая (масляная)
CHj-CHj-CHj-COOH И т. д.
У карбоновых кислот обыч-
ные кислотные свойства: при
их реакции с металлами, окси-
дами и основными гидрокси-
дами образутотся соли, и сами
вытесняются более сильными
кислотами. В присутствии кис-
лого катализатора карбоновые
кислоты вступают в реакцию
со спиртами, при этом обра-
зуются сложные эфиры. Такая
реакция называется реакцией
этерификации.
ВОПРОС 25
Какие вещества образуются при взаимодействии карбо-
новых кислот со спиртами?
ЭФИР И ЖИР
Этерификация — реакция образования сложных эфиров
при взаимодействии кислот и спиртов. В общем виде она
записывается так: RCOOH + R'OH ;=• RCOOR' + Н,О.
Если простые эфиры — органические вещества с форму-
лой R —О—R', где R и R' — углеводородные радикалы, то
сложные — производные оксокислот (и карбоновых, и
неорганических) с общей формулой RkEIMZMJOHlm, где
1*0. У сложных эфиров карбоновых кислот формула сле-
дующая: RCOOR'. Сложные эфиры бывают как летучими
жидкостями (отсюда и название), так и твердыми веще-
ствами. Интересно, что при этерификации трехатомного
спирта глицерина и карбоновых кисло г образуются три-
глицериды — известные всем жиры. А эфирные масла ис-
пользуются как ароматизаторы. Интересно при этом, что
многие эфиры пахнут как яблоки, ананасы, малина, хри-
зантемы. А э го значит, что именно они содержатся в этих
плодах и цветах.
Карбоновые кислоты
реагируют с другими
органическими
и неорганическими
соединениями, в том числе
с металлами и спиртами.
Эфирные масла, которые
добываю! из различных
растений, имеют очень
сложный состав: они включают
и эфиры, и многие другие
органические вещества.
Органическая химия 133
Все знают, что уксус кислый. Это потому, что
в нем имеется от 3 до 15 % уксусной кислоты.
Уксус — полезный пищевой продукт. А нераз-
бавленной уксусной кислотой можно отравить-
ся и умереть.
Яблочный уксус получают путем брожения
яблок. Кроме уксусной кислоты в нем
содержатся другие карбоновые кислоты —
яблочная, молочная, щавелевая, лимонная,
а также витамины, аминокислоты, ферменты,
микроэлементы.
Разнообразные карбоновые кислоты очень
широко распространены в природе. Обычно
их называют в честь тех плодов, листьев, живот-
ных, откуда их впервые выделили. Таковы щаве-
левая, молочная, яблочная, лимонная кислоты.
Молочная СН.,СН(ОН)СООН и уксусная
СН3СООН кислоты образуются в организме
благодаря процессу брожения — анаэробного
(то есть идущего без доступа кислорода) расще-
пления глюкозы. Так что они имеются не толь-
ко в молоке и уксусе.
Молочнокислые бактерии сбраживают
глюкозу и производят молочную кислоту.
Молочнокислое брожение издревле
используется для получения разнообразных
молочных продуктов.
ПОЧЕМУ ПРИ ЗАНЯТИЯХ СПОРТОМ
БОЛЯТ МЫШЦЫ?
После усиленных физических упражне-
ний часто болят .мышцы. Чем же вызы-
вается эта боль? Оказывается, при физи-
ческой нагрузке и клетках мышц расще-
пляется глюкоза — источник энергии для
организма. При расщеплении образуется
молочная кислота. Ионы водорода, кото-
рые она дает, и вызывают чувство жжения
в мышцах. Чем больше накапливается мо-
лочной кислоты, тем сильнее боль.
ВОПРОС 26
Чем вызывается боль в мышцах при физи-
ческой нагрузке?
В выделениях
муравьев,
а также
в сосновой
хвое, пчелином
яде и крапиве
содержится
муравьиная
кислота.
В козьем молоке
есть капроновая,
каприловая
и каприновая
кислоты. Все
три названы
по латинскому
слову сарга —
«коза».
134 Органическая химия
Из семян мускатного ореха выделена ми-
ристиновая кислота. А пальмитиновая кисло-
та, как и следует из ее названия, содержится в
пальмовом масле. Такого масла больше всего в
кокосовых орехах. Название стеариновой кис-
лоты происходит от греческого «стеар», то есть
«жир». Большую часть растительных и живот-
ных жиров как раз и составляют стеариновая и
пальмитиновая кислоты. Смесь этих кислот с
добавлением олеиновой и других жирных кис-
лот называется стеарином, когда-то из него де-
лали свечи. Стеарин также применяют в мыло-
варенной и текстильной промышленности.
В масле арахиса содержится арахиновая
кислота, в горном воске — монтановая (от ла-
тинского montana — «горные области»). В пче-
лином воске можно обнаружить мелиссиновую
кислоту (от греческого Melissa, то есть «пчела»).
ВОПРОС 27
Стеарин давно
используют
для изготовления
свечей.
Какие кислоты по боль-
шей части входят в состав
растительных и живот-
ных жиров?
При пригорании жиров можно почувство-
вать острый запах. Это пахнет самая простая
из непредельных кислот — акриловая (от ла-
тинского acris — «острый»). Когда жиры при-
горают, происходит дегидратация глицерина и
ЦИКЛ КРЕБСА
Трикарбоновые (и дикарбоновые) кислоты
в живых организмах участвуют в цикле вза-
имных превращений, который носит назва-
ние цикл грикарбоновых кислот, или цикл
лимонной кислоты, или цикл Кребса — по
имени первооткрывателя. Эти кислоты
представляют собой промежуточные про-
дукты, образующиеся при распаде белков,
жиров и углеводов. В процессе этих реак-
ций выделяются водород и углекислый газ.
Водород в дальнейшем окисляется до воды.
В цикле лимонной кислоты улавливается
большая часть свободной энергии, кото-
рая образуется при распаде белков, жиров
и углеводов пищи. Цикл Кребса непосред-
ственно связан с клеточным дыханием и яв-
ляется центральным путем обмена вещес тв.
AllCniltA-KWH.IU.M Л
В цикле Кребса
Органическая химия 135
образуется как раз акриловая
кислота.
Из высокомолекулярных не-
предельных кислот более все-
го распространена олеиновая.
А биологически активны боль-
ше всего линолевая, линолено-
вая и арахидоновая кислоты.
Благодаря своим характе-
ристикам карбоновые кислоты
применяются очень широко.
Муравьиную кислоту' исполь-
зуют как консервант, потому
что она обладает сильным бак-
терицидным эффектом. Уксус-
ную применяют в производ-
стве стекла и кинопленки, как
консервант и растворитель, она
тоже обладает бактерицидным
эффектом. С помощью щаве-
левой кислоты удаляют окали-
ну, изготавливают чернила и
многое другое.
Соли карбоновых кислот —
это и мыла, и эмульгаторы, и
смазочные масла, а эфиры —
ВОПРОС 28
Какие кислоты использу-
ют в качестве консерван-
тов и почему?
пищевые добавки, раствори-
тели, компоненты пластмасс и
лаков. Но ничего не сравнится
с их ролью в живом организ-
ме, так как именно они входят
в состав жиров.
ОТВЕТЫ
1. Нет, угольная кислота не относится к ор-
ганическим соединениям, она является од-
ним из исключений.
2. Атомы углерода способны формиро-
вать разные связи и образовывать длинные
цепи — прямые, разветвленные и замкнутые
(циклические).
3. Первой из неорганического соединения
синтезировали мочевину.
4. Для органических соединений характер-
ны ковалентные связи.
5. Гомологический ряд — это ряд соедине-
ний, которые отличаются друг от друга на
гомологическую разницу — метиленовое
звено —СН2—.
6. К гептану надо прибавить группу —СН2—,
то есть один атом углерода и два атома водо-
рода. В итоге получаем октан CaHlg.
7. В насыщенных углеводородах атомы угле-
рода связаны между собой одинарными свя-
зями, а в ненасыщенных — кратными (двой-
ными или тройными).
8. Классификация органических соедине-
ний основана на их углеродном скелете и
функциональных группах.
9. Органический радикал представляет со-
бой остаток молекулы, откуда удален один
или несколько атомов водорода.
10. Бензил является радикалом толуола.
11. Искусственно создан полиэтилен, а цел-
люлоза — природное вещество.
12. За опадение иголок у хвойных отвечает
этилен.
13. Нет, ароматичность не связана с запахом,
это просто структура, но первые описанные
соединения с такой структурой действи-
тельно пахли приятно.
14. В состав нефти входят циклоалканы, или
нафтены.
15. Асфальт делают из битумов, которые по-
лучают из нефти.
16. Из нефти можно делать множество по-
лезных материалов, использование ее как
топлива снижает эту возможность.
17. Простейший одноатомный спирт — ме-
танол СН3—ОН. Он очень ядовит.
18. Этиловый спирт впервые получили из
вина арабские алхимики в VI—VII вв.
19. Запах листьев вызывает содержащийся в
них спирт (2)-гексен-3-ол-1.
20. Так используется производное глицери-
на — нитроглицерин.
21. Спирты проявляют себя и как основания,
и как кислоты.
22. Этиловый спирт используется как топли-
во, растворитель, основа для лаков и красок
и многое другое.
23. Кислоты содержат одну или несколько
карбоксильных групп —СООН, а такая груп-
па легко отщепляет ион водорода. Это и вы-
зывает кислые свойства.
24. Жирные кислоты — это одноосновные
кислоты с открытой цепью.
25. При взаимодействии карбоновых кислот
со спиртами образуются сложные эфиры.
26. Боль в мышцах вызывается накоплением
там молочной кислоты.
27. Пальмитиновая и стеариновая кислоты.
28. В качестве консервантов используют му-
равьиную и уксусную кислоты, потому что
они обладают бактерицидным эффектом.
136 Самые важные для организма вещества
САМЫЕ ВАЖНЫЕ
ДЛЯ ОРГАНИЗМА ВЕЩЕСТВА
Липиды
Известно, что в организ-
ме особо важную роль
играют жиры, углеводы,
белки и нуклеиновые кислоты,
их в первую очередь изучает
биологическая химия. Одна-
ко жиры включены в более
обширную группу гидрофоб-
ных органических соединений,
которые называются липида-
ми, от греческого «л и пос» —
«жир». Простые липиды — это
сложные эфиры спирта и жир-
ных кислот, сложные липиды
представляют собой производ-
ные спирта, высокомолекуляр-
ных жирных кислот, а также
остатков других соединений:
фосфорной кислоты, азоти-
стых оснований, углеводов и
др. Липидами также называют
и другие вещества, которые не
являются производными жир-
ных кислот, например холесте-
рин (он же холестерол).
Липиды обеспечивают орга-
низм энергией, входят в состав
клеточной мембраны, прини-
мают участие в сигнализации
внутри клеток и между ними.
Липиды — предшествен-
ники стероидных гормонов
(веществ, которые переносятся
кровью по всему организму и
оказывают влияние на его ра-
боту), а также желчных кислот
и других веществ. Компонен-
ты липидов, такие как жир-
ные кислоты, холестерин, фос-
фолипиды, обнаруживаются в
крови. Поскольку эти вещества
гидрофобны, то есть не раство-
Глицерол
(глицерин)
СМ.-Он
сн.-он
Жирные кислоты
Ненасыщенные
Триглицериды
Холестерол, а также
триглицериды и их
составляющие.
Насыщенные
Омега-З-фосфолипид
Почти миллион липидных молекул содержится только в 1 мкм!
биологической мембраны.
Самые важные для организма вещества 137
ряются в воде, для их транспорта существует
сложная транспортная система. В цитоплазме
клетки жиры запасаются в виде капель. Но есть
и особая жировая ткань, состоящая из жировых
клеток.
Жировые клетки, заполненные липидами. Ядро
каждой клетки окрашено красным.
ВОПРОС 1
Почему для транспорта липидов в орга-
низме образуются сложные соединения?
Одна из важнейших функций липидов —
быть источником энергии. Когда 1 г жира окис-
ляется до воды и углекислого газа, выделяется
примерно 9 ккал энергии. Это в два раза боль-
ше, чем дает окисление углеводов. Кроме того,
гидрофобность жиров приводит к тому, что они
не нуждаются в дополнительной массе воды для
гидратации, как это происходит у углеводов.
ВОПРОС 2
Чем удобны липиды как запасающие
энергию вещества?
Животные чаще запасают жиры, растения —
углеводы, но содержание жиров достаточно вы-
соко в семенах многих растений, например у
подсолнечника. Недаром оттуда добывают рас-
тительное масло.
У многих животных слой жира служит защи-
той внутренних органов от повреждений при
ударах. Кроме того, жир обладает хорошими
В подсолнечном масле большинство жиров
мононенасыщенные и полиненасыщенные,
однако имеются и насыщенные.
Наибольший жировой слой характерен для
водных млекопитающих, в частности китов.
теплоизолирующими способностями и откла-
дывается в подкожной жировой ткани многих
теплокровных, чтобы уменьшить потери тепла.
Жир также снижает удельный вес тела и уве-
личивает плавучесть. Это характерно для мно-
гих организмов — и диатомовых водорослей,
и акул.
У животных, которые обитают в жарком
климате, жир откладывается в отдельных участ-
ках тела, например у жирнохвостых тушканчи-
138 Самые важные для организма вещества
ков он в хвосте, а у верблюдов — в горбах. Жир
в этом случае представляет собой резерв воды,
поскольку она образуется при его окислении.
ЛИПИДЫ КАК СТРОИТЕЛЬНЫЙ
МАТЕРИАЛ
Пчелы строят свое жилище — соты — из
воска. Л воск также относится к проспим
липидам, он представляет собой их смесь.
Кроме того, именно из воска состоит ку-
тикула — поверхностный слой на моло-
дых побегах и листьях растений. Таким
образом, воск бывает как животный, так и
растительный.
Пчелиный
воск о I носится
к животным
воскам,его
выделяю!
особые железы
медоносных
пчел.
ВОПРОС 3
Как жир позволяет некоторым животным
получать воду?
Человек вместе с пищей получает по боль-
шей части нейтральные жиры — триглице-
риды. Во-первых, они прекрасный источник
энергии, во-вторых, используются для того,
чтобы всасывались жирорастворимые вигами-
ны. Пища животного происхождения содержит
множество насыщенных жирных кислот, пища
растительного происхождения, к примеру оре-
хи, семечки, растительные масла, богата нена-
сыщенными жирными кислотами. Мясо, мо-
локо, рыба — основной источник холестерина
(холестерола). Но несмотря на необходимость
для организма жиров, злоупотреблять ими не
следует. Все хорошо в меру.
ХОРОШИЙ И ПЛОХОЙ ХОЛЕСТЕРИН
Холестерин, который правильнее называть
холестерилом, представляет собой жирный
спирт и не является производным жирной
кислоты, однако его иногда относят к липи-
дам. Именно холестерин представляет собой
неотъемлемую часть клеточных мембран,
он незаменим при син тезе некоторых необ-
ходимых для жи зни гормонов и витамина D.
В общем, без холестерина жить невозмож-
но. Однако счо накопление приноси! вред.
При лом следует различать плохой и хоро-
ший холестерин. Дело в том, что сам холе-
стерин, как и прочие липиды, нерастворим
в воде и для транспорта объединяется с осо-
быми белками. Эти соединения называются
ВОПРОС 4
Когда холестерин приносит пользу, а ког-
да — вред?
липопротеинами. Липопротеины бывают
высокой, низкой и очень низкой плотности.
Соединения с высокой плотностью хорошо
растворяются в воде и не образуют осадка.
Они характерны для здоровою организма
и называются хорошими. Липопротеины с
низкой и очень низкой плотностью раство-
ряются плохо и могут образовывать осадок,
например в виде бляшек на сосудах. Это
ухудшает свойства сосудов и вызывает тя-
желое заболевание — атеросклероз. Такие
липопротеины, а значит, и входящий в них
холестерин, называются плохими.
Атеросклеротические
бляшки на сосудах
состоя! из холестерина.
Самые важные для организма вещества 139
Углеводы
Углеводы — органические
вещесгва, которые содер-
жат одну карбонильную
(альдегидную или кетонную)
группу и несколько гидрок-
сильных групп. Название про-
изошло от того, что первые из-
вестные ученым углеводы фор-
мально представляли собой
соединения углерода и воды.
Низкомолекулярные углеводы
называются сахарами.
А\ьфа-Г)-фруктоза Бета-О-фруктоза
Альфа-О-глюкоза
Бета-О-глюком
Лактоза
ВОПРОС 5
Какие функциональные
группы обязательно дол-
жны входить в состав уг-
леводов?
Мальтоза
Галактоза
Наиболее важные моно- и дисахариды.
Углеводы в организме являются источниками энергии. Из-
вестно, что когда окисляется 1 г углевода, получается 4,1 ккал
снгон
энергии и 0,4 г воды. Кроме того, некоторые углеводы выполня-
ем, он К)Т ОПОрНуЮ функцию и для животных, и особенно для растений.
Привычный нам
сахар называется
сахарозой.
Молекула сахарозы
состоит из двух
моносахаридов —
глюкозы
и фруктозы.
СТЕРЕОИЗОМЕРИЯ МОНОСАХАРИДОВ
Часто в формулах углеводов имеется буква D или L. Это
связано с изомерией. Среди изомеров моносахаридов раз-
личают D- и L-формы. Форма определяется по располо-
жению ОН-группы у последнего асимметричного атома
углерода возле СН.ОН-грунпы. При проецировании моде-
ли молекулы па плоскость ОН-группа у асимметричного
Продукты, богатые
углеводами.
атома углерода может находиться с правой сто-
роны. Тогда это D-форма. Ои«1 может так-
же располагаться зеркально. Тогда эго
L-форма. Глюкоза, фруктоза, манноза
и галактоза относя гея к D-форме.
Глицеральдегид существует в двух
формах — D и L.
ВОПРОС 6
Из каких моносахаридов
состоит сахар, который
мы едим?
ВОПРОС 7
Какие основные функции
у углеводов?
140 Самые важные для организма вещества
Неудивительно, что углеводы представляют
главную часть органического вещества; они со-
ставляют 80 % сухой массы растений. Для жи-
вотных этот процент пампою меньше — 2—3 %
массы, но он тоже весьма заметен. Источник
углеводов для животных — это процесс фото-
синтеза, который осуществляют растения.
Фотосинтез — это образование органических веществ (углеводов)
из углекислого газа и воды под воздействием солнечного света.
При этом выделяется кислород.
Хлорофилл улавливает световую энергию для производства пищи
Хлоропласты запасают энергию (сахар),
I находятся в листьях
СГ5?'
Кислород (О2)
высвооождается
в воздух
как продукт
реакции
Диоксид углерода (COJ
из воздуха
Глюкоза
(WV
запасается
в растении
и используется
в пищу
Вода (Н2О)
от корней
ВОПРОС 8
Каков источник углеводов
для живых организмов?
Углеводы объединены тем,
что состоят из отдельных еди-
ниц-мономеров, которые на-
зываются сахаридами. Моно-
сахариды состоят из одной та-
кой единицы, олигосахариды
содержат от двух до десяти мо-
номеров, полисахариды — бо-
лее десяти мономеров. Слож-
ные углеводы, которые вклю-
чают три и более единицы,
могут подвергаться гидролизу
и расщепляться на моносаха-
риды. Такой гидролиз и есть
один из источников энергии.
Среди моносахаридов раз-
личаются альдозы и кетозы.
Если карбонильная группа рас-
положена в конце углеродной
цепи, то это альдегид, и на-
зывают его альдозой. Другое
расположение карбонильной
группы делает из моносахари-
да кетон, и тогда он называет-
ся кетозой. Кроме того, моно-
сахариды называются трио-
зами, тетрозами, пентозами,
гексозами и так далее в зави-
симости от длины углеродной
цепи. Именно из моносахари-
дов синтезируются дисахари-
ды, олигосахариды и полиса-
хариды.
Глюкоза — моносахарид, из которого
состоят многие полисахариды, такие QH
ВОПРОС 9
Какие углеводы называют-
ся полисахаридами?
СН2ОН
как крахмал и гликоген.
Самые важные для организма вещест ва 141
ЧТО ПОЛЕЗНЕЕ?
Сахар добывается из сахарного тростника и
сахарной свеклы. Стебли сахарного трост-
инка содержал до 18 % сахарозы. Тростнико-
вый рафинированный (очищенный) сахар
трудно отличить от такого же свекловично-
го. Но чаще продается нерафинированный
тростниковый сахар светло-коричневого цве-
та. Этот цвет ему придает меласса — патока,
содержащая в большом количестве жизнен-
но необходимые элементы: витамины, каль-
ций, магний, железо, калий. Правда, корич-
невый цвет может быть вызван некоторыми
красителями, поэтому будьте внимательны и
читайте состав продукта!
В тростниковый сахар
добавляют мелассу.
На плантации сахарного тростника.
ВОПРОС 10
Что общего у крахмала и
гликогена?
Самая распространенная
из углеводов — D-глюкоза
(С6Н]2О(>), из которой образу-
ются многие дисахариды, в
том числе мальтоза, сахароза
и лактоза, и полисахариды,
такие как крахмал и целлюло-
за. В молекуле глюкозы пять
гидроксильных групп и одна
альдегидная. Путь синтеза глю-
козы из неуглеводных соедине-
ний назвается глюконеогене-
зом, а путь ее расщепления до
углекислого газа и воды — гли-
КАК РАЗЛИЧИТЬ ГЛЮКОЗУ И ФРУКТОЗУ?
Глюкоза содержит альдегидную группу и являет ся альдо-
зой, фруктоза содержит кетогруппу и является кетозой.
Поэтому глюкозу можно определить ио наличию альде-
гидной группы. А для этого используют гак называемую
реакцию серебряного зеркала.
Сначала в водном растворе аммиака растворяют оксид се-
ребра. При этом образуется комплексное соединение —
гидроксид диамминсеребра (I):
Ag3O + 4NHj-H2O =' 2| Ag(NH,)2]OH + ЗН2О.
Если добавить к этому соединению альдегид, то произой-
дет окислительно-восстановительная реакция с образо-
ванием серебра. И тогда на стенках пробирки образуется
зеркальный серебряный налет:
R-CH = О + 2|Ag(NH(),|OH -»2Ag + R-COONH, + 3NH, + Н3О.
Глюкоза, в которой имеется альдегидная группа, даст та-
кую реакцию, а фруктоза, в которой присут ст вует кетон-
ная группа, нет.
колизом.
При сахарном диабете уровень
глюкозы в крови повышается,
поэтому так важно его проверять.
ВОПРОС 11
Какая реакция помогает рас-
познать глюкозу в растворе и
отличить ее от фруктозы?
142 Самые важные для организма вещества
Среди олигосахаридов са-
мый известный — сахароза,
или сахар, среди трисахари-
дов — рафиноза, которая со-
стоит из остатков фруктозы,
глюкозы и галактозы.
В ЧЕМ ОШИБКА?
Сахар распадается в организме на глюкозу и фруктозу,
необходимые для запасания энергии, поэтому наш орга-
низм требует сладкого. Однако все хорошо в меру. Избы-
ток сахара в крови вредит здоровью, вызывает ожирение
и даже диабет. Но в древности, употребляя сахар с разны-
ми продуктами, где он содержался в небольшой концен-
трации, трудно было получить излишек. А чистый сахар
состоит почти полностью из сахарозы, и мы его зачастую
переедаем. Ведь сладкий вкус обманывает наш организм,
привыкший в процессе эволюции к другим концентраци-
ям столь необходимой сахарозы.
В сахарной свекле в большом
количестве содержится
трисахарид рафиноза.
ВОПРОС 12
Почему мы любим
сладкое?
Из растительных полиса-
Лакомясь конфетами
и леденцами, нужно
знать меру.
харидов следует назвать крах-
мал (С6Н10О5)я. Это смесь двух
полисахаридов — амилозы и
амилопектина. Мономер обо-
их — альфа-глюкоза. Амилоза
имеет линейную структуру, в
каждой ее молекуле примерно
1000 остатков глюкозы. Ами-
лопектин разветвленный. В отдельных линейных его молекулах
содержится 20—30 таких единиц. Крахмал в организме людей и
животных гидролизуется до глюкозы; используется для произ-
водства энергии.
Крахмал взаимодействует с йодом, при этом окрашивается
в синий цвет, по, в отличие от глюкозы, не дает реакцию
серебряного зеркала.
Самые важные для организма вещества 143
Альфа-глюкоза входит в
состав и другого растительно-
го полисахарида — целлюло-
зы, или клетчатки. Клетчатка
играет роль опорного, струк-
турного материала для рас-
тений. Древесина, например,
состоит из целлюлозы на 50—
70 %, а хлопок — практически
на 100 %.
Хлопок состоит из целлюлозы
почти на 100 %.
Полимерная молекула целлюлозы.
ВОПРОС 13
Чем различаются функ-
ции крахмала и клетчатки
у растений?
Основной резервный поли-
сахарид человека и животных —
гликоген (Cf Hl;)O.)n. Его состав-
ляют остатки альфа-О-глюко-
зы. Его цепи ветвятся. Гранулы
гликогена содержатся во всех
органах и тканях, но в мыш-
цах и печени его больше все-
го. Процесс синтеза гликогена
назы вается гл и когеногенезом,
а процесс распада до глюко-
зы — гликогенолизом. Проис-
ходят эти процессы главным
образом в печени.
ВОПРОС 14
Где происходят процессы
синтеза и расщепления
гликогена?
Хитиновый панцирь у чле-
нистоногих тоже состоит из
углеводов. Хитин — это поли-
сахарид который состоит из
остатков М-ацетил-О-гл юкола-
ми на. Опорную роль хитин так-
же играет у низших растений
и грибов.
У насекомых, как и у прочих
членистоногих, существует
экзоскелет, то есть внешний
скелет. Он состоит
из хитина — азотсодержащего
полисахарида.
О
Молекула N-ацетил-О-
глюкозамина — .мономера,
из которого состоит хитин.
В овощах и фруктах содер-
жатся пектины — полисаха-
риды, состоящие из остатков
полигалатуроновой кислоты.
144 Самые важные для организма вещества
Они способны образовывать желе при воздей-
ствии органических кислот. На этой реакции
основано приготовление мармеладов и желе.
Полисахариды пектины, реагируя
с органическими кислотами, образуют желе.
В состав клеточной стенки бактерий входит
полисахарид мура мин. Его сосгавляют чередую-
щиеся остатки N-ацетилглюкозамина и N-аце-
тилмурамовой кислоты.
Из вышесказанного ясно, что углеводы поис-
тине незаменимы в природе и жизни человека.
ВОПРОС 15
Какой полисахарид играет опорную роль
у бактерий, а какой — у грибов и некото-
рых животных?
Плазма крови — крайне
необходимое вещество
в медицине. Однако иногда
ее не хватает, и тогда как
заменители плазмы крови
используют полисахариды
декстраны, которые
синтезируются при
воздействии определенного
вида микроорганизмов
на раствор сахарозы.
ЧТО ТАКОЕ ИНВЕРТНЫЙ СИРОП?
Инвертный сироп получается, когда сахароза гидролизуется с об-
разованием смеси глюкозы и фруктозы. При этом изменяется вра-
щение плоскости поляризации света (инверсии), который проходит
через раствор. Инвертный сироп используют, например, при про-
изводстве карамели, чтобы не дать ей перейти из аморфного состо-
яния в кристаллическое, свойственное сахарам. Сама же карамель
получается при нагревании сахара и уваривании сахарного сиропа
с тем же инвертным сиропом или патокой.
ВОПРОС 16
Зачем нужен инвертный сироп при про-
изводстве карамели?
Инвер 1ный сироп
содержится
в натуральном меде.
Нуклеиновые
кислоты
Нуклеиновые кислоты бывают двух
основных типов — дезоксирибо-
нуклеиновая (ДНК) и рибонукле-
иновая (РНК). Полимерные молекулы
ДНК и РНК состоят из отдельных зве-
ньев — мономеров, или нуклеотидов.
Рибоза Дезоксирибоза
Сахара, входящие в состав нуклеиновых кислот.
Самые важные для организма вещества 145
Последние, в свою очередь, из нуклеозида и фос-
фа гной группы. Нуклеозид состоит из азотистого
основания и сахара — дезоксирибозы для ДНК и
рибозы для РНК.
МОЛЕКУЛЫ, ХРАНЯЩИЕ ПАМЯТЬ
В нуклеиновых кислотах ^шифрован по-
рядок, в котором располагаются амино-
кислоты в белке. Участок ДНК, кодиру-
ющий один белок, носит название «ген».
Нуклеиновые кислоты реплицируются,
то есть копируются. Блаюдаря этому на-
следственная информация передается от
клетки к клетке при делении и от родите-
лей детям.
Аденин и гуанин являются производными
вещества пурина, а цитозин, тимин и урацил —
пиримидина.
Дети похожи на родителей, бабушек
и дедушек блаюдаря информации,
записанной в молекулах ДНК.
Азотистые основания — гетероциклические
органические соединения. В состав нуклеиновых
кислот входят аденин (А), гуанин (G), цитозин
(С), тимин (Т) и урацил (U). Из всех названных
оснований аденин, гуанин и цитозин имеются и
в РНК, и в ДНК. В ДНК также входит тимин, в
РНК вместо него имеется урацил.
Азотистые основания связываются друг с
другом по принципу комплементарности, при
этом аденин всегда соединяется с тимином, а
1уанин — с цитозином. Так образуется двойная
спираль ДНК. Молекула РНК обычно состоит из
одной цепочки, хотя есть и двойные формы. При
синтезе РНК на ДНК с аденином связывается ура-
цил, потом молекула РНК отделяется от ДНК и
начинает функционировать самостоятельно.
Пары основания
Основания
Аденин
Цитозин
Гуанин
Урацил
Тимин
Сахарофосфатная
цепочка
Дезоксирибониклеи новая
кислота (ДНК)
Рибонуклеиновая
кислота (РНК)
Две молекулы — ДНК и РНК, носители
генетической информации.
ВОПРОС 17
Чем отличаются азотистые основания в
ДНК и РНК?
ВОПРОС 18
Как соединяются друг с другом азотистые
основания?
146 Самые важные для организма вещества
МОЛЕКУЛЫ, ХРАНЯЩИЕ
ЭНЕРГИЮ
Нуклеозиды нужны не только для по-
строения нуклеиновых кислот. Моно-,
ди- и |рифосфа 1ы нуклеозидов име-
ются в свободном состоянии во всех
клетках организма. Самые известные
среди них — это аденозинмонофос-
фаз (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ)
и аденозинтрифосфат (АТФ). Они
играю! важнейшую роль в обмене ве-
ществ, поскольку в их полифосфатпых
связях аккумулируется большой запас
энергии.
Адепозиптрифосфат — вещество,
аккумулирующее энергию. Аденин,
соединенный с рибозой, представляет
собой аденозин.
КАК УВИДЕТЬ ДНК
И ХРОМОСОМЫ?
Молекулы ДНК, если их специ-
ально выделить из клеток кро-
ви или другой ткани, видны
невооруженным глазом как
белая нить, иногда спутанная
и скрученная, или белое полу-
прозрачное вещес тво, похожее
на медузу. Но для того, чтобы
различи гь ее с грук гуру, нужны
специальные приборы. А .хро-
мосомы можно разглядеть в
обычный микроскоп.
ДНК, расположенные
особым образом с
некоторыми белками,
составляют хромосомы.
Практически все хромосомы
находятся в ядре клетки.
Исключение составляет
митохондриальная ДНК,
которая находится в
цитоплазме, в митохондриях.
ВОПРОС 19
Как можно невооруженным глазом увидеть молеку-
лы ДНК?
Аминокислоты
и белки
Белки в организме играют защитную,
структурную и регуляторную функции.
Ферменты катализируют биохимические
реакции, поэтому их так и называют — биоло-
Тропонип — белок,
который принимает
участие в сокращении
мышц. Он находится
в скелетных
и сердечной мышцах.
Самые важные для организма вещества 147
гическими катализаторами; актин и миозин
входят в состав мышц; антитела борются с чу-
жеродными микроорганизмами.
ВОПРОС 20
Какие белки отвечают за работу мышц?
БЕЗ ЧЕГО НЕ МОГУТ РАБОТАТЬ
ФЕРМЕНТЫ?
Фермент не может работать без кофакто-
ров и коферментов — веществ небелковой
природы. Многими кофакторами и кофер-
ментами являются витамины и их произво-
дные. Несмотря на свое название (жизнен-
ные амины), не все витамины содержат ами-
ногруппу, но все они крайне необходимы
для организма. Среди таких витаминов есть
тиамин (витамин В,), который становится
коферментом, взаимодействуя с АТФ. Он
содержится в ободочках злаковых. Раньше
люди, которые ели очищенный рис, испы-
тывали дефицит этого витамина и страдали
болезнью бери-бери, поражающей нервную
систему. Теперь витамин В, можно полу-
чить в других продуктах.
1 (родук । ы, содержащие i мамин.
ВОПРОС 21
Какие бедки называются биологическими
катализаторами?
Тиамин играет очень важную роль в обмене
белков, а также жиров и углеводов.
По своему строе-
нию белки — это моле-
кулы-цепочки, состо-
ящие из множества
аминокислот. Амино-
кислоты — карбоно-
вые кислоты, в кото-
рых кроме карбок-
сильных содержатся
аминогруппы, состоя-
щие из одного атома
азота и двух атомов
водорода.
Аминокислоты,
из которых состоят
белки.
HjN^COOH
Глицерин
.он
HjN^COOH
L-серин
.COOH
h2n'xooh
L-аспараги но-
вая кислота
L-аргинин
H2N COOH
L-аланин L-валин
.он
h2n*xooh
L-треонин
L-аспарагин
HjN COOH
L-гистидин
L-лейцин
.SH
HjN'XOOH
L-цистеин
.CONH,
HjN'XOOH
L-глутамино-
вая кислота
NH
L-фенилаланин
L-метионин
conh2
X
L-глутамин
L-имлейцин
L-лизин
L-тирозин L-триптофан
.S«H
h2n"xooh
L-селеноцистеин
148 Самые важные для организма вещества
Синтез белка состоит из
трех этапов — транскрипции,
процессинга и трансляции.
В них участвует целый ряд ве-
ществ, в том числе различные
ферменты. Во время транс-
крипции, или считывания, на
одной из цепочек ДНК синте-
зируется молекула РНК. Созре-
вая во время процессинга, она
выходит из ядра в цитоплазму,
где на особых структурах — ри-
босомах — синтезируется по-
липептидная цепь, то есть це-
почка связанных между собой
аминокислот. Их последова-
тельность определяется после-
довательностью нуклеотидов,
составляющих ДНК и РНК, то
есть генетическим кодом.
ВОПРОС 22
Какие основные вещества,
необходимые для синтеза
белка, вы можете назвать?
Генетический код — систе-
ма записи генетической ин-
формации, согласно которой
каждому кодону, представля-
ющему собой последователь-
ность из трех нуклеотидов,
соответствует аминокислота.
Причем у одной а минокисл о-
Соответствие кодонов РНК
аминокислотам — генетический
код. Не указанные здесь
аминокислоты пирролизин
и селеноцистеин являются
производными лизина и цистеина
и кодируются при некоторых
условиях стоп-кодонами.
Leu Лейцин
Pro Пролин
His Гистидин
Gin Глутамин
Arg Аргинин
Не Изолейцин
Met Метионин
Th г Треонин
Asn Аспарагин
Lys Лилин
Ser Серин
Arg Аргинин
Vai Валин
Ala Аланин
Asp Аспарагиновая
кислота
Glu Глутаминовая
кислота
Gly Глицин
Plie Фенилаланин
Phe
Leu
Leu Лейцин
Ser Серин
Туг Тирозин
Cys Цистеин
Тгр Триптофан
Самые важные для организма вещества 149
ты бывает несколько кодонов.
Существуют также стартовый
и стоп-кодоны, которые опре-
деляют начало и окончание
синтеза. Если один нуклеотид
заменяется на другой либо
один (или несколько) нуклео-
тид добавляется в цепочку или
удаляется, кодоны меняются.
И вместо одной аминокислоты
кодируется другая. А значит,
меняется состав белка и, ско-
рее всего, его свойства. Такие
изменения называются мута-
циями.
Из 22 аминокислот синте-
зируются самые разные белки.
Например, у цепочки из 100
аминокислотных остатков мо-
жет существовать более 10130
вариантов белков с разной по-
следовательностью. При этом
белки имеют первичную, вто-
ричную, третичную и четвер-
тичную структуры. Все зависит
от того, как скручивается пер-
воначальная цепочка.
О
С -----N
I
н
R
С
н
Простая последовательность аминокислотных остатков — это
первичная структура белка. Зеленым цветом выделена пептидная
связь, при помощи которой соединяются аминокислоты.
Белок, скрученный в спираль, имеет вторичную структуру.
Гемоглобин — белок, который переносит
кислород. Имеет очень сложную четвертичную
структуру, то есть состоит из четырех молекул
третичной структуры.
ВОПРОС 23
Альбумин — белок, который
есть в курином яйце, — имеет
третичную структуру.
Что из себя представляет первич-
ная структура белка?
150 Самые важные для организма вещества
ЕЩЕ ОДИН КОФЕРМЕНТ
Коферментом многих ферментов является
витамин С — аскорбиновая кислота. Его не-
достаток вызывает цингу. Моряки в былые
времена брали в дальние плавания лимоны и
лаймы, которые содержат этот витамин, хотя
и не знали их состава. Недаром английских
моряков прозвали лимонниками.
ОТВЕТЫ
1. Липиды гидрофобии, то есть не растворя-
ются в воде.
2. При окислении они дают больше энергии,
чем углеводы и, кроме того, не нуждаются в
воде для гидратации.
3. Вода образуется при окислении жиров,
поэтому жир, откладывающийся, например
в горбах верблюдов, служит запасом воды.
4. Холестерин, образующий липоротеины с
высокой плотностью, не образует осадка и
считается хорошим. Холестерин, образую-
щий липопротеины с низкой плотностью,
образует осадок в виде бляшек на сосудах и
потому считается плохим. Вообще же холе-
стерин необходим для нормальной жизне-
деятельности организма.
5. В состав углеводов должны входить карбо-
нильная и гидроксильные группы.
6. Сахар, точнее, сахароза, состоит из глюко-
зы и фруктозы.
7. Это энергетическая и опорная функции.
8. Источником углеводов является процесс
фотосинтеза.
9. Полисахаридами называются углеводы,
содержащие более 10 мономеров.
10. И крахмал, и гликоген состоят из остат-
ков глюкозы.
11. Реакция серебряного зеркала, которая
позволяет обнаруживать альдегиды.
12. Сахар необходим нам для запасания
энергии, поэтому организм его требует. Но
сладости, состоящие из чистого сахара, мы
зачастую переедаем.
13. Крахмал нужен для производства энергии,
клетчатка выполняет опорную функцию.
14. Эти процессы происходят в основном в
печени.
15. У бактерий эту роль играет мурамин, а у
грибов и членистоногих — хитин.
16. Карамель — это сахар, находящийся в
аморфном состоянии. Инвертный сироп не
дает ему перейти в кристаллическое состо-
яние.
17. В состав ДНК входит тимин, в состав
РНК — урацил. Опальные азотистые осно-
вания — аденин, гуанин и цитозин — входят
в состав обеих молекул.
18. Аденин соединяется с тимином (или с
урацилом при синтезе РНК), а гуанин — с
цитозином.
19. Если выделить ДНК из клеток крови или
других тканей, можно получить их много.
Тогда они будут видны в виде белых нитей
или полупрозрачного вещества.
20. За работу мышц отвечают такие белки,
как актин, миозин и тропонин.
21. Биологическими катализаторами назы-
ваются ферменты.
22. Основные вещества, необходимые для
синтеза белка, — это ДНК, РНК и аминокис-
лоты. Также для него нужен ряд ферментов.
23. Первичная структура бедка — это цепоч-
ка из аминокислот, соединенных пептидны-
ми связями.
Дары природы и химии 151
ДАРЫ ПРИРОДЫ И ХИМИИ
Незаменимая соль
Соли широко используются человеком.
Хлорид натрия содержится и в морской
воде, и в крови человека и животных. При
недостатке соли возникают сгущение крови, су-
дороги, слабость. Больным иногда приходится
вливать 0,9%-ный раствор хлорида натрия —
так называемый физиологический раствор. Та-
кой раствор изотоничен плазме крови, то есть
имеет такое же осмотическое давление.
Кристаллы соли легко растворяются в воде,
взаимодействуя с ее молекулами.
ПОЧЕМУ МОРЕ СОЛЕНОЕ?
Морская соль — это в основном хлорид
натрия, но также и соли магния, калия,
кальция и еще йод. Морская вода горь-
ко-соленая из-за солей магния. Она полез-
на при лечении кожных заболеваний, а
очищенная и выпаренная годится в пищу.
Морская соль
содержит соли
магния и натрия.
Она считается
полезной для
здоровья.
Соль предотвращает развитие гнилостных
бактерий. Поэтому она используется как кон-
сервант. До изобретения холодильников засол-
ка мяса и рыбы была основным способом их
хранения. Потому соль ценилась очень высоко.
Не раз повышение налога на соль приводило к
порче продуктов и соляным бунтам.
Соленая рыба не
просто вкусна,
соль сохраняет
этот полезный
продукт.
Поваренная соль встречается в природе
в виде минерала галита, который называют
каменной солью. Он в основном состоит
из хлорида натрия.
ВОПРОС 1
Из чего в медицине готовят физиологиче-
ский раствор?
ВОПРОС 2
Чем вызван горько-соленый вкус морской
воды?
152 Дары природы и химии
Соль необходима организму, однако ее избы-
ток повышает давление, вызывает болезни серд-
ца и почек. Соль удерживает воду в организме,
поэтому в пустыне надо есть соль. Физиологиче-
ская норма для одного человека — 5 г в день.
СОЛЬ НА СНЕГУ
Чапо при гололедице использую! смесь пе-
ска и соли. Дело в том, что если соль приме-
шать к снегу, то образующийся водно-соле-
вой раст вор начинает таять при минусовых
температурах. Таким образом, чем ниже
температура, тем выше должна быть кон-
центрация соли.
ВОПРОС 3
Почему солью посыпают лед и снег?
Поваренную соль используют не только в
пищевой промышленности и медицине, но
также для получения натрия, соляной кислоты,
хлора и соды.
Соль позволяет таять льду.
Из чего сделано мыло?
Люди варили мыло из
жиров и золы мно-
го тысячелетий, но не
знали в точности его состава.
И только в 1808 г. француз-
ский химик Мишель Шеврель
доказал, что мыло — смесь ще-
лочных солей жирных кислот.
Он провел этот анализ по по-
ручению владельцев текстиль-
ной фабрики, которые хотели
знать, что же очищает ткани,
которые они производят.
Щелочи, входящие в состав
мыла, растворяют жировую
смазку кожи, где оседают ми-
кробы, грязь и пыль. Но при
этом они высушивают кожу.
И чтобы этого не случилось, в
мыло добавляют разные смяг-
чающие вещества, например
пчелиный воск, водоросли и
даже мед. Приятный запах ему
придают ароматические до-
бавки, а красивый цвет — раз-
ные красители. Глицерин же
Экстракция глицерина на
старинном мыловаренном
производстве.
Современное косметическое
мыло с различными
ароматическими и красящими
добавками.
Дары природы и химии 153
образуется как побочный про-
дукт при производстве мыла.
В основе получения мыла
лежит реакция омыления, то
есть гидролиз сложных эфи-
ров жирных кислот (в том чис-
ле жиров) со щелочами. В ре-
зультате этой реакции образу-
ются спирты, соли щелочных
металлов и спирты.
Происходит это так. Нагре-
тые жиры в варочном котле под-
вергаются омылению едкой ще-
лочью, чаще всего гидроксидом
натрия. При этом получается
вязкая жидкость, состоящая из
мыла и глицерина, — мыль-
ный клей. Мыло, полученное из
него, называют клеевым (жир-
ных кислот в нем примерно
40—60 %), а способ его получе-
ния — прямым методом.
Косвенный метод — это от-
солка, или обработка электро-
литами (растворами едкой ще-
лочи или хлористого натрия).
Жидкость при этом расслаи-
вается. В верхнем слое, или
мыльном ядре, содержится не
меньше 60 % жирных кислот.
В нижнем слое, или подмыль-
ном щелоке, — глицерин.
Мыло, полученное таким спо-
собом, называется ядровым.
При использовании гидро-
ксида натрия NaOH получа-
ют твердое натриевое мыло.
При использовании гидрокси-
ВОПРОС 4
При каком методе мыло-
варения образуется гли-
церин?
да калия КОН получается мяг-
кое или жидкое мыло. Состав
твердого мыла может быть
С. JL,COONa, а жидкого —
с|7н35сосж.
Твердое мыло содержит соли
натрия.
Галаксолид — синтетическое
вещество, создающее запах
цветочных лепестков, —
добавляется во многие мыла
и кремы.
5 1’1
ВОПРОС 5
Какова основная разница
в составе твердого, мягко-
го и жидкого мыла?
ИЗ ЧЕГО СОСТОЯТ МОЮЩИЕ СРЕДСТВА?
Синтетические моющие средства содержат от 20 до 40 "о поверх-
ностно-активных веществ (ПАВ), а также другие полезные добав-
ки. ПАВ — те же натриевые соли различных жирных кислот. Фос-
форные соли снижаю! pH до 7, образуют рас творимые комплексы
с ионами металлов. Это помогает устранять налет на тканях. По-
вторное загрязнение на хлопчатобумажных и льняных тканях пре-
дотвращает карбоксиметил целлюлоза (КМЦ) — натриевая соль
простого эфира целлюлозы и гликолевой кислоты. Для той же цели
для шерстяных тканей применяется поливинилпирролидон. Как
отбеливатели для хлопка и льна применяются соли перекисных
кислот, а для шерсти — нерикись водорода. Поэтому важно знать,
какую ткань стираешь.
Состав моющих
средств зависит
от того, что
предполагается ими
мыть и стирать.
154 Дары природы и химии
Из чего сделано стекло?
Стекло начали делать уже
в глубокой древности, с
тех пор как научились
смешивать кварцевый песок с
содой и известью, расплавлять
его, остужать и получать твер-
дый и прозрачный материал.
Вообще же основные стекло-
образующие вещества, а соот-
ветственно, и стекла бывают
разными. Например, есть стек-
ла оксидные, фторидные, суль-
фидные и др. Стекло, которое
делается из кварцевого песка,
как раз относится к оксидным.
В результате сплавления
смеси диоксид кремния SiOy
соды Na2CO, и карбоната каль-
ция СаСО3 образуется соеди-
нение состава Na,O CaO-6SiO,.
Кварцевый песок придает
стеклу прозрачность, но темпе-
ратура его плавления — 1700 °C.
У смеси с содой эта температу-
ра несколько меньше, что по-
зволяет работать с расплавом.
Однако смесь из песка и соды
растворилась бы от первого до-
ждя, поэтому для защиты от
воды ее укрепляют известью.
Кварцевый песок — основа
неорганического стекла.
вопросе
Какой материал является
основой неорганического
стекла?
Сода — один из основных
компонентов для производства
стекла.
Так добывают кварц.
Для остывшей стеклянной
массы характерен желтова-
то-зеленый или голубовато-зе-
леный оттенок. Но при же-
лании стекло можно сделать
цветным, добавляя при плав-
лении оксиды металлов. Ок-
сид железа дает красный цвет,
оксид никеля — красно-фи-
олетовый или коричневый,
медь или хром — зеленый, ок-
сид марганца — от желтого и
коричневого до фиолетового.
Прозрачные цветные стекла
позволили развиться искусству
витража.
Известняк.
Стекло используется
и в домах, и в автомобилях,
и в различных оптических
приборах.
Дары природы и химии 155
Первые стеклянные окна появились в Древнем Риме.
ВОПРОС 7
Какое соединение придает
стеклу фиолетовый цвет?
ОРГСТЕКЛО — ПРОЗРАЧНАЯ СМОЛА
Органическое стекло (оргстекло) сегодня широко
распространено. И если обычное силикатное стекло
сделано из неорганических веществ, то оргстекло, о
чем и говорит его название, — вещество органиче-
ское. Это виниловый полимер вещества метилмета-
крилата, собственно говоря, акриловая смола.
Оргстекло было создано в 1928 г.
и получило тогда название плексиглас.
ВОПРОС8
Из какой смолы делают оргстекло?
Секреты
красок
Краска состоит из пигмен-
та и связующего веще-
ства. Пигменты не рас-
творимы в красильной среде.
Обычно это мелкая дисперсия
минералов. Существуют также
красители, которые раствори-
мы в красильной среде. Обыч-
но это органические вещества.
Масляные краски произ-
водят из пигментов, которые
обычно смешивают с олифами
(сваренными растительными
маслами). Пигментами быва-
ют, например, сажа, цинковые
белила, серая алюминиевая пу-
дра, синие, фиолетовые, крас-
ные и зеленые соединения ко-
бальта, красные оксиды желе-
156 Дары природы и химии
за. Также в краски добавляют
тальк или каолин. Масляные
краски для живописи делают
из отбеленного рафинирован-
ного льняного масла и различ-
ных пигментов и наносят на
загрунтованную поверхность,
чаще всего на холст, натяну-
тый на раму.
ВОПРОС 9
Чем отличаются красите-
ли и пигменты?
Для акварельных красок
связующим веществом слу-
жит прозрачный растительный
клей — гуммиарабик. Влагу
удерживает глицерин, а ино-
гда мед или сахар. Для защиты
от плесени в краску добавляй и
фенол. Эго вредное вещество,
поэтому кисточки нельзя обли-
зывать.
Гуммиарабик (буквально —
«аравийская камедь») — вязкая
жидкость, которая выделяется
из акаций и заст ывает на
воздухе. Состоит главным
образом из арабина. Это
смесь калиевых, кальциевых
и магниевых солей арабииовой
кислоты.
ВОПРОС 10
Для чего в акварельные краски добавляют фенол?
Красители для тканей до XIX в. были только натуральны-
ми — из растений, насекомых, моллюсков. Так, синюю краску
добывали из вайды, потом — из ингигоферы, корней девясила,
желтую — из резеды, красную — из марены. Черный цвет давало
кампешевое дерево, а фиолетовый — лакмусовый лишай. Крас-
новато-фиолетовый пурпур извлекался из пурпурной улитки.
Пурпур стоил так дорого, что окрашенная им одежда в Древнем
Риме была знаком принадлежности к высшему сословию.
Натуральный краситель индиго, которым красят джинсы,
раньше изготавливали вручную. Собирали листья, высушивали,
измельчали, готовили отвар и окрашивали ткань.
1. Листья индигоферы
2. Сбор урожая
3. Высушивание сырья
4. Измельчение красителя
5. Окраска ткани
6. Готовая ткань
После появления синтетиче-
ских красителей многие расте-
ния перестали возделывать. Так
произошло с мареной, которая
давала красный краситель али-
зарин. Когда его выделили и на-
учились синтезировать, марена
оказалась не нужна.
Ализарин — производное
антрахинонов, которые
относятся к хинонам. Он образует
комплексные соединения с ионами
многовалентных металлов —
ализариновыми лаками.
Дары природы и химии 157
ВОПРОС 11
Почему перестали выра-
щивать марену?
в 1856 г. Он давал насыщенный пурпур-
ный цвет, который когда-то получали
из пурпурной улитки. Сегодня синтети-
ческих красителей насчитывается более
8000.
Самый первый синтетиче-
ский краситель — мовеин —
был создан на основе анилина
Анилин, на основе которого был
изготовлен первый синтетический
краситель мовеин.
Пластмассы
Пластмассы, или пласти-
ческие массы, произво-
дятся повсеместно. Так
они названы потому, что фор-
мируются под воздействием
нагревания или давления, а по-
том, охлажденные и отвердев-
шие, сохраняют свою форму.
По составу пластмассы пред-
ставляют собой полимеры, вы-
сокомолекулярные органичес-
кие соединения.
Первую пластмассу полу-
чил Александр Паркс в 1855 г.
и назвал в свою честь — пар-
кезин. Изобретатель получил
новый материал из целлюло-
зы, которую обработал азот-
ной кислотой и растворите-
лем. Правда, качество его ока-
залось низким, но это была
только первая проба. В 1870 г.
на основе той же нитроцел-
люлозы и камфары был по-
лучен улучшенный материал,
названный целлулоидом.
Сегодня широко произво-
дятся синтетические пластмас-
сы. Для их получения из нефти
или природного газа выделя-
ются исходные вещества: эти-
лен, ацителен, бензол, фенол и
др. Затем они подвергаются реакции полимеризации, поликон-
денсации или полиприсоединения. В качестве пластификаторов
применяются самые разные вещества, например сложные эфи-
ры, растительные и минеральные масла.
ВОПРОС 12
Из чего изготовили пер-
вую пластмассу?
Старые фото- и кинопленки
изготавливались из
целлулоида.
Винилхлорид — мономер
поливинилхлорида.
Среди пластмасс — множество по-
лимеров, названных по исходным ве-
ществам. Например, это полиэтилен,
полипропилен, поливинилхлорид. Из
полиэтилена делают бутылки и фляги,
из поливинилхлорида — трубы, садовую
мебель, изоленты и клеенки.
CI
Пластиковую мебель часто делают
из поливинилхлорида.
158 Дары природы и химии
Полипропилен использует-
ся в автомобильной промыш-
ленности, из него также делают
игрушки и водопроводные тру-
бы. Из полистирола произво-
дят столовые приборы и плиты
для теплоизоляции. Как ви-
дим, пластмасса действительно
применяется повсеместно, как
и другие искусственные мате-
риалы, которые дает нам хи-
мия.
Старые металлические трубы
заменяют пластиковыми.
ДВЕ СТОРОНЫ ХИМИИ
Благодаря химии люди получают ле-
карства и многие другие полезные
материалы. Химический синтез —
грандиозное явление. Но загрязнение
химическими отходами представляет
очень серьезную проблему. И нефть,
и пластики, сгорая, выделяют ядови-
тые вещества. Пластмассовые отходы
образуют в океане скопления, кото-
рые называют мусорными пятнами.
Два таких пятна имеются в Тихом, два
в Атлантическом и одно в Индийском
океанах. Животные иногда принима-
ют их за пищу и получают тяжелые от-
равления.
ВОПРОС 13
Какое время требуется для разложения
пластика?
Пластиковые отходы нужно перерабагыва i ь,
потому что сам пластик разлагается за 100—
300 лет.
ОТВЕТЫ
1. Физиологический раствор представляет
собой 0,9%-ный раствор хлорида натрия, он
изотоничен плазме крови.
2. Горько-соленый вкус морской воде прида-
ют соли магния.
3. Образуется водно-солевой раствор, кото-
рый тает при минусовых температурах.
4. Глицерин образуется при так называемом
косвенном методе.
5. В твердом мыле содержится натрий, в мяг-
ком и жидком — калий.
6. Основой неорганического стекла является
диоксид кремния SiOr
7. Фиолетовый цвет стеклу придает оксид
никеля или марганца.
8. Оргстекло делают из метилметакрилата.
9. Красители — обычно органические веще-
ства, растворимые в красильной среде. Пиг-
менты же нерастворимы; обычно это дис-
персия минералов, то есть неорганические
вещества.
10. В акварельные краски фенол добавляют
для защиты от плесени.
11. Раньше из марены получали краситель
ализарин, а когда его синтезировали, нужда
в растении отпала.
12. Первую пластмассу изготовили из цел-
люлозы.
13. Пластик разлагается за 100 — 300 лет.
Содержание 159
СОДЕРЖАНИЕ
ВЕЩЕСТВО И ЕГО СОСТАВ...............3
Вездесущая химия.................3
Химические науки.................
Вещество............5 .....5
Атом......................... 6
Элементы........................8
Периодический закон............10
Электронная конфигурация
элементов......................13
Распространенность химических
элементов в природе.......7....16
Молекулы.................. j,...19
Химические формулы............ 20
Химическая связь...............22
Число Авогадро................ 23
ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ..........0М^...26
Что такое химические реакции ф.
и как они происходят?...... 26
Окислительно-восстановительные
реакции.........................27
Выделение и поглощение тепла
при химических реакциях.........29
Типы превращения реагирующих
частиц......................... 30
Что такое катализаторы?.........31
РАСТВОРЫ.....................L.......33
Что такое растворы?........4......33
Растворение.....................35
Растворы в зависимости
от концентрации............✓ ...37
Дисперсные среды............... 38
Диссоциация и константа
равновесия.................х..40
Индикаторы...........JLwdMi»....41
ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ..............46
Что такое химическое соединение?.46
Смеси и соединения —
в чем различие?...............
Оксиды......................... 48
Основания........ду.............51
Кислоты........ 53
Соли........................... 57
МЕТАЛЛЫ
..60
Общие свойства металлов...........60
Производство металлов.............64
Химические свойства металлов......65
Электрохимический ряд
напряжений металлов
История металлов.....
Медь.................
Золото...
Серебро
Железо..
Свинец..
Олово....
74
78
80
85
87
Ртуть.................................90
НЕМЕТАЛЛЫ.........................94
Особенности неметаллов.........94
Водород....................... ^8
Кислород....................... 101
Природа горения...............104
Соединение двух неметаллов,
без которого невозможна жизнь.106
Азот........................... 108
Углерод....................... ИЗ
Фосфор......................... 116
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ...................120
Что такое органические соединения.120
Углеводороды...................126
Спирты..............~д^......129
Карбоновые кислоты................131
САМЫЕ ВАЖНЫЕ
ДЛЯ ОРГАНИЗМА ВЕЩЕСТВА.........136
Липиды.....................л*.....136
У глеводы................jjC...139
Нуклеиновые кислоты...............144
Аминокислоты и белки...яЛг.....146
ДАРЫ ПРИРОДЫ И ХИМИИ.....151
Незаменимая соль....
Из чего сделано мыло? .
Из чего сделано стекло?
Секреты красок......
Пластмассы..........
151
152
154
155
157
EHt
Научно-популярное издание
Д1Я СРЕДНЕГО И СТАРШЕГО ШКОЛЬНОГО ВОЗРАСТА
СПЕКТОР Анна Артуровна
ХИМИЯ
Ответственный за выпуск И. В. Резько
Подписано в печать 03.03.2017.
Формат 60x84'/,. Бумага офсетная
Уел. псч. л. 18,6. Тираж 3000 экз. Заказ 4129
ООО «Издательство АСТ».
129085, г. Москва, Звездный бульвар, д. 21, стр. 3, комната 5
www.ast.ru
«Баспа Лета» деген ООО
129085, г. Мэскеу, жулдызды гулзар, д. 21, 3 курылым, 5 болме
Б13Д1Н злектрондык мекенжайымыз: www.ast.ru
Казахстан Республикасында дистрибьютор
жэне ошм бойынша арыз-талаптарды кабылдаушыныц
oklti «РДЦ-Алматы» ЖШС, Алматы к., Домбровский кош.. 3«а», литер Б. офис 1.
Тел.: 8(727) 2 51 59 89,90,91,92
факс: 8(727)251 58 12 вн. 107: E-mail: RDC-Almaty(aeksmo.kz
Ohimhih жарамдылык мерим! шектелмеген.
Оид|рген мемлекет: Ресей
Сертификация карастырылган
Мы в социальных сетях. Присоединяйтесь!
https://vk.com/AST_planetadetstva
https://www.instagram.com/AST_planetadetstva
https://www.facebook.com/ASTplanetadetstva
Отпечатано в филиале «Тверской полиграфический комбинат
детской литературы» ОАО «Издательство «Высшая школа»
170040, г. Тверь, проспект 50 лет Октября, д. 46
Тел.: +7(4822)44-85-98. Факс: +7(4822)44-61-51
Электронный вариант книги:
Скан, обработка, формат: manjakl961
Знаете ли вы, что даже самые серьезные предметы школьной
программы бывают весьма занимательными? Не верите? Тогда
загляните в книги серии, которая так и называется: «Увлекательная
наука». Она создана для тех ребят, которые стремятся знать
намного больше, чем изучается на уроках.
Благодаря этой книге вы с удовольствием окунетесь в изучение
химии, которая открывает волшебный мир химических соединений,
окружающих нас в повседневной жизни. Вы почувствуете себя
настоящим ученым, ведь перед вами раскроются главные секреты этой
увлекательной науки, а ее законы станут понятнее и интереснее. А еще
вы удивите учителей и друзей своей эрудицией! Текст книги написан
простым языком, все законы, химические формулы и достоверные
факты объясняются без сложных теорий, с использованием аналогий,
сравнений, иллюстраций и схем.
Вперед — к новым знаниям! Познайте тайны окружающего мира, изучая
химию, ведь эта наука — важнейшая его часть!
УВЛЕКАТЕЛЬНАЯ НАУКА па» ХИМИЯ