Issuu on Google+

О. Г. Ярош енко

ПІДРУЧНИК ДЛЯ 9 КЛАСУ ЗАГАЛЬНООСВІТНІХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

КИЇВ «ОСВІТА» 2009

ББК 24я721 Я77 Рекомендовано М ініст ерст вом освіти і науки України (Наказ Міністерства освіти і науки України № 56 від 02.02.2009) ВИДАНО ЗА РАХУНОК ДЕРЖАВНИХ КОШТІВ. ПРОДАЖ ЗАБОРОНЕНО Відповідальні за підготовку до видання: головний спеціаліст МОН України Фіцайло С. С. , зав. сектора Інституту інноваційних технологій і змісту освіти Дубовик О. А. Експертизу підручника здійснювали: методисти Зламанюк Л. М. — кандидат пед. наук, завідуюча кафедрою теорії та методики Дніпро­ петровського ОІППО, Шевчук В. П. — завідувач НМК хімії Кірово­ градського ОІППО ім. В. Сухомлинського; науковець Кизенко В. І. (Інститут педагогіки АПН України) — кандидат пед. наук.

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ: — Сторінка природодослідника — Підіб’ємо підсумки — Сторінка ерудита — Перевірте свої знання

І8ВК 978-966-04-0725-1

© О.Г. Я рош енко, 2009 © Х удож нє оф ормлення, м акет. Видавництво «Освіта», 2009

Д о р о г і дев’ят и к л а сн и к и ! За цим підручником ви завершуєте вивчення хімії в основній школі. Він допоможе вам опанувати базові хімічні знання, передбачені навчальною програмою з хімії для 9 класу, які необхідні для повсякденного життя і достатні для загально­ культурної підготовки випускника основної школи. Навчальний матеріал підручника охоплює повторення основних питань курсу хімії 8 класу, три нові теми та узагаль­ нення знань. П е р ш і дві теми стосуються винятково важли­ вих у хімії понять про розчини та хімічні реакції. Т р е т я тема присвячена характеристиці найважливіших органічних сполук. Знання про ці речовини мають неабияке значення. По-перше, вони необхідні для здобуття базової хімічної освіти; по-друге, без знання основних біологічно важливих речовин неможливе вивчення біології в 10 класі; по-третє, у повсякденному житті ви стикаєтеся з органічними речовина­ ми частіше, ніж із неорганічними, оскільки їх у десятки разів більше. Сподіваюся, цей підручник створить надійне підґрунтя для подальшого набуття хімічних знань, якщо ви оберете відповідний профіль навчання у старшій школі. Адже підруч­ ник спрямований на посилення вашого інтересу до подальшо­ го вивчення хімії. Водночас ті з вас, чиє навчання у старшій школі не буде пов’язане з хімією, навчаться безпечного пово­ дження з речовинами у повсякденному житті. Як і в попередніх підручниках — з природознавства для 5 і 6 класів та хімії для 7 і 8 класів — тут використано перевірену часом структурну побудову змісту. Так, у параграфах чітко і лаконічно розкривається основний зміст навчального мате­ ріалу, який перемежований прикладами, містить детальний опис і пояснення демонстраційних дослідів, поділений підзаго­ ловками на логічно завершені частини. Наприкінці параграфів уміщено рубрику Підіб’ємо підсумки, де кількома реченнями передано головне з тексту, що буде орієнтиром під час повторен­ ня вдома матеріалу, вивченого на уроці. Сторінка природо­ дослідника містить практичні завдання дослідницького харак­ теру — домашній хімічний експеримент, лабораторні досліди, практичні роботи, надаючи тим самим можливість опанувати методи дослідження речовин і явищ. Ерудованість добре обізнаної у певній галузі наукового знання особистості формується за умови, якщо людина не З

обмежується мінімальною кількістю знань, а шукає джерела набуття нової інформації, багато читає, проводить власні дослідження, аналізує та порівнює інформацію тощо. Усім, хто виявить бажання розширити власну ерудицію в галузі хімічних знань, допоможе рубрика Сторінка ерудита. Завершальною є рубрика Перевірте свої знання, де вміщені різноманітні завдання і вправи, серед яки х ускладнені позна­ чено зірочкою. Систематично опрацьовуючи цю рубрику, ви зможете об’ єктивно оцінити рівень своїх знань. З цією ж метою після кожної теми наведено Завдання д ля підготовки до контролю знань. Кожна рубрика підручника має особливе позначення або ж виділена певним кольором, що допоможе вам швидко відшука­ ти потрібний текст. Прискорити пошук того чи іншого терміна допоможе П ред­ метний покажчик. Наприкінці підручника наведено Словник основних х ім іч ­ них термінів і понять — довідкова інформація — тлумачення ключових хімічних слів і словосполучень. У с п іх ів вам і наснаги у н аполегливом у опрацюванні навчального матеріалу підручника! Автор

4

П О В ТО РЕ Н Н Я О СНОВНИХ П И Т А Н Ь К УРС У Х ІМ ІЇ 8 К Л А С У

§ 1

С к ла д і властивості основних класів неорганічних сполук

З природознавства, хімії та фізики ви вже знаєте, що: • порівняно невелике число хім ічних елементів утворює понад 10 мільйонів речовин, які за своїм складом поділя­ ються на дві групи — прості речовини і складні речовини; • серед простих речовин розрізняють метали і неметали; • загальним поділ складних речовин здійснено на неорганічні та о р га н іч н і с п о л у к и ; • розрізняю ть такі основні класи неорганічних сполук: оксиди, кислоти, основи, с олі; • оксиди — це бінарні сполуки будь-якого хімічного елемента з Оксигеном ( пригадайте і наведіть приклади); • кислоти — це складні речовини, що містять атоми Гідроге­ ну, здатні заміщуватися на йони металічного елемента, та кислотний залишок (подумайте і наведіть приклади); • основи — це складні речовини, утворені металічним елементом та гідроксильними групами ( пригадайте і наве­ діть приклади); • солі — це складні речовини, утворені металічними елементами і кислотними залишками ( пригадайте і наведіть приклади). У межах кожного класу неорганічних сполук теж є свої кла­ сифікації. Зокрема, оксиди поділяють на осн овн і, кислотні, амфотерні; кислоти — на бе.юксигенові й оксигеновмісні, а та­ кож на одноосновні та багатоосновні; основи — на луги та нерозчинні основи; солі — на середні та кислі тощо. ( П ригадай­ те і наведіть приклади речовин до кожної .і класифікацій.) Кожному класу сполук притаманна певна сукупність хіміч­ них властивостей, повторити які вам допоможуть схеми 1— 6. Схема

1

Х імічні властивості основних оксидів ---------- ( Основний оксмд) — ► + вода --------------------------------- ► луг

— ► + кислотний оксид ------ ► сіль — ► + кислота ------------------------► сіль + вода

5

Схема 2 Х імічні властивості кислотних оксидів -( К т с ж т т й оксид] + вода

-► кислота

+ основа

-*■ сіль + вода

+ основний оксид

-*•

С ІЛ Ь

Схема З Хімічні властивості кислот

< + ІНДИКАТОРИ

с

Кислота Рожевий колір МЕТИЛОРАНЖ ) розчину

і

ЛАКМУС

-+ Ме(розміщений у витискувальному ряді до Н2) (|>---------------------------------- ------------- ► винятки: НМ03, Н23 0 4 (конц.) +МеО СІЛЬ + ВОДА

Ф л +Ме(ОН)п

------------- >► СІЛЬ + ВОДА

<3>

+ СІЛЬ (слабкішої чи леткої кислоти)

Ф-

а) НОВА СІЛЬ + НОВА КИСЛОТА (серед продуктів реакції має бути осад) б) НОВА СІЛЬ + ВОДА + ГАЗ Т Схема

4

Х ім ічн і властивості основ + КИСЛОТА

ФНЕРОЗЧИННА ОСНОВА

6

-► СІЛЬ +•ВОДА

РОЗКЛАДАЄТЬСЯ . ПІДЧАС НАГРІВАННЯ ОКСИД ф ------------------- — ---------------------- ► МЕТАЛІЧНОГО + ВОДА ЕЛЕМЕНТА

Схема 5 Хімічні властивості амфотерних гідроксидів + КИСЛОТА ф -------------------- — ---------------------- ► СІЛЬ + ВОДА

Амфотерний гідроксид

+ РОЗЧИННА ОСНОВА _ (ЛУГ) — ф ----------------------------------------------- ► СІЛЬ + ВОДА РОЗКЛАДАЄТЬСЯ ПІД ЧАС НАГРІВАННЯ ОКСИД Ф - -------------------------------------------- ► МЕТАЛІЧНОГО + ВОДА ЕЛЕМЕНТА

Схема 6 Хімічні властивості солей С ІЛ Ь + Ме (розміщений у витискувальному ряді ліворуч від металу, що утворив сіль)

ІНША 0> --------------------------------------» СІЛЬ + ЛУГ (у розчині)

НЕРОЗЧИННА ОСНОВА

+ СІЛЬ (якщо серед продуктів реакції буде о с а д )

--------------------------------------► ІНША СІЛЬ

+ КИСЛОТА (якщо серед продуктів реакції буде о с а д чи г а з ) ^

ф ---------------—

(£>

ІНША СІЛЬ

ІНША СІЛЬ

а) СІЛЬ + ІНША КИСЛОТА

--------------< і

ТЕРМІЧНИИ РОЗКЛАД (карбонатів, силікатів, нітратів тощо)

ІНШИМ МЕТАЛ

б) СІЛЬ + ВОДА + ГАЗ ДВІ ЧИ БІЛЬШЕ РЕЧОВИН (простішого складу)

Скористаємося схемами та розглянемо можливості хімічної взаємодії між речовинами, формули яких зазначено в таблиці: Речовина Ее ВаС12

Си804

Н28 0 4

С02

А1(ОН)3

1 6

неї №ОН СаО

11 16 21

2 7 12 17 22

3 8 13 18 23

4 9 14 19 24

кон 5 10 15 20 25 7

Я к бачимо, розгляду підлягають 25 пар речовин. Користую­ чись схемами 1— 6, робимо висновок, що можливий перебіг дванадцяти реакцій з двадцяти п’ яти. Це реакції під номерами 1, 2, 6, 7, 14, 15,16, 17, 18, 19, 22, 23. Запишемо їх рівняння: Ге + СиЗО, = ГеЗО, + Си Ге + Н 230., = ГеЗО, + Н2Т ВаС12 + СиЗО., = Ва80.,і + СиС12 ВаС12 + Н280, = ВаЗО,і +2НС1 ЗНС1 + АІ(ОН)., = А1С13 + ЗН^О НС1 + КОН = КС1 + Н 20 2МаОН + СиЗО, = Си(ОН)21 + N 8280., 2МаОН + Н 28 0 , = ^ 28 0 4 + 2Н20 2NаОН + С 0 2 = Ма2СО.} + Н20 ЗNаОН +А1(0Н )3 = ^ ;}[А1(0Н )6] СаО + Н280, = СаЗО, + Н20 СаО + С 0 2 = СаСО., В и вже знаєте такі т и п и х і м і ч н и х реакцій, як сполучення, розкладу, обміну, заміщення. ▲ Пригадайте їх особливості та зазначте, до яких із них належать розглянуті реакції. У 8 класі ви дізналися, що знання хімічних властивостей класів неорганічних сполук дають змогу розрізняти речовини, добувати з одних речовин інші. Повторимо це на конкретних прикладах. Приклад 1. За допомогою яких реакцій можна розпізнати розчини натрій гідроксиду, магній сульфату, цинк сульфату в трьох пронумерованих пробірках без етикеток? М і р к у є м о т а к : розпізнаванню підлягають одна основа (л у г ) і дві солі (мал. 1). Перед проведенням дослідів вміст кож­ ної пробі��ки розділимо на дві частини, скориставшись чисти­ ми пробірками під такими самими номерами. Відтепер маємо 2 набори однакових речовин. Попрацюємо з одним із них і спершу виявимо л у г за допомогою фенолфталеїну. Лиш е в одній пробірці розчин набуде малинового забарвлення (мал. 2). Отже, саме в цій пробірці міститься лу г натрій гідроксид. Д ля розпізнавання солей скористаємося другим набором пробірок, вилучивши з нього пробірку з натрій гідроксидом. Оскільки солі утворені однією й тією самою кислотою — сульфатною, то за допомогою якісної реакції на сульфати розріз­ нити ці речовини не вдасться. Залишається розпізнати солі за металічними елементами. Одному з них відповідає типова, але малорозчинна у воді основа магній гідроксид, іншому — нероз­ чинний у воді амфотерний цинк гідроксид. Порівнявши власти­ вості типових основ і амфотерних гідроксидів (схеми 4 і 5), 8

1

Мал. 1. Розчини речовин зовні однакові

Мал. 2. Виявлення розчину лугу за допомогою фенолфталеїну

з ’ ясовуємо, що відмінною ознакою у властивостях М ^ (О Н )2 і 2 п (О Н )2 є взаємодія з лугам и — цинк гідроксид реагує з лу го м , утворюючи розчинну сіль. До кож ної з пробірок додамо неве­ л и к і порції л у г у , наприклад калій гідроксиду: М^ЗО., + 2КОН = М £ (О Н )2і + К 28 0 4 2 п8 0 4 + 2КОН = 2 п( 0 Н ) 2І + К 280., Спостерігатимемо, як спочатку в обох пробірках випадуть осади білого кольору (мал. 3). А л е потім ли ш е в одній з них — де міститься цинк гідроксид — осад розчиниться в надлиш ку л у г у (м ал. 4). КОН

КОН

4

4

\

КОН ,, КОН Надлишок

1

Мал. 3. Утворення осадів нерозчинних основ

*

1

Мал. 1. Розчинення осаду амфотерного цинк гідроксиду при додаванні надлишку лугу 9

2 п(О Н )2 і + 2КО Н = К 2[2 п(О Н )4] Отже, у пробірці 1 міститься М £ 3 0 4, у пробірці 2 — N8011, у пробірці 3 — 2п80.г П риклад 2. За допомогою я к и х реакцій можна здійснити пе­ ретворення за схемою: 1 2 3 4 Са —> СаО —> Са(О Н )2 —> СаС12 —> С£|(NОд)2 51 6 7 СаС03 -> СаО -> С а804? Повторивши матеріал про хім іч н і властивості простих та складних речовин, ви дійдете висновку, що слід проробити ре­ акції, що відповідають таким хімічним рівнянням: 1) 2Са + 0 2 = 2СаО; 2) СаО + Н 20 = С а (О Н )2; 3) С а(О Н )2 + 2НС1 = СаС12 + 2 Н 20; 4) СаС12 + 2А£>Юз = Са(N О з)2 + 2АеС1і. ▲ П ом іркуйт е, чи можна в цьому випадку скорист ат ися нітратною кислотою, а не ї ї сіллю. 5) СаС12 + Ма2С 0 3 = СаСОді + 2ИаС1; 6) СаС03 = СаО + С0 2Т; 7) СаО + 8 0 3 = С а804. ▲ П ом іркуйт е, чи можна в цьому випадку скористатися сульфатною кислотою. Проведене повторення дасть вам зм о гу виконати завдання р у б р и к и ♦ П е р е в ір т е свої з н а н н я » , а т а к о ж відн ови ти у п ам ’ яті навчальний матеріал, що стосується основних класів неорганічних с п о л у к і є підґрунтям до подальш ого вивчення х ім ії. СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІДНИКА Завдання. З ’ясуйте, речовини яких класів неорганічних сполук на­ явні у складі: а) предметів вашого повсякденного вжитку (продукти харчування, засоби побутової хімії, косметичні засоби тощ о); б) пр е д­ метів побуту; в) лікарських препаратів.

10

СТОРІНКА ЕРУДИТА Д л я проведення реакції між барій хлоридом та сульфатною к исло­ тою не має значення порядок додавання речовин. Додаючи розчин кислоти д о розчину солі чи навпаки, відразу спостерігаємо випадання білого осаду барій сульф ату:

ВаСІ2 + Н23 0 4 = Ва504і + 2НСІ Ц ьо го не скажеш про добування ам ф отерних гідроксидів взаємодією розчинної солі відповідного металічного елемента з л у ­ гом. Так, якщо до розчину солі Алюмінію додати кілька крапель розчи­ ну калій гідроксиду і збовтати суміш, то відразу утвориться осад алюміній гідроксиду:

АІСІ3 + ЗКОН = АІ(ОН)3і + ЗКСІ Якщо ж до розчину лугу додавати розчин алюміній хлориду, то осад з'являється не відразу й розчину солі доведеться до да ти не кілька крапель, а значно більше. Висловіть свої припущення з приводу зазначених відмінностей.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ 1. Не користуючись підручником, сформулюйте означення ок­ сидів, кислот, основ, солей та складіть узагальнену схему відомих вам класифікацій неорганічних речовин. 2. До яких класів неорганічних сполук належать речовини, фор­ мули яких наведено: Н3Р04, Ге,(804)3, Си(ОН)2, Иа20, 8і02, НМ03, Ге(ОН)2, 2п8, ВаО, к 2с о 3, а і 2о 3? 3. Назвіть якомога більше ознак, за якими укладено такі перелі­ ки речовин та формул речовин: а) барій сульфат, барій силікат, барій карбонат; б) Н2803, Н 2804, Н28і03; в) ферум(ІІІ) гідроксид, алюміній гідроксид, хром(ІІІ) гідроксид; г) К 20, СаО, ВаО. 4. Є речовини: алюміній гідроксид, магній оксид, фосфор(У) оксид, аргентум(І) нітрат, вуглець, залізо, купрум(И) сульфат, сульфатна кис­ лота. Які з них взаємодіятимуть із натрій гідроксидом, а які — з хлоридною кислотою? Відповідь підтвердьте записами рівнянь реакцій. 5*. Напишіть якомога більше рівнянь реакцій, серед продуктів яких є вода.

§2

Хімічний з в ’язок і будова речовин

З природознавства, фізики та х ім ії ви вже знаєте, що: • різноманітність речовин зумовлена здатністю атомів одного хімічного елемента сполучатися між собою та з атомами інш их елементів за допомогою хім ічн ого з в ’язку; 11

• х і м і ч н и й з в ’язок — це взаємне притягування атомів, що забезпечує існування речовин із чітко визначеним складом. В утворенні хім ічн ого з в ’ я зк у головну роль відіграють неспарені електрони атомів, які дістали назву валент них елект ронів; склад ядер атомів є незмінним; • у процесі утворення хімічного зв ’ язку зовнішні енергетичні рівні електронних оболонок атомів (їх ще називають е л е к ­ тронними шарами) набувають завершеної стійкої та енерге­ тично вигідної електронної конфігурації з 8 електронів (для Гідрогену, Гелію, Л іт ію , Берилію, Бору — з 2 електронів); • завершеність зовнішніх енергетичних рівнів атомів дося­ гається за рахунок утворення сп ільн и х електронних пар, віддачі або приєднання електронів. Д л я пояснення суті х ім іч н о го зв ’ я зк у вчені ввели понят­ тя електронегативності. Еле кт ро не га ти вн іст ь — умовна величина, яка характеризує здатність атома притягувати до себе електрони інш их атомів. В елементів одного періоду вона зростає зліва направо, а в елементів головних підгруп — знизу вгору. ( Користуючись періодичною системою, визначте, ат о­ ми я к и х елементів: М а г н ію чи Хлору, Флуору чи Брому мають більшу елект ронегат ивніст ь.) • Основними типами хім ічного зв’ язку є ковалентний та йонний. • Ковалентним хімічним зв’ язком називають зв’ язок атомів за рахунок сп ільн и х електронних пар. Він властивий с п о л у ­ кам неметалічних елементів. Розрізняю ть ковалентний неполярний та ковалентний полярнии зв ’ язки. • К о в а л е н т н и м не п о л яр н и м називають хімічний зв’ язок за допомогою спільних електронних пар, які рівновіддалені від ядер обох атомів. • К о в а л е н т н и м п о л яр н и м називають хімічний зв’ язок за допомогою сп ільних електронних пар, я кі зміщ ені до більш електронегативного атома. • А т о м и здатні віддавати або приєднувати електрони і перетворюватися на заряджені частинки — нони: внаслідок віддачі електронів атоми перетворюються на пози­ тивно заряджені йони — катіони, внаслідок приєднання електронів утворюються негативно заряджені йони — аніони. • Й о н н и й з в ’я з о к — це з в ’ язок за рахунок притягання різнойменно заряджених йонів. Він властивий речовинам, утвореним атомами типових металічних і типових неме­ талічних елементів. • Тривимірне зображення порядку розміщення у просторі складових частин речовини — атомів, м олек ул, йонів — дістало назву кристалічна ґратка. 12

Х і м і ч н і р е а к ц ії су п р о в о д ж у ю т ь с я р уй н ув а н н я м одних х ім іч н и х зв’ язків та утворенням інш их. Так, у реакції натрію з хлором ковалентний неполярний зв’ язок м іж атомами Х л о р у у м о л е к у л і х л о р у руйнується, а утворена речовина натрій х л о ­ рид має йонний з в ’ язок: 2 ^ + С12 = 2ШС1 • С т у п ін ь о к и с н е н н я — умовний заряд атома у сп олуц і, о б ­ числений за умови, щ о сполука складається тіл ь к и з йонів. • Загальними правилами визначення ступеня окиснення ато­ ма є такі: ступінь окиснення атома у вільн ом у стані н у л ь о ­ вий; с т у п ін ь оки сн ен н я атомів О к си ген у в с п о л у к а х дорівнює —2 (є деякі винятки); ступінь окиснення атомів Г ід р о г е н у в с п о л у к а х дорівню є + 1 (є д е я к і в и н я тк и ); ступінь окиснення атомів металічних елементів у с п о л у ­ ках позитивний і дорівнює ч и с л у відданих валентних е л е к т ­ ронів; у с п о л у ц і сума п ози ти в н и х ступ ен ів о к и сн ен н я атомів дорівнює сумі негативних ступенів окиснення. П р и к ла д и утворення речовин з різними типами хім ічного зв’ язку. К о ж н и й к овалентний з в ’ язок утворю ється парою електронів, до ск ла д у я кої входить по одному електрону від кож ного атома. При цьому атом утворює ст іль к и електронних пар з інш им атомом чи атомами, с к ільк и електронів йому не вистачає до набуття зовнішнім електронним шаром заверше­ ної конфігурації. Звідси ц ілк ом очевидно, що, розглядаючи хім ічний зв’ язок, необхідно враховувати будову електронної оболонки атомів. П р и к лад 1. Утворення ковалентного хім ічн ого зв’ я зк у в м о л е к у л і х ло р у С12. Напиш емо електронну та графічну електрон н у ф ормули атома СІ: , 7С1 - 1в2 2»2 2рв Зв2 Зр5

ЕЗ И Е Ш Ш І ] 15

25

ЕШШШ 35

Зр

На зов н іш н ьом у ен ер гети чн ом у рівні в атома Х л о р у є 7 елек тр он ів, з я к и х один неспарений. Д о заверш ення зов­ н іш н ього енергетичного рівня атому не вистачає 1 електрона. Т о ж неспарений електрон одного атома Х л о р у й неспарений електрон д р угого його атома утворю ю ть с п іл ь н у е лек тр о н н у пару:

: С ії С І: 13

О ск ільк и електронегативність обох атомів однакова, е л е к т ­ ростатична сила притягання м іж негативно зарядж еною с п іл ь ­ ною електронною парою і позитивно зарядж еним и ядрами обох атомів теж однакова. Т ом у утворений зв ’ язок є ковалент­ ним неполярним. П р и к лад 2. Утворення ковалентного хім іч н ого зв’ я зк у в м о л е к у л і сірководню (гідроген сульф ід у) Н 28. Я к і в попередньому прикладі, м о лек ула утворена з атомів н ем еталічн и х елем ентів, але вони мають різну елек тр он ега­ тивність. Напишемо електронні та графічні електронні формули атомів обох х ім іч н и х елем ентів: ,Н -І8 і

Ш 15

16В - 1«2 232 2рв Зз2 з Е

З 15

ЕЗ !П ІП ІП 25

п ТІ т т 35

Зр

На зовніш ньом у енергетичном у рівні в атома С ульф уру є 6 електрон ів, з них 2 неспарених. Д о заверш ення зовніш нього енергетичного рівня й ом у не вистачає 2-х електрон ів. У атома Гідроген у є один електрон на перш ому і єдином у енергетично­ му рівні, д ля досягнення заверш еності якого не вистачає ще одного електрона. Т ож атом С ульф уру, завдяки наявності в нього двох неспарених електрон ів, утворює дві сп ільн і е л е к ­ тронні пари (по одній із кож ним атомом Гідроген у):

Н

Н

Відтепер атоми Гідроген у маю ть завершені д ля них двохелектронні зовніш ні енергетичні рівні, а атом С ульф уру — за­ верш ений зовніш ній енергетичний рівень з восьми електронів. З ряду електронегативності видно, щ о С ульф ур є більш електронегативним елем ентом . Т ом у с п іл ь н і елек тр он н і пари зм іщ ен і від Гідр оген у до С ульф уру. П р и к лад 3. Утворення йонного хім іч н ого зв’ я зк у в к альц ій оксиді СаО. Н ап и ш ем о елек т р о н н і та граф ічні еле к т р о н н і ф орм ули атомів К а ль ц ію й О ксигену: 20Са - І з 2 2»2

15 14

25

2рв

з 32

Зрв

4»2

Ті і і м

|ТТ

и и ІЗ

ЕЗ

35

Зр

45

„О 1»2

2«2

ЕЗ Е ] 15

25

2р*

Т 1 2р

В атомі К альцію є 2 електрони на зовнішньому (четвертому) енергетичному рівні, до завершення якого не вистачає ще 6 електронів. Проте він має завершений передостанній (третій) електронний шар. Тож у разі віддачі двох електронів четверто­ го енергетичного рівня зовнішнім стає передостанній енерге­ тичний рівень, що має завершену стійку конфігурацію з 8 електронів. А т о м у К альцію енергетично вигідніше віддати 2 електрони, ніж приєднати 6. Віддаючи 2 електрони зовніш­ нього енергетичного рівня, він перетворюється на катіон Са2+, а Оксиген, атому якого не вистачає до завершення зовнішньо­ го енергетичного рівня 2-х електронів, їх приєднує і перетво­ рюється на аніон О2-. Схематично зміну в будові електронних оболонок атомів Кальцію й Оксигену та утворення їх йонів можна записати так: Са°

+

->

(2е8е8е2е) ( 2е 6е )

[С а]2^ +

[ 0 ] 2~

(2е8е8е) ( 2 е8 е )

Завдяки електростатичним силам притягання м іж р із ­ нойменно зарядженими катіоном Кальцію й аніоном Оксигену утворився йонниіі з в ' яз о к . Тип хім ічн ого зв ’ я зк у впливає на структуру і фізичні властивості речовин. Так, с п о л у к и , я кі містять у вузлах кристалічної ґратки йони, належать до твердих і тугоплавких речовин (натрій хлорид, натрій гідрогенкарбонат, кальцій карбонат). Серед речовин із ковалентним зв’ язком за звичайних умов чимало газів (водень, кисень, азот, амоніак, метан), рідин (вода), хоча є й тверді речовини (фосфор(У) оксид, глюкоза С6Н 12Об, сахароза С 12Н 22011)С Т ОР І Н КА ЕРУДИТА

Метали у твердому стані існують у формі кристалів, у вузлах крис­ талічної ґратки яких перебувають як нейтральні атоми, так і катіони, на які перетворилася частина атомів через втрату валентних електронів зовнішнього енергетичного рівня. Ці електрони вже не належать яко­ мусь конкретному атому, а розподілені між позитивно зарядженими йонами металічних елементів, завдяки чому виникає металічний зв'язок. М еталічний з в ’я зо к — зв'язок йонів металічних елементів з віль­ ними узагальненими (усуспільненими) електронами зовнішнього енергетичного рівня, що втратили зв'язок із власними атомами й можуть вільно переміщуватися в металі. Наявністю цих електронів зумовлені такі загальні фізичні власти­ вості металів, як високі електро- і теплопровідність, блиск, плас­ тичність. 15

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ 1. На основі узагальнення знань про хімічний зв’ язок складіть схему «Типи хімічних зв’ язків*. 2. Поясніть утворення хімічного зв’ язку в речовинах, що мають формули N 3, МН3. КС1. Визначте ступені окиснення атомів. 3. Спрогнозуйте тип хімічного зв’ язку, що утвориться між атома­ ми хімічних елементів із протонними числами: а) 11 і 1; б) 12 і 8. 4. За рахунок скількох неспарених електронів атом Фосфору утво­ рює хімічні зв’язки з атомами Гідрогену? 5. Які катіони входять до складу бінарних сполук, утворених хі­ мічними елементами: а) Літієм і Нітрогеном; б) Натрієм і Бромом; в) Калієм і Гідрогеном? Відповідь підтвердьте записом електронних формул атомів та йонів кожного елемента. в*. Пам’ятаючи, що хімічні реакції супроводжуються руйнуван­ ням одних зв’ язків й утворенням інших, поясніть, як змінюються хімічні зв’ язки у процесі взаємодії: а) водню з хлором; б) заліза з хло­ ром. 7*. Чим можна пояснити, що лід плавиться за температури 100 °С, а натрій хлорид — понад 1000 °С?

16

Вивчивши цю тему, ви дізнаєтеся п р о: • істинні р о зч и н и , д и с п е р с н і с и с те м и та колоїдні розчини; • к о м п о н е н ти істи н н о го р озчи ну та с п о с о б и в и р аж е н н я їх вм істу в склад і розчину; • р озчи нн ість як унікальну властивість води, за в д яки якій в о р га н із м а х відбуваю ться п р о ц е с и ж и ттєд ія л ь н ості, воду за с то со в ую ть на ви робництв і та в побуті; • поділ речовин за розчи нн істю у воді на розчи нн і, м а л о ­ розчи нні та н еро зчи н н і; • поділ розчинів на наси чені й ненасичені; • ф ізи ко -хім іч н и й зм іст п р о ц е с у ро зчи н ен н я; • е л е ктр о л іти чн у д и с о ц іац ію — р о з п а д речовин у водних р о з ­ чинах чи р о зп л а в а х на йони; • осо б л и во сті р е а кц ії обм ін у між р о зч и н а м и електрол ітів та ум о в и їх п ереб ігу.

Знання цієї теми збагатять вас такими вміннями: • р о зр ізн я ти ко м п о н е н ти розчину, виявляти катіо н и й аніони у р о зчи н ах електролітів; • обчи сл ю в ати м асову частку і м ас у р о з ч и н е н о ї речов и ни в розчині; • в и готовляти р о зчи н и з певною м асов ою часткою р о з ч и н е ­ н о ї речовини; • скл а д ати рівняння е л е ктр о л іти чн о ї д и с о ц іа ц ії лугів, кислот, с олей ; • скл а д ати рівняння реакц ій й о н н о го о б м ін у в повній та с к о ­ р оченій ф орм ах; • ко р и с тув а ти ся та б л и ц е ю р о зчи н н о с ті у воді (з а т е м п е р а ту р и 20— 25 еС) для прфскоаування.Л.е р е б ігу хімічних р еакц ій ; • р о зв 'я зу в а ти е кс п е р и м е н та л ь н і задачі на .вкЗ'йачеИФ* р о зп ізн а в а н н я речовин у розчині.

§3

П оняття про розчини

Я к вам відомо, чисті речовини — це речовини, що не містять домішок інш их речовин. Ви також знаєте, що суміші складаються з двох і більш е речовин, або компонентів. С ум іш і бувають однорідні й неоднорідні. Перші ще назива­ ють гомогенними (грец. Ното« — рівний, однаковий), другі — гетерогенними (грец. Неіегоз — інший, неоднаковий). В однорідній сум іш і компоненти не можна виявити ні візу­ ально, ні за допомогою оптичних приладів, тому що між речо­ винами не існує поверхні поділу. Наприклад, столовий оцет, мінеральна вода, підсолена вода. У неоднорідній суміш і компоненти можна виявити за допо­ могою оптичних приладів, а то й візуально. Наприклад, суміш цукру й піску, крейди і води тощо. ▲ П ригадайт е способи розділення сумішей та запропонуйте, я к можна розділит и суміш ку хон н ої солі и води; крейди й води, цукру й піску. П о н я т т я про розчини. Однорідні с у м іш і д іста ли назву іс т и н н и х р о з к и п ів (доволі часто перше слово не вживають або замінюють його словом «справж ній* розчин). Прикладом розчинів є підсолоджена цукром вода, повітря, / латунь (сплав міді з цинком). Наведені приклади свідчать, що розчини бувають рідкі, газуват і та тверді. У складі розчину розчинена речовина може бути подрібнена до стану м олек ул (наприклад, водний розчин цукру) або йонів (наприклад, вод­ ний розчин кухонної солі). Про істинні розчини кажуть, що вони являю ть собою одну фазу. В неоднорідних суміш ах існує поверхня п оділу речовин, тому вони складаються з двох чи більше фаз. Значення розчинів у природі та житті людини. Значення розчинів у природі та житті лю дини неможливо переоцінити. Без них не виникло б життя на нашій планеті. А д ж е доісто­ ричні організм и сперш у отр и м ув а ли н еобхідн і для ж иттєдіяльності речовини ли ш е з водного середовища. У с у ­ часних організмах, незалежно від середовища їх існування, всі біологічно важливі процеси (обмін речовин та енергії, ди хан ­ ня, ви ділен н я т о щ о ) відбуваються за участю розчинів. Поживні речовини всмоктуються у кров та переносяться по всьому організму ли ш е в розчиненому стані. С к ільк и б пожив­ них речовин не містилося в ґрунті, рослини зм ож уть ними скористатися ли ш е в складі розчину. Багато засобів побутової хім ії, л ік и , косметичні вироби, продукція харчової і мета­ л у р гій н о ї промисловості — наочні приклади використання розчинів у побуті та житті людини (мал. 5). 18

Мал. 5. Приклади розчинів Розчин та його компоненти. Р о згля н е м о розчини б ільш детально. З природознавства ви знаєте, щ о у ск лад і розчину розрізняють два компоненти — р о з ч и н н и к та р о з ч и н е н у р е ч о ­ в ину (розчинені речовини). Р о з ч и н н и к о м прийнято називати компонент розчину, вміст якого більш и й і в середовищі якого рівномірно розподілені розчинені речовини. Реш та речовин, наявних у розчині, діста­ л и назву р о з ч и н е н і р е ч о в и н и . Утворені з розчинника та р озчи ­ неної речовини гомогенні сум іш і не можна розділити ф іл ь т р у ­ ванням, і вони здатні залиш атися незмінними дуж е довго. Здебільш ого розчинник і виготовлений розчин перебувають в одному агрегатному стані. Вода як розчинник. Серед відомих речовин є чимало таких, які здатні розчиняти в собі інш і речовини, тобто бути р о з ч и н ­ ником. Ц е вода, етанол (медичний спирт), бензин (сум іш бінар­ них сполук Карбону з Гідрогеном, виділених зі ск ла д у нафти), сірковуглец ь С32 (бінарна сп олук а Карбону із С ульф уром ), ацетон, м о л е к у л и якого складаються з атомів Карбону, Гід р о ­ гену й Оксигену, та деякі інш і речовини. І все ж універсальним розч и н н и к ом , тобто таким , у я к о м у р озч и н яється багато інш их речовин,' є вода. Саме тому, вивчаючи у 8 класі власти­ вості основних класів неорганічних сп олук , б іль ш іст ь дослідів ви проводили з водними розчинами основ, кислот, солей.

ж—19

Мал. 6. Розчинення речовин у воді: а — хлороводню; б — сульфатної кислоти; в — цукру Універсальність води як розчинника підтверджується ще й тим, що в ній розчиняються речовини будь-якого агрегатного стану: 1) газувата речовина хлороводень (гідроген хлор и д ), розчи­ няючись у воді, утворює хлоридну кислоту (м ал. 6. а); 2 ) рідина сульфатна кислота дуж е добре розчиняється у воді, незалежно від того, багато чи мало води д л я цього взято (м ал. 6 , б); 3) тверда речовина цукор також л е г к о й швидко розчи­ няється у воді (м а л. 6 , в). Розчинені речовини у перших двох прикладах перебувають у розчині у ви гляді йонів, що, як і нейтральні м о л е к у л и , м а­ ють дуж е м алі розміри. Т о ж ц ілк о м зрозум іло, щ о ї х не можна побачити ні візуально, ні в найпотуж ніш ий мікроскоп. Р о з ч и ­ нена речовина у третьому прикладі перебуває у вигляді м о л е ­ к у л , що рівномірно розподіляю ться між м олек ула м и води, я к и х ми побачити так сдмо не можемо. З ’ ясуємо, завдяки чому вода наділена властивістю розчиня­ ти багато різних речовин. • П о н яття про водневий зв’ язок. Повторивши основні питан­ ня курсу х ім ії 8 к ласу, ви пригадали, щ о вода Н 20 — речовина м о л е к у л я р н о ї будови з к о в а лен тн и м п о л я р н и м зв ’ язком (м а л. 7), яка за кімнатної температури перебуває в рідкому агрегатному стані. На цьому м алю н к у відображено утворення ковалентного зв’ я зк у та порядок сполучення атомів у м о л е к у л і води, але не передано просторове розміщ ення атомів один стосовно одного. Насправді м о лек у ла води має кутову будову. Я к щ о сполучити уявними л ін ія м и атом Оксигену й 2 атоми Гідрогену, то утво­ 20

Мал. 7. Схема утворення кова­ лентного зв’ язку у молекулі води

Мал. 8. Кутова будова молекули води

риться рівнобедрений трикутник, у яком у валентний кут між хімічними зв ’ язками становить 104,5° (м ал. 8 ). О с к іль к и атом Оксигену б іл ь ш електронегативний, ніж сполучені з ним атоми Гідрогену, то спільні електронні пари зм іщ ую ться до Оксигену. Внаслідок цього атом Оксигену набу­ ває невеликого (часткового) негативного електричного заряду 8~ (читається дельта мінус), а кожний атом Гідрогену — неве­ л и к о г о (ч а ст к о в о го ) позитивного е л е к т р и ч н о го заряду 5+ (читається д ельта плю с). М олек ула м води цих зарядів цілком достатньо, щоб виникла сила притягання м іж різнойменними частковими зарядами на Гідрогені однієї м о ле к у ли та Оксигені інш ої й утворився водневий зв’ язок (м а л. 9). Як видно з ма­ люнка, атом Гідрогену однієї м о л е к у л и води завдяки наявності в н ього часткового позитивного зар яд у п р и тя гується до неподіленої пари електронів атома Оксигену сусідньої молекули. Сила притягання, що виникла м іж ними, спричинила утворен­ ня водневого зв’ язку. Умовно його позначають трьома крапка­ ми. І хоча водневий зв’ язок приблизно в 10 раз слабкіш ий за ковалентний, проте його наявність між м олек улам и води з у ­ мовлює такі її властивості, як відносно високу температуру кипіння ( + 100 °С), рідкий агрегатний стан за звичайних умов, здатність розчиняти багато речовин з йонним та ковалентним полярним з в ’ язками. Й

•н

н...

Мал. 9. Утворення водневого зв’ язку між молекулами води _2 1 _

о Мал. 10. Диполь молекули води

< О ї> ~ Мал. 11. Диполь-дипольне притягання молекул води

Водневий зв’ язок може також утворюватись м іж атомом Гідрогену та атомом Ф л у о р у , атомом Гідрогену та атомом Нітрогену. Повернемося до просторового розміщення атомів Оксигену та Гідрогену у м о лек у ла х води. Я к видно з малюнка 8 , обидва атоми Гідрогену розміщені по один бік від атома Оксигену. Н а ­ явність часткового негативного заряду в атома Оксигену та часткових позитивних зарядів у атомів Гідрогену робить м оле­ к у л у води полярною (м ал. 10). Про такі м о лек ули каж уть, що вони є електричними диполями, або просто диполями. Д и п о л і притягуються один до одного своїми протилеж но за­ рядженими полюсами й утримуються один б іл я одного водне^" вими зв’ язками (м ал. 11). М и р о згля н у ли утворення водневого зв’ язку м іж м о л е к у л а ­ ми води. Проте існую ть речовини, наприклад б іл к и , у яки х він може виникати й м іж ділянкам и однієї м олек ули . Розчинність. Р із н і речовини в однакових порціях розчинни­ ка розчиняються в різній к ількості. Ц я індивідуальна влас­ тивість речовин є однією з їх фізичних характеристик, що дістала назву розчинності. ▲ Пр и га да й т е та назвіть інші фізичні характеристики речовин. Розчинність — це здатність речовини розчинятися в тому чи інш ому розчиннику з утворенням істинних розчинів. Здатність води розчиняти речовини зумовлена полярністю її м о л е к у л . Наприклад, при потраплянні натрій хлор и д у у во­ ду її диполі орієнтуються навколо йонів Натрію та Х л о р у , як показано на м алю нку 12. П ісля того як сила притягання йона до диполів води подолає с и л у притягання різнойменно за ­ ряджених йонів у кристалі солі, йон переходить у розчин. Нові диполі продовжать подібну роботу з черговим пластом йонів у кристалі солі. Триватиме це доти, доки маса солі, що розчини­ лася, не досягне межі її розчинності. 22

Мал. 12. Схема розчинення натрій хлориду у воді Найчастіше к ількісн е вираження розчинності здійснюють із розрахунку маси розчиненої речовини на 100 г розчинника. М еж ею розчинності є м акси м альн о м ож ли ва маса чи о б ’єм (д л я газів) розчиненої речовини, що за конкретних умов (температури, тиску) розчиняється у 100 г розчин­ ника. Наприклад, розчинність кухонної солі 35,9 г за температу­ ри +20 °С означає, що у 100 г води за цієї температури можна розчинити щ онайбільш е 35,9 г цієї речовини. Розчин, виготов­ лений у такий спосіб, буде на си чен и м за температури +20 °С. Додаткові порції солі в ньому за цієї температури розчинити неможливо. Насичений розчин — розчин, у якому дана речовина за даної температури б ільш е не розчиняється. Я к щ о ж виготовити розчин за ц ієї сам ої температури, наприклад, із 3,59 г солі і 50 г води, то він буде ненасикеним . Назва свідчить про те, що розчин можна й далі «насичувати*, розчиняючи нові порції солі. За розчинністю, визначеною за температури +20 °С, тверді та рідкі речовини умовно класифікують на розчинні, малороз­ чинні та нерозчинні. 23

Схема

7

К ласи ф ікац ія речовин за розчинністю

Розчинні (більше 1 г у 100 г води)

Нерозчинні (менше 0,1 г у 100 г води)

М алорозчинні (від 0,1 гдо 1 г у 100 г води)

Визначивши розчинність основ, кислот і солей у воді за температури +20 °С — +25 °С, у к л а л и таблицю їх розчин­ ності. Ознайомтеся з цією таблицею та її умовними позначен­ нями на форзаці 2 підручника. Н адалі ви часто нею користу­ ватиметеся. Залеж ність розчинності від різних чинників. Розглянемо, як на розчинність речовин у воді впливають температура (д ля твердих і рідких речовин) та т и ск (д ля газів). П риклад 1. В плив температури на розчинність твердих речовин. Д л я б іл ь ш о с т і т в ер д и х речовин р о з ч и н н іс т ь з б іл ь ш у є т ь с я зі зб іл ь ш е н н я м температури. Т а к , як щ о за температури +20 °С розчинність к а лій нітрату становить 40 г, то за температури +80 °С у 100 г води розчиняється вже 140 г ц іє ї солі. Добре відома та широковживана кухон н а с іл ь теж з б іл ь ш у є свою розчинність під час нагрівання, проте не на с т іл ь к и , як к а лій нітрат. Так, розчинність к у х о н н о ї солі за температури +20 °С дорівнює 35,9 г, а за температури + 100 °С — 39,4 г. Проте трап ляю ться тверді речовини, р оз­ чинність я к и х зі зб іль ш ен н я м температури зм енш ується, як це відбувається у л іт ій карбонату. За м алю нком 13 озн ай о­ мимося з розчинністю д еяк и х ін ш и х речовин за леж н о від температури. Д л я порівняння м еж і розчинності різних речовин у воді за різн и х тем ператур скористаєм ося таблицею 1, в якій зазначено розчинність у грамах на 100 г води д л я д ея к и х речовин.

24

80

0

10

20

ЗО

40

50

60

70

80

90

100

Температура, С Мал. 13. Залежність розчинності деяких твердих речовнн від температури Таблиця 1 Розчинність деяких речовин (у грамах на 100 г воли) Розчинність за різної температури Речовина +20 °С

+50 °С

+80 °С

+ 100 °С

КнліГі бромід

65,2

80,8

94,6

103,3

Натрій хлорид

35.9

36.8

38.1

39,4

0,206

0,180

0,102

0.066

Кальцій сульфат

Як видно з таблиці, кожна речовина залежно від температу­ ри характеризується певним значенням розчинності. Так, се­ ред наведених речовин зі збільшенням температури помітно збільшується розчинність у воді калій броміду, тоді як зі зміною температури розчинність натрій хлориду змінюється неістотно. Розчинність кальцій сульфату з підвищенням температури зменшується. 25

Приклад 2. Вплив температури на розчинність газів. Розчин­ ність газів з підвищенням температури зменшується. Пояснюєть­ ся це тим, що нагрівання прискорює рух молекул, внаслідок чого частина з них залишає розчин. Тож, коли виникає потреба розчи­ нити якомога більше газуватої речовини у певному об’ємі води, слід вдатися до охолодження, а не до нагрівання розчину. Приклад 3. Вплив тиску на розчинність газів. У цьому ви­ падку розчинність газу прямо пропорційна тиску, тобто, чим вищий тиск, тим більша розчинність. Усім вам добре відомі такі газовані напої, як мінеральна вода, кока-кола, лимонад тощо. Однією зі стадій їх виготовлення є насичення напоїв вуг­ лекислим газом під тиском у кілька атмосфер. Коли ж пляш ку відкорковують, тиск всередині неї знижується, завдяки цьому відбувається енергійне виділення «зайвого» газу. Зі зниженням тиску розчинність газуватих речовин у воді зменшується. Отже, якщо є потреба у розчиненні більшого об’ єму газу­ ватої речовини, розчинення слід проводити за підвищеного тиску. СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІДНИКА Завдання. Відкрийте пляшку із сильногазованою водою (за кімнат­ ної температури) й відразу на її горловину надіньте та закріпіть скотчем повітряну кульку. Періодично спостерігайте за кулькою протягом кількох годин. Чи змінився її об’єм? Після цього, не знімаючи повітряної кульки, помістіть пляшку на деякий час у холодильник. Як змінився о б’єм кульки? Поясніть результати спостереження.

______ПІДІБ 'ЄМО ПІДСУМКИ. • Істинний розчин — це однорідна суміш, у якій навіть за допомогою потужного мікроскопа не можна розгледіти частинки речовин. • У розчині розрізняють два компоненти — розчинник та роз­ чинену речовину. Серед компонентів розчину розчинником є той, що взятий у більш ій кількості і має однаковий із розчи­ ном агрегатний стан. • Здатність води розчиняти речовини з йонним та ковалентним полярним зв’язками зумовлена полярністю її молекул. • Водневий зв’ язок — це зв’ язок між позитивно зарядженим атомом Гідрогену однієї молекули і негативно зарядженим атомом іншої чи тієї самої молекули. 26

• Насичений розчин — це розчин, у якому за даних умов роз­

чинено максимально м ож ливу масу розчиненої речовини. • Межею розчинності речовини є 'її вміст у розчині. Розчинність речовини обчислюють зазвичай у грамах на 100 г розчинника. СТОРІНКА ЕРУДИТА Елемент однієї з Оксигеном підгрупи Сульф ур також утворює л е т ­ ку водневу сполуку, що має однакову з водою загальну форм улу Н20 та один тип хімічного зв ’язку. Незважаючи на значну схожість складу та будови цих речовин, вода за кімнатної температури — рідина і д о б ­ рий розчинник, а гідроген сульф ід (сірководень) Н23 — газ, не зд а т­ ний розчиняти тверді та рідкі речовини. Причину слід шукати у різниці значення електронегативності цих елементів VI групи головної підгрупи. В Оксигену електронегативність більша, ніж у Сульфуру. ( Відшукайте зазначені елем енти у ряді елект­ ронегативності та переконайтеся в цьому.) Тому в молекулі води спільні електронні пари сильніше зміщені до Оксигену порівняно зі зміщенням спільних електронних пар у молекулі сірководню. Частко­ вих зарядів, що виникають при цьому, в молекулах води достатньо д л я утворення водневого зв’язку, а в молекулах сірководню — ні. Тому міжмолекулярна взаємодія в сірководню менша, молекули більш рух­ ливі, агрегатний стан — газуватий, здатність розчиняти тверді та рідкі речовини відсутня.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ 1. За таблицею розчинності основ, кислот і солей з’ ясуйте: а) у якої з неорганічних кислот усі солі розчинні у воді; б) у яких металічних елементів усі солі розчинні у воді. 2. Користуючись відомостями таблиці 1 (с. 25), обчисліть: а) яка маса калій броміду випаде в осад, якщо 389,2 г насиченого за температури +80 °С розчину охолодити до температури +20 °С; б) яку масу натрій хлориду необхідно розчинити у 135,9 г насиче­ ного за температури +20 °С розчину, щоб виготовити насичений при + 100 °С розчин цієї речовини. 3. Наведіть по два приклади розчинних, малорозчинних та прак­ тично нерозчинних речовин — представників різних класів. 4*. Який тип хімічного зв’ язку в молекулі вуглекислого газу? Чи здатна ця речовина утворювати диполі, якщо у просторі всі атоми розміщені на одній лінії, тобто валентний кут дорівнює 180°? Відпо­ відь обґрунтуйте.

§4

П оняття про ди сп е р сн і систем и

З поняттям системи ви ознайомилися ще в курсі приро­ дознавства і знаєте, що система — це єдине ціле, утворене з 27

окремих частин (компонентів). Позбавлена однієї зі складових частин, система втрачає цілісність і припиняє існування. Пригадайте, що прикладами природних систем є клітина, організм, екосистема (ліс, водойма тощо), штучних — авто­ мобіль, годинник, сад, акваріум тощо. У х ім ії розрізняють також дисперсні системи, компонен­ ти яких дістали назву фази. Особливість дисперсних систем полягає в тому, що між їх компонентами існує поверхня поділу. Дисперсні системи — це гетерогенні системи, що склада­ ються з двох або більше компонентів (фаз), між якими існує поверхня поділу. Одна з фаз утворює суцільне дисперсне середовище, в об’ємі якого рівномірно розподілені тверді частинки, краплі чи пухирці іншої фази, що дістала назву дисперсної фази. Наприклад, у каламутній воді, що містить глину, тверді частинки глини є дисперсною фазою, а вода — дисперсним се­ редовищем; у тумані дисперсна фаза — це частинки рідини, а дисперсне середовище — повітря; у молоці — частинки жиру є дисперсною фазою, а рідина — дисперсним середовищем. До дисперсних систем належать також дим, хмари, зубна паста, бетон, гума, пінопласт, кольорове скло тощо. Широкого вжит­ ку набули штучно виготовлені дисперсні системи з газуватим дисперсним середовищем, або аерозолі. Це добре вам відомі лак для волосся, антистатикн, дезодоранти тощо. Дисперсним середовищем прийнято вважати речовину, вміст якої в дисперсній системі більший. Дисперсна фаза і дис­ персне середовище можуть перебувати в однаковому або різних агрегатних станах (мал. 14). ▲ Поміркуйте іі назвіть, що у наведених на малюнку 14 прикладах дисперсних систем є дисперсною фазою, а що — дисперсним середовищем. На відміну від істинних розчинів, частинки дисперсної фази мають такі розміри, що дають змогу виявити їх візуально або ж за допомогою оптичних приладів. Так, розглядаючи молоко в мікроскоп, можна побачити краплини жиру (мал. 15). За ступенем подрібненості частинок дисперсні системи поділяють на колоїдні розчини і суспензії. Серед суспензій ще виокремлюють емульсії — дисперсні системи, в яких і диспе­ рсна фаза, і дисперсне середовище є рідинами. Рідини у складі емульсії не змішуються між собою, а розміри частинок диспе­ рсної фази близькі до їх розмірів у суспензіях. Прикладами емульсій є молоко, шампуні, креми для обличчя, деякі рідкі ліки, соки рослин, нафта. 28

Мал. 14. Приклади дисперсних систем

Мал. 15. Краплина молока під мікроскопом На схемі 8 подано класифікацію дисперсних систем, а в дужках зазначено розміри частинок дисперсної фази в мано­ метрах (1 нм = 10-9 м). Схема 8 К ласиф ікація дисперсних систем за розміром частинок дисперсної фази Д И С П Е Р С Н І С И С ТЕ М И

Колоїдні розчини (частинки від 1 до 100 нм)

Суспензії, е м ульсії (частинки понад 100 нм)

Частинки колоїдних розчинів, як і істинних розчинів, про­ ходять крізь пори фільтра, тому ці дисперсні системи містять у 29

Мал. 16. Розсіювання світла колоїдними частинками розчину своїй назві слово «розчин*. Проте розмір частинок дисперсної фази в них, на відміну від м олек ул чи йонів істинних роз­ чинів, такий, що дає змогу розгледіти їх у мікроскоп. Колоїдні розчини також можна виявити, якщ о їх освітлювати збоку. Так, якщ о в темряві спрямувати промінь світла на колоїдний розчин (м ал. 16), колоїдні частинки стають видимими і розчин видається каламутним (через розсіювання світла частинками дисперсної фази). Пояснюється де тим, що хоча частинки дис­ персної фази колоїдних розчинів і малі, щоб їх побачити візу­ ально, проте вони достатньо великі, щоб відбивати світло та створювати світловий промінь. У фізиці це явище відоме як ефект Тіндаля (названо на честь англійського фізика Джона Тіндаля, який його відкрив і пояснив). К олоїдні розчини відіграють важливу роль у ж и ттєдіяль­ ності організмів — цитоплазма клітин, ��лазма крові є к о­ лоїдними розчинами. У промисловості колоїдні розчини вико­ ристовують у виробництві штучних волокон, дубленні шкіри, фарбуванні тканин та шкіри, виготовленні клею, лаків, фарб тощо. Властивості колоїдних розчинів вивчає окрема галузь х ім ії — колоїдна хім ія, вагомий внесок у розвиток якої зробив український учений А . В. Думанський. Антон Володимирович Думанський (1880— 1967) Відомий хімік, академік Академії наук УРСР, випускник Київського політех­ нічного інституту, один з основополож­ ників колоїдної хімії в Україні. У 1904 р. організував у Києві першу лабораторію колоїдної хімії. Займався вивченням дисперсних систем. Йому належить ідея застосування потужної центрифуги для вимірювання розмірів колоїдних части­ нок. Праці А.В. Думанського та його учнів з вивчення колоїдних розчинів сприяли розробці нових технологій виробництва продукції у хлібопекарській, агрономічній, цукровій та інших галузях промисловості. На знак вшанування заслуг ученого Інституту колоїдної хімії і хімії води НАН України у 1980 р. присвоєно ім’ я А. В. Думанського. ЗО

Поняття про суспензії. Суспензії — це дисперсні системи з розміром частинок дисперсної фази понад 100 нм, тому їх мож ­ на бачити або візуально, або в мікроскоп. Прикладом суспензії є малярські фарби, пасти для чищення посуду, косметичні маски та скраби тощо. Каламутна дощова вода, що містить ви­ димі візуально частинки ґрунту, — це теж суспензія. Я кщ о набрати її у ск ля н к у і дати певний час постояти, то на дні склянки утвориться шар осаду. Однак рідина ще кілька днів залишатиметься трохи каламутною, оск ільк и деякі тверді частинки продовжуватимуть перебувати в товщі рідини. Частинки дисперсної фази суспензії затримуються паперовим фільтром. Цим можна скористатися, щоб виявити суспензію. СТ О Р І Н К А П Р И Р О Д О Д О С Л І Д Н И К А

Завдання 1. Повторивши дослідження, відоме в науці як ефект Тіндаля, дослідним шляхом з ’ясуйте, які із зазначених сумішей є істинними розчинами, а які — колоїдними: столовий оцет, водний розчин яєчного білка, розбавлений водою крохмальний клейстер, компот, водний розчин канцелярського (силікатного) клею, розчин кухонної солі у воді. Завдання 2. Розпізнайте наведені у завданні 1 розчини, скористав­ шись промокальним папером. Він є найпростішим прикладом напів­ проникних мембран, які пропускають молекули та йони істинного розчину і затримують колоїдні частинки. ______ П І Д І Б ' Є М О П І ДС УМК И . с и с т е м а складається з подрібнених частинок однієї речовини ( д и с п е р с н о ї ф аз и) , розподілених у середо­ вищі іншої речовини ( д и с п е р с н о м у с е р е д о в и щ і ) . • Дисперсні системи поділяються на суспензії та колоїдні

• Дисперсна

розчини.

• Суспензії містять частинки речовини, що видимі візуально. • Розміри частинок дисперсної фази колоїдних розчинів мен­ ші, ніж у суспензій, але більш і, ніж у істинних розчинів. їх не видно візуально, але можна бачити у промені світла. • Ем ульсії — дисперсні системи, в яких і дисперсна фаза і дисперсне середовище є рідинами. С Т ОР І Н К А ЕР УДИТА

Однією з важливих характеристик колоїдних розчинів є с т і й к і с т ь — здатність зберігати постійний розмір частинок і рівномірний розподіл по всьому об’єму диспеосногвісеоедовцща. 31

Збільшення розмірів частинок дисперсно? фази — коагуляція — призводить д о перетворення колоїдного розчину на др а гли с ту масу — гель — або до випадання дисперсної фази в осад. Щоб затри­ мати процес коагуляції, застосовують спеціальні речовини, які мають загальну назву емульгатори. Як ми вже знаємо, колоїдна хімія вивчає процеси утворення і руйнування дисперсних систем, а також їх характерні властивості, зумовлені поверхневими явищами на межі дисперсної фази і д и с ­ персного середовища. Завдяки досягненням цієї галузі хімії набули поширення способи підвищення стійкості колоїдних розчинів та керу­ вання процесами коагуляції. Знання з колоїдної хімії потрібні фармацевтам, фахівцям з геології, харчової промисловості, з виробництва паперу, лаків, фарб, цегли та ін. Виготовлення вершкового масла, майонезу, йогуртів, дитячого харчування — це лише окремі приклади практичного застосування знань про колоїдні розчини та дисперсні системи. П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я

1. Скористайтеся здобутими відомостями про істинні, колоїдні розчини та суспензії, щоб у зошиті заповнити таку таблицю: Характерні ознаки

Істинний розчин

Колоїдний розчин

Суспензія

Розмір частинок Можливість виявлення оптичними приладами Можливість виявлення візуально Проникнення частинок крізь паперовий фільтр 2. Назвіть, які з перелічених систем є істинними розчинами, які — колоїдними, а які — суспензіями та емульсіями: газована вода; ліки, на яких написано «перед уживанням збовтати*; спиртова настоянка йоду; майонез; олійні фарби; томатний сік. З*. Користуючись додатковими інформаційними джерелами (див. список на с. 218). підготуйте розповідь про значення та використан­ ня істинних розчинів і дисперсних систем.

§5

Теплові явищ а, що супроводж ую ть розчинення речовин

Із природознавства та фізики вам відомо, що явища, пов’ я ­ зані з нагріванням і охолодженням тіл, називаються теплови­ ми і що теплота передається від більш нагрітого тіла до менш 32

+22 °С \

МаСІ

Вода

+22 С

+52 С Н23 0 4

Вода

Мал. 17. Теплові явищ» під час розчинення речовин у воді: а — натрій хлориду; б — сульфатної кислоти нагрітого. Досить часто тепловими явищами супроводжуються світлові, електричні, механічні, хімічні явища. ▲ Подумайте і наведіть приклади таких явищ. Теплові явища і розчинення речовин у воді. Чи відбувають­ ся теплові явища під час розчинення речовин у воді? Для відповіді на поставлене запитання виконаємо досліди. Дослід І. Зважимо 20 г кухонної солі та помістимо її у посу­ дину для подальшого виготовлення розчину (мал. 17, а). Доллємо 100 мл води, попередньо вимірявши її температуру. Вміст посудини перемішаємо скляною паличкою, щоб сіль швидше розчинилася, після чого знову виміряємо температу­ ру (тепер це вже буде температура не розчинника, а утвореного розчину) і побачимо, що вона майже не відрізняється від тем­ ператури води, взятої для виготовлення розчину. Дослід 2. Візьмемо 100 мл води (температура нам уже відома) та обережно додамо 5 мл концентрованої сульфатної кислоти (в жодному разі не навпаки!). Перемішаємо розчин с к л я н о ю паличкою та виміряємо його температуру — порівняно з темпе­ ратурою води вона виявиться набагато вищою (мал. 17, б). 33

Д осл ід 3. Проведемо мого, як і попередніх два досліди, але розчннятимемосільамоній хлорид N11 (N0.^ масою 20 г. Термо­ метр зафіксує істотне зниження температури порівняно з температурою розчинника. Результати дослідів свідчать, що розчинення речовин у воді може супроводжуватися тепловимп явищами, які мають різні наслідки: • температура розчину і температура розчинника, взятого для його виготовлення, близькі за значенням; • температура розчину порівняно з температурою розчинника, взятого для його виготовлення, значно вища; • температура розчину порівняно з температурою розчинника, взятого для його виготовлення, значно нижча. Щ об пояснити зазначене, розглянемо фізико-хімічну суть процесу розчинення. Фізико-хімічна суть процесу розчинення. У попередньому параграфі ви з'ясували, що під час розчинення натрій хлориду у воді спочатку дипольні молекули води руйнують цілісність кристалів солі, після чого вивільнені й о н и в оточенні кількох полярних молекул |м>зчиннпка потрапляють у розчин та вільно в ньому пс|к*мііцуються. Цеп процес за енергетичними витратами умовно можна поділити на два етапи. П е р ш и й — подолання притягання катіонів та аніонів у кристалі — супроводжується затратами енергії і с фізичним процесом. Д р у г и й — взаємодія йонів розчиненої речовини з полярними молекулами розчинни­ ка — супроводжується виділенням теплоти і є хімічним процесом. У разі, коли розчинником с вода, взаємодію ііонів розчине­ ної речовини з її молекулами називають гідратацією, а утво­ рені сполуки — гідратами. Отже, розчинення речовин — це фізнко-хімічне явище. Сума теплового ефекту фізичного та хімічного явищ у про­ ведених дослідах з розчинення речовин виявилася різною. У першому досліді кількість теплоти, що витрачалася на руй­ нування кристалів, і кільк ість теплоти, що виділялася внаслідок гідратації, були приблизно однаковими, тому темпе­ ратура розчину відрізнялася від температури води неістотно. У другому досліді відбулося сильне розігрівання розчину за рахунок того, що енергетичні затрати на руйнування ковалент­ ного полярного зв’ язку в молекулах сульфатної кислоти вияви­ лися значно меншими, ніж теплота, що виділилася внаслідок подальшої гідратації утворених ііонів. Поясніть, чому істотно знизилася температура розчину в третьому досліді. Поняття про кристалогідрати. Більшість гідратів є нестій­ кими сполуками, після випаровування води вони розпадаються. Це відбувається тому, що внаслідок випарювання розчинів 34

електростатичне притягання м іж частинками розчиненої речо­ вини і розчинника може втрачатись, і після повного випарову­ вання води знов утворюються кристали речовини, взятої для розчинення (я к щ о розчинена речовина кристалічної будови). Проте трапляється, що після випарювання розчину криста­ ли речовини містять гідратовані йони. тобто йони, що зберегли зв'язок з м олекулам и води. Так, у мідного купоросу крис­ талічна ґратка містить не звичайні, а гідратовані йони Купруму — так називають йони Си2'. кожний з яких оточений м олекулам и води. Т о ж склад мідного купоросу передається формулою СиЗО , • 5 Н 20 . П р о т е , що безводний к у п р у м (ІІ) с у л ь ­ фат і утворений з нього кристалогідрат — різні речовини, свідчить хоча б той факт, що безводний к у п р у м (ІІ) сульфат білого кольору, тоді як мідний купорос — блакитного. Існують інші речовини, що містять кристалізаційну воду, тобто воду, яка після випарювання розчину перейшла до складу кристалів твердої речовини. Ц е залізний купорос ГеЗО, • 7Н20 , гіпс СаЗО, • 2 Н 20 , глауберова сіл ь N 8280, • 10Н20 тощо. Відносна м олекулярна та молярна маси кристалогідратів, як і будь-яких інш их речовин, обчислюються як сума відносних атомних мас елементів, що входять до їх складу, наприклад: або Л/г( N8.^30, • 10 Н 20 ) = 2 - Л г(Ма) - А г(8 ) + 4 Д . ( 0 ) + 1 0 - 2 - А г(Н )+ + 10 Л г<0) = 2 • 23 + 32 + 4 • 16 + 10 • 2 • 1 + 10 • 16 = 322. М (М а 28 0 , • 10 Н 20 ) = 322 г м о л ь . Кристалогідрати утворюються за умови, якщ о випарювання здійснювалося за помірної температури і б у л о припинено, щойно вода випарувалася. Я к щ о ж утворений кристалогідрат піддати подальшій термічній дії, кристалізаційна вода з нього випарується, і він перетвориться на безводну речовину (мал. 18).

Си504 • 5Н2Р Розчин

л

/

/ СиЗОд

7 С и 3 0 4 • 5Н20

Мал. 18. Взаємоперетворення мідного купоросу СиЗО, • 5Н20 і купрум(ІІ) сульфату 35

СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІДНИКА Завдання. Складіть план та проведіть дослідж ення теплових явищ, що супроводжую ть розчинення у воді цукру, питної соди та прального порошку. Одержані результати запишіть у зошит та поясніть їх як фізико-хімічне явище. П ІД ІВ 'Є М О П ІД С У М К И

• Розчинення речовин у воді — ф ізнко-хім ічнин процес. Ф ізи ч н и й бік цього процесу полягає в тому, що під впливом полярних м олек ул розчинника структурні частинки розчи­ неної речовини — йони (я к щ о вона йонної будови) чи м оле­ к у л и (я к щ о розчинена речовина м о л е к у л я р н о ї будови) дифундують у розчин. Цей процес супроводжується п о г л и ­ нанням теплоти. Х ім іч н и й бік полягає у взаємодії частинок р озч и н ен ої речовини (й он ів , м о л е к у л ) з м о л е к у л а м и розчинника і супроводжується виділенням теплоти. • Залеж но від того, якою є різниця між теплотою, що п о г л и ­ нається, та теплотою, що виділяється, розчинення речовин м о ж е суп роводж увати ся підви щ ен н ям або зн и ж ен н я м температури розчину. • К р и ста ліза ц ій н ою називають воду, яка після випарювання розчину перейшла до складу кристалів твердої речовини. • Кристалогідрати можна розглядати як продукт хім іч н ої взаємодії розчиненої речовини з водою, виділений з розчину випарюванням в умовах помірного нагрівання. Криста­ логідратами є залізний купорос Г е 8 0 4 • 7НгО, глауберова сіль N 8280, • 10Н20 , гіпс СаЗО, • 2Н20 та деякі інші речовини. СТОРІНКА ЕРУДИТА Видатні вчені М. В. Ломоносов та Д . І. Менделєєв значну увагу приділяли дослідженню розчинів. Так, Михайло Ломоносов дослідж у­ вав виділення і поглинання теплоти внаслідок розчинення речовин, за­ лежність розчинності речовин від температури. Йому належить вста­ новлення факту замерзання розчинів за нижчої температури, ніж чисто­ го розчинника, а також ідея виготовлення охолоджувальних сумішей. Д м и тро М енделєєв увійшов в історію хімії не лиш е як відкривач періодичного закону та розробник періодичної систем и хімічних елементів, а й як автор гідратної теорії. Ця теорія доводить, що утво­ рення гідратів — важлива ознака процесу розчинення речовин у воді. Розробкою хімічної теорії розчинів Д м и тро Іванович поклав початок фізико-хімічному аналізу, електрохімії неводних розчинів. Після М. В. Ломоносова та Д. І. Менделєєва хімічну теорію розчинів розвинули та доповнили Д. П. Коновалов, І. О. Каблуков, М. С. Курнаков.

36

П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я

1. На конкретному прикладі поясніть суть процесу розчинення речовин у ноді. 2. Наведіть приклади зниження та підвищення температури розчину порівняно з температурою розчинника під час розчинення речовин у воді. 3. Чи можна вважати розчинення речовин у воді лише ме­ ханічним подрібненням? 4. Обчисліть молярну масу залізного купоросу та масову частку воли в ньому. 5*. Тверду кристалічну речовину синього кольору кобальт(ІІ) хлорид розчинили у воді й одержали рожевий розчин. Висловіть при­ пущення. чому так сталося.

§6

Кількісний с к л а д розчину. В иготовлення розчинів

Як ви вже з ’ ясували, розчини мають довільний склад. Тож можна виготовити багато розчинів із різним вмістом тієї самої розчиненої речовини в межах Ті розчинності у 100 г розчинни­ ка за конкретних умов. Вислови «розчин кухонної солі або цукру у воді», «розчин фарби в ацетоні* тощо дають уявлення про якісний склад роз­ чинів, тобто про те, з яких речовин їх виготовлено. А яким чи­ ном можна виразити кількісний склад розчину? Масова частка розчиненої речовини в розчині. Щ об дізна­ тися про кількісний склад розчину, вдаються до математичних обчислень, зокрема до обчислення масової частки речовини в розчині. Масова частка розчиненої речовини в ролчині и> Ічитягться дубль-ле) - це відношення маси розчиненої речовини ( т , ) до маси розчину ( т 2). Обчислюють масову частку речовини в розчині в частках від одиниці: т, (розчиненої речовини) ( 1)

= --------------------:------------------ ;--------------т.2 (розчину)

або у відсотках: т, (розчиненої речовини) IV

------------------------------------------------------------------ ---------------

т., ( розчину)

100

'У о .

(2 )

Пригадайте, що густина води р ( Н 20 ) = 1 г/см:!, або 1 г/мл, тому числове значення об’ єму води збігається з її масою: пі ( Н 20 ) = р • V = 1 г/мл • 1 мл = 1 г. Скористаємося цими формулами та обчислимо масову част­ ку деяких речовин у розчині. Приклад 1. Обчисліть масову частку натрій хлориду в роз­ чині, виготовленому із солі масою 5,85 г і води о б ’ ємом 94,15 мл. Дано: т (N801) = 5,85 г К ( Н 20 ) = 94,15 мл ш ( N 801) — ? Р о з в ’ язання ц’ ( Ш С 1 ) =

тІЯаС1 • ЮО % = ^розчину

5,85 г --------------------------- 100 % = 5,85 % . (5 ,8 5 + 94,15) г Приклад 2. Обчисліть масову частку натрій хлориду в роз­ чині, виготовленому із солі масою 4 г і води об’ ємом 46 мл. Дано: т (N801) = 4 г К ( Н 20 ) = 46 мл IV

( N

801)

?

Р о з в ’ язання ш ^СІ 4г и’ ( ^ С 1) = ------------- = -------------- = 0 ,0 8 , а б о 8 %. т розчину (4 6 + 4 ) г Відтепер ви знаєте, що вміст розчиненої речовини в розчині характеризується не її загальною масою, а масовою часткою, тобто числом, що показує, яку частку під загальної маси розчи ну становить маса розчиненої речовини. Похідними формулами від формул 1 та 2, за якими обчис­ люють масову частку речовини в розчині, є чотири формули. За однією з них обчислюють масу р о з ч и н е н о ї речовини в р о з ч и н і, якщо відома масова частка розчиненої речовини: ^ р о з ч и н е н о ї реч о ви н и

38

ш

'

^розчину

Я к щ о ж масова частка розчиненої речовини виражена у відсотках, то формула має такий вигляд: т

и> ■гп|м>:ічину |ю :ічиноно! р<кчоіш>іи

100 %

(4)

Приклад .4. Обчисліть масу калій гідроксиду, що міститься в розчині масою 60 г. якщо масова частка л у г у в ньому дорів­ нює 0 ,02 . Дано: т (рО.ІЧІІІіу — 60 г . м «• (К О Н ) = 0,02 и і іч

т (К О Н ) — ? Р о з в ’ язання Проведемо обчислення за формулою (3): ^

і м і .і ч і і ш

-і і о і

|н ‘ Ч о

іііііііі

'

^ | ю ;іч н н у .

ш (К О Н ) = 0,02 • 60 = 12 (г). Третьою похідною формулою є формула для знаходження маси роз чи ну за відомою масовою часткою речовини, обчисле­ ною в частках під одиниці, та масою розчиненої речовини в ньому: т т

розчи неної І>ЄЧ08!1НІІ

ІК К ІЧ ІІН У

(5)

IV

Я к щ о ж масова частка обчислена у відсотках, то формула має такий вигляд: т т

| Ю .ІЧ И ІІ**Н О І І> (»Ч О Н Ш ІІІ

ро.ІМІІІіу

IV

100%.

( 6)

Приклад 4. Я к у масу водного розчину сульфатної кислоти з масовою часткою цієї речовини 0,15 можна виготовити з кис­ лоти масою ЗО г та який об’ єм води знадобиться д ля цього? Дано:

її' ( Н 28 0 ,) = 0,15 т (Н 28 0 , ) = 30 г т (водн. розч. Н 28 0 ,) — ? т ( Н 20 ) — ? 39

Р о з в ’ язання 1. Проведемо обчислення маси розчину за формулою: т розчину

т 'р. О . І Ч П Н С І І О І

|И‘ Ч О Н П 1ІП

IV

" V ....„у - ЗО •° - ІГ> - 20 0 Г -

2. Обчислимо масу води, необхідну для виготовлення цього розчину: 200 г - ЗО г - 170 г. О скільки густина води дорівнює 1 г/мл, то о б ’ єм води дорівнюватиме 1 70 мл. Виготовлення розчину. Д ля виготовлення розчину з певною масовою часткою розчиненої речовини потрібні: розчинювана речовина, розчинник, посудина для виготовлення розчину, л о ­ жечка для помішування чи скляна паличка, терези, різноважки, мірний посуд (мал. 19).

Ті її й л о □ Мал. 19. Обладнання та посуд, що використовуються для виготовлення розчину з певною масовою ■часткою розчинюваної речовини Перед виготовленням розчину проводять обчислення маси розчинюваної речовини та об’ єму розчинника. Розглянемо це на конкретному прикладі. 40

П риклад 5. Виготовити 200 г розчину натрій хлориду з ма­ совою часткою солі 15 % . П лан виготовлення розчину Обчислення

Послідовність роботи 1. Обчислюємо масу солі 2. Обчислюємо масу розчинника

"*сч»лі

15 ' 200 = 30 ( Г>

=

1,1 ІІОДІІ _ ,Н |Ю.1Ч. - гп с о л і ~ = 200 - 30 = 170 (г).

або 170 мл 3. Зв��жуємо ЗО г солі (це приблизно одна столова ложка) і поміщаємо у посудину (колбу, стакан) місткістю понад 170 мл

«г -С ^ і 1 1

С,ЛЬ

4. Мірним циліндром відміряємо 170 мл води та обережно по паличці для перемі­ шування виливаємо її у посудину з сіллю

Вода 9

N30

5. Для прискорення розчинення солі перемішаємо суміш скляною паличкою Розчин

З вер н іт ь увагу! У кожному з обчислень, розглянутих у цьому параграфі, масова частка розчиненої речовини мала додатне значення і була меншою від одиниці, або меншою від 100 % . Скільки обчислень масової частки розчиненої речови­ ни ви не проводили б, це завжди справджуватиметься. Слід зазначити, що між агрегатним станом розчиненої ре­ човини й агрегатним станом водного розчину є відмінності. Зокрема розчини, виготовлені з твердих розчинюваних речо­ вин, мають, як і розчинник, рідкий агрегатний стан. Друга відмінність розчинів полягає в тому, що розчинена тверда речовина непрозора, а розчин — прозорий. Густина водних розчинів завжди вища від густини розчинника, тобто більша за 1 г/см3, а температура кипіння — вища від +100 °С. Замер­ зають водні розчини за температури, нижчої від 0 °С. На практиці інколи виникає потреба досягти швидкого роз­ чинення твердої речовини та рівномірного розподілу її части­ нок по всій масі розчину. Д ля цього речовину подрібнюють, і в такий спосіб збільш ую ть поверхню стикання полярних м оле­ кул води з частинками розчиненої речовини; розчинення про­ водять у теплій чи гарячій воді.

Завдання. Д о слідіть вплив розчиненої речовини на швидкість випаровування води з розчину. О б л а д н а н н я та р е ч о в и н и . вода, кухонна сіль, мірний посуд, те ­ рези, столова ложка, склянка або чашка, дві однакові неглибокі тарілки. Порядок дій: 1. У 50 мл води розчиніть 1 чайну ложку солі. 2. Виготовлений розчин вилийте в одну з тарілок. 3. У другу тарілку налийте 50 мл води. 4. Обидві тарілки поставте поруч і простежте за тривалістю випа­ ровування води. Одночасно чи ні випарувалася вода з обох тарілок? Поясніть результати спостереження та сформулюйте висновок. _____ ПІДІБ'ЄМО ПІДСУМКИ___ • Одним зі способів кількісного вираження вмісту розчиненої речовини в розчині є обчислення її масової частки в ньому. • Масова частка розчиненої речовини в розчині — це відно­ шення маси розчиненої речовини до маси всього розчину. • Масова частка — це безрозмірна величина, яка завжди с додатним, меншим за одиницю або за 100 % числом. • За довільного складу розчину можна виготовити розчини тієї самої речовини з різною її масовою часткою, однак вміст розчиненої речовнни в кожному з них не буде більш им від величини її розчинності за конкретних умов. • Виготовлення розчину з/іевною масовою часткою розчине­ ної речовнни полягає у послідовному виконанні таких дій: обчислення маси розчинюваної речовини і маси розчинни­ ка; зважування твердої розчинюваної речовини, відмірю­ вання мірним посудом рідкої розчинюваної речовини й необхідного об’ єму розчинника; перенесення розчинюваної речовини та розчинника у посудину д ля виготовлення розчину. СТОРІНКА ЕРУДИТА Розчини можна виготовляти з кристалогідратів, тобто речовин, що містять у своєму складі кристалізаційну воду. Визначаючи кількісний склад такого розчину, обчислюють масову частку безводної речови­ ни, тобто кристалізаційну воду не беруть д о уваги. Чому? Тому що під час розчинення вона збільшує вміст розчинника. Наприклад, не­ обхідно обчислити масову частку розчиненої речовини у розчині, ви­ готовленому з мідного купоросу масою 25 г і води о б ’ємом 175 мл.

42

Вочевидь загальна маса розчину становитиме 200 г (25 + 175), але розчиненою речовиною в ньому буде купрум(ІІ) сульфат, а не криста­ логідрат. Обчислимо, яка маса купрум(ІІ) сульф ату міститься в роз­ чині. Д л я цього: 1) обчислюємо відносну молекулярну та молярну маси мідного купоросу: М ,(С и 3 0 4 5Н 20 ) = 64 + 32 + 4 М (С и 3 0 4 •5Н гО ) = 64 + 32 + 4

16 + 5 (2

16 + 5 •(2

1 + 16) = 250,

1 + 16) = 250 (г/моль);

2) обчислюємо кількість речовини мідного купоросу у взятій для виготовлення розчину порції: \’(С и 5 0 4 5Нг О ) = 25 : 250 = 0.1 (м оль); 3) обчислюємо кількість речовини купрум(И) сульф ату у порції мідного купоросу кількістю речовини 0,1 моль: з хімічної формули мідного купоросу видно, що його 1 моль містить 1 моль купрум(ІІ) суль ф а ту й 5 моль води. Тож \ '(С и 5 0 4) = = \-(С и304 5Н гО ) = 0,1 моль; 4 ) обчислю єм о масу купрум(ІІ) суль ф а ту кількістю речовини 0,1 моль, попередньо з ’ясувавши, що молярна маса купрум(ІІ) суль­ ф ату становить 160 г/моль: т ( С и 3 0 4) = V М = 0.1 • 160= 16 (г); 5) обчислюємо масову частку купрум(ІІ) сульф ату в розчині: т , (розч. реч.) іу (С и 3 0 4 )= — — --------- - ------- = 16 г :2 0 0 г = 0,08, або 8 % . т 2 (розчину)

П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я

1. Як можна виразити кількісний склад розчину? 2. За якими формулами обчислюють: а) масову частку розчиненої речовини в розчині; б) масу розчину за відомою масовою часткою роз­ чиненої речовини в ньому; в) масу розчинника в розчині за відомою масовою часткою розчиненої речовини? 3. За текстом параграфа складіть порівняльну таблицю фізичних властивостей розчину і води як чистої речовини. 4. Як можна прискорити розчинення речовини у воді? 5. Обчисліть масову частку сульфатної кислоти в розчині, виго­ товленому з ЗО г кислоти і 270 мл води. Якою стане масова частка сульфатної кислоти в розчині, якщо долити ще 300 мл води? 6. Один учень для виготовлення розчину використав 27 г цукру і 123 мл води, а інший — 36 г цукру і 168 мл води. Чий розчин вийшов солодшим? 7*. Запропонуйте, як, маючи розчин з певною масовою часткою розчиненої речовини, збільшити її масову частку в розчині і як — •ІМІЧІШИТІІ. 43

§7

Обчислення масової частки розчиненої у воді газуватоїчи рідкої речовини

Щ об застосовувати розчини для різних потреб, необхідно вміти обчислювати вміст розчиненої речовини в них, масу чи об’ єм розчинника, масу всього розчину. А оск ільк и розчини виготовляють не ли ш е з твердих, а й рідких та газуватих речовин, розглянемо, як обчислюється масова частка газуватої розчиненої речовнни в таких розчинах на при­ кладі хлороводню, водний розчин якого вам добре відомий як хлоридна кислота, та сульфатної кислоти, що є м асля­ нистою рідиною з густиною 1,84 г/см3 і в будь-яких відно­ шеннях змішується з водою. Приклад 1. Обчислити масову частку розчиненої речовини у хлоридній кислоті, виготовленій розчиненням гідроген хлори­ ду об’ ємом 44,8 л (н.у.) у воді об’ ємом 427 мл. Дано: К(НС1) = 44,8 л (н.у.) К(Н20 ) = 427 мл и-(НСІ) — ?

м т _ і М Vт

ч’ =

Л г

М •V т = --------

М Г(НС1) = А Г(Н ) + А Г(С1) = = 1 + 35,5 = 36,5 М(НС1) = 36,5 г/моль Р о з в’ я з а н н я Для обчислення масової частки розчиненої речовини мають бути відомі маса розчиненої речовини та маса розчинника. 1) Маса води зазначена в умові задачі, тому обчислюємо масу розчиненого гідроген хлориду: Л / (Н С 1 )-К (Н С 1 ) 3 6 ,5 - 4 4 ,8 „ о/ % т ( НС1) = -------------------------= ---------------- = 73 ( г ); І'т 22,4 2) за відомою масою гідроген хлориду обчислюємо його масову частку в розчині: и>(НС1) = ---- ТА---- = 0,146, або 14,6% . 73 + 427 Приклад 2. Обчислити масову частку сульфатної кислоти в розчині, виготовленому з безводної сульфатної кислоти об’ ємом 20 мл, що має густину 1,84 г/см3, і води об’ємом 363,2 мл. 44

Д а н о: і '( Н 28 0 , ) = 20 мл, або 20 см :* р (Н 28 0 , ) = 1,84 г/см:{ 1/(Н20 ) = 363,2 мл, або 363,2 г и> ( Н 280.,) -

V =

т

т = р •Г

?

Розв’язання 1) О бч и слю єм о масу сульф а тн ої кислоти за ф ор м улою т = р • V: л »(Н 28 0 , ) = 1,84 г/см3 • 20 см3 = 36,8 г; 2 ) обчислюємо масу розчину за відомими масами його ком­ понентів: т = 36,8 г + 363,2 г = 400 г; 3) обчислю ємо масову частку сульф атної кислоти в утворе­ ному розчині за ф ормулою и? =

н і р озч.р еч.

т р озч и н у

3 6 ,8 г и' ( Н .,80,) = — —— = 0,094, або 9,4 % . ^ 1 400 г ♦

Т ут. я к і в попередньому прикладі, можна обійтися без другої дії, а в знаменнику записати масу розчину як сум у мас розчиненої ре­ човини і розчинника.

Прик.іа.і .4. Обчисліть, який об’ єм гідроген сульф іду (сір к о ­ водню) витрачається за нормальних умов д л я виготовлення сульф ідної кислоти масою 200 г, якщ о вміст розчиненої речо­ вини в ньому дорівнює 1,7 % . Дано:

т

пі Р О З М І Ш У = 200 г и’ (Н.,8 ) = 1,7 % , або 0,01 7

IV

р о а ч .р е ч о в и н и

=

т р о зч и н у

У - у У т

Л/Г( Н 23) = 2 • 1 + 32 = 34 Л/(Н28 ) = 34 г/моль

П Н 28)

Р о зв ’ язання Щ о б обчислити о б ’єм газу, необхідно знати його м олярну масу, масу і к ільк ість речовини. Наведені в задачі дані про масу роз­ чину та масову частку розчиненої речовини в ньому дають зм о­ гу спершу визначити масу гідроген сульфіду. 1) О бч и слю єм о масу гідроген с у л ь ф ід у за ф ор м улою «і.|И>ЗЧИІіу

45

/п(Н28 ) = 0.01 7 • 200 = 3.4 (г). 2) Обмислюємо кільк ість речовнни гідроген сульфіду: у ( Н а8 ) =

— = 0,1 (м оль). 34

3) Обчислюємо об’ єм гідроген сульф іду за нормальних умов: Г ( Н 28 ) = V- Ут = 2,24 (л ). ♦

Д і ї 2 та 3 можна об’ єднати в одну, як щ о скористатися ф ормулою

М

3 .4 -2 2 .4 Г ( Н 28 ) = -------------- = 2.24( л ). 34 П р и к ла д 4. Обчисліть об’ єм сульф атної кислоти (густина 1,838 г см:*), необхідніш д ля виготовлення розчину масою 400 г з масовою часткою розчиненої речовини 20 "А>. Дано: р ( Н 28 0 ,) = 1.838 г см;* т І>.нун 28 0 1- 4 0 0 г и '( Н 28 0 ,) = 20 , або 0,2 Г ( Н 28 0 , ) -

? Р о зв ’ язання

1) Обчислюємо масу сульф атної кислоти у розчині: т ( Н 28 0 4) = 0,2 • 400 = 80 (г); 2 ) обчислюємо об’ єм сульфатної кислоти масою 80 г: Г ( Н 28 0 , ) = — = = 4 3 , 53( см:*), або 43.53 мл. р 1.838 Задачі, в яких обчислю ю ть масову частку розчиненої речо­ внни, належать до прямих .шОач. Задачі, у яких масова частка розчиненої речовини відома, а необхідно обчислити масу всьо­ го розчину чи масу розчинннка (приклади 3 і 4), називають оберненими. ^--------ПІДІБ'ЄМО ПІДСУМКИ______________________________________ • Щ об обчислити масову частку розчиненої речовини в роз­ чині, необхідно знати масу розчиненої речовини і масу роз­ чину.

• Я к щ о для виготовлення розчину використовують газувату речовину і її об’ єм відомий, то спершу слід обчислити масу цієї речовини. • Я к щ о для виготовлення розчину використовують речовину, що перебуває у рідкому агрегатному стані, і її о б ’ єм та гус­ тина відомі, то слід скористатися формулою т = р • Г та обчислити масу розчиненої речовини. СТОРІНКА ЕРУДИТА Вода — доволі активна речовина, що реагує з багатьма іншими ре­ човинами. Тож бувають випадки, коли, розчиняючи у воді якусь речо­ вину. дістаю ть розчин, де розчиненою речовиною є продукт взаємодії цієї речовини з водою. Так. натрій при потраплянні у воду реагує з утворенням лугу, а сульфур(\/І) оксид утворює сульф атну кислоту. Ці приклади показують, що перш ніж приступати д о обчислення масової частки речовини у водному розчині, слід звернути увагу на їі мож­ ливість взаємодіяти з розчинником. Наприклад, необхідно обчислити масову частку розчиненої речовини в розчині, виготовленому з натрію масою 9.2 г і води о б ’ємом 91 мл. Запишемо умову задачі скорочено:

Дано: т (М а ) = 9.2 г И Н 20 ) = 91, 2 мл. або т (Н 20 ) = 91.2 г

РОПЧ РЄЧ IV = -----------г*еч т розчину

И/р е ч — 7 Перш ніж пр иступати д о математичних обчи слень, з'ясуєм о хімічний бік задачі. Вода взаємодіє з натрієм, і продуктами реакції є дві речовини — натрій гідроксид та водень: 2 № + 2НгО = 2 № О Н + Н2Т Натрій гідроксид добре розчиняється у воді, тому після завершен­ ня реакції він буде розчиненою речовиною утвореного розчину. Водень погано розчиняється у воді, легший за повітря, тому він виділяється з розчину. Частина води витратиться на проведення х і м і ч н о ї реакції, решта — стане розчинником д л я утвореного лугу. Обчислю вати кожну частину води немає потреби, оскільки масу утвореного розчину можна роз­ глядати як суму мас натрію і води, з якої вирахувана маса водню, що виділився (мал. 20): '"р о з ч и н у =

+ т ( Н 20 ) _ ш ( н 2 )

Розв'язання 1) Обчислимо кількість речовини натрію, що прореагував: ч’(Ма) = 9.2 : 23 = 0,4 (м оль);

N8

Мил. 20. Взаємодія металічного натрію а водою

2) обчислимо кількість речовини натрій гідроксиду, що утворився. З рівняння реакції: 2Мз + 2Н гО = 2 Ь Іа Ш + Н 2 2 моль

2 моль

1 моль

видно, що \'(МаОН) = \’(Ма), отже, \’(М аОН) = 0,4 моль; 3) обчислимо масу натрій гідроксиду, що утворився; аО Н ) = 23 + 16 + 1 = 40; М (Ш О И ) = 40 г/моль; т (№ О Н )

=

V

М

=

0,4 моль • 40 г/моль

=

16 г;

4) обчислимо кількість речовини водню, що утворився в реакції та виділився з розчину. З рівняння видно, що \’(Н 2) = у(Ма) ; 2, \’(Н 2) = 0,4 : 2 = 0,2 моль; 5) обчислимо масу водню кількістю речовини 0,2 моль: М,<н2) = 1 - 2 = 2; М (н 2) = 2 г/моль; т ( Н 2) = V •М = 0,2 • 1 = 0.2 (г); 6) обчислимо масу утвореного розчину: т

= т (М а ) + т ( Н 20 ) - т ( Н 2) = 9,2 г + 91,2 г - 0,4 г = 100 г;

7) обчислимо масову частку лугу в розчині: уу(МаОН) = 16 г : 100 г = 0,16, або 16 % .

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ 1. О бчисліть масу иодм у розчині масою 50 г з масовою чисткою магній сульф ату 10 . 2. Порівняйте масові частки розчиненої речовини у хлоридиій кислоті мисою 200 г. виготовленій а: а) гідроген хлориду масою -40 г; б) гідроген хлориду к ільк істю речовини 4 моль; в) гідроген хлориду об’ємом -І 1.8 л ( н.у .). 3. Я ки й о б ’ єм гідроген броміду (н .у .) необхідно розчинити у воді, щоб виготовити бромідну кислоту масою 250 г з масовою часткою розчиненої речовини 24,3 У..? 4. Я кою буде масова частка нітратної кислоти в розчині, виготов­ леному з води об’ємом 169,56 мл і безводної нітратної кислоти об’ є­ мом 20 мл. що має густину 1,522 г.'см3?

48

5*. Обчисліть масову частку сульфатної кислоти и розчині, для виготовлення якого у воді о б ’ ємом 1 л розчинили сульф ур(\'І) оксид масою 2-10 г.

§ В В иготовлення розчину солі з певною масовою часткою розчиненої речовини. Практична робота 1 Відтепер ви маєте достатньо знань про розчини та їх склад обізнані з тим, які математичні обчислення слід здійснити щоб виготовити розчин з певним вмістом розчиненої речовини Ви також спостерігали, як на одному з уроків учитель демон стрував виготовлення розчину твердої речовнни. Вміння виго товляти розчини важливі у повсякденному житті та прак тич ній діяльності працівників багатьох спеціальностей, одну з яких, цілком можливо, ви оберете після закінчення школи Виконавши практичну роботу 1 «В иготовлення розчину солі з певною масовою часткою розчнненої речовини», завдання якої вміщені в рубриці «Сторінка природодослідника», ви закріпите теоретичні знання про розчини та матимете нагоду розвивати практичні вміння щодо виготовлення розчинів. С Т О Р ІН К А П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А Практична робота 1. В иго то вле нн я розчину с о лі з певною масовою часткою розчиненої речовини Завдання 1. Виготовте розчин масою 40 г з масовою часткою натрій хлориду 10 % . Завдання 2. Виготовте розчин магній сульф ату з масовою часткою розчиненої речовини 16 % , використавши д л я цього сіль масою 8 г. Завдання 3. Виготовте розчин цукру з масовою часткою розчине­ ної речовини ЗО % , використавши для цього воду о б ’ємом 60 мл. Завдання 4 ‘ . Виготовте розчин з масовою часткою купрум(ІІ) суль­ фату 12,8 % , використавши д л я цього мідний купорос масою 10 г. Завдання 5 ’ . З порції питної соди кількістю речовини 0,2 моль ви­ готовте розчин з масовою часткою цієї речовини 4,1 % . Ознайомившись зі змістом завдань, самостійно сформулю йте ме­ ту практичної роботи, складіть перелік приладів і речовин, необхідних для її виконання. Виконайте завдання, здобуті результати оформіть у зошиті у вигляді таблиці: № пор.

Зм іст зяпаяння

План виконання завдання

Ррчупктат

1 2 3

49

С Т О Р ІН К А Е Р У Д И Т А У п р и ш і ц і пін о і о н л - ' н н і » розчинім і р л м л я ю і ь с н в и п а д к и . ко ли р і п ч і ш ииі о ю ш ш ю і ь з м іш у в а н н я м д в о х р оз чи нів тісі с ам ої р е ч о в и н и .і рі <мі ш) її м і к .о н о к .) ч ас ткою і» кож ном у з них Як і вис о т о в л е н н я б у д ь чкм* і , р >з ціну, зм іш уван ня д в о х р о з ч и н ні р о з п о ч и н а ю т ь з м а т е м а т и ч ­

ні:* I I I ІЧіТГ ЧРІІІ. РОГЧГЛЯНРМО IX З.ш/иіннн Виготовте? розчин масою 600 г з масовою часткою оцтової к и с л о т 40 ° . маючи розчини цієї речовини з масовими частками киглоіи 60 і 30 Щ оо виконані це ч . і <:л . і н н ч н р о ґтдм о інаиш співвідношення розчинні м.п і.і,пми ч.К ц.ім п розчиненої речовини 60 % та ЗО % . 60 Ч и с л а , іц о п о к а з у ю т ь

масові часіки речовини у в и х ід н и х р о з ч и н а х

ЗО IV ТреГЬОГО розчину З чиє.лами, р о з м іщ е н и м и на о д н ій лінії, в и к о н а є м о а р и ф м е т и ч н у дію відніманим в ід б і л ь ш о ю ч и с л а відн ім е м о м е н ш е , а о д е р ж а н и й р е з у л ь т а т з а п и ш е м о на інш ом у кінці п ря м ої у п р я м о к у тн и к и ;

40

ЗО - 10

60 - 40 ^ 20

(1 )

(2 )

Проведені обчислення та схема вказують на те. що змішуванням 10 Г розчину з I V розчиненої речовини 60 % І 20 г розчину з I V ЗО % ви­ готовляють 10 * 20 = 30 (г) розчину з V/ 40 % .

(3)

З.» умовою злдлчі необхідно виготовити розчин з масовою часткою розчиненої речовини 40 масою 600 г Дізнаємося, у скільки разів має а цьої о розчину більш.і ніж 30 г 6 0 0 1 ЗО і 20 (4) Маса кожною розчину мл». о уіи також \ 20 раз більшою; Ю г 20 - 2 0 0 і (5) 20 г 20 400 г (6) В і д п о в і д і , д л я в и і отовлення розчину масою 600 г з масовою часткою оптової кислоти 40 необхідно де.) розчину масою 200 г з масовою часікою цієї речовини 60 додати розчин масою 400 г з масовою час і кою кислоти ЗО и-

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ 1. Поцікавтесь у мнмії чи баоусі. скільк и кухонної солі кони Ги*руть на 1 л поли при консервуванні: її) огірків: о) помідорів. О бчисліть масову частку розчиненої речовини її кожному з ро.ічпнін. 2. Поцікавтесь у мами чи бабусі, ск іл ьк и цукр\ нони беруї і. на 1 л коди, готуючи компот. О бчисліть масову частку цукру в такому ри.ічпні. 3. О бчисліть масову чистку цукру в чаї. якиїі ви зазвичай і і ‘« тс.

§9

Е ле к тр о літи ч н а ди со ц іа ц ія . Е ле к тр о літи та н е е ле к тр о літи

Пригадайте, як па уроках природознавства і фі.иіки нам д е­ монстрували електричне коло. Ви бачили, що лампочка світи­ лася ли ш е годі, коли воно було замкнене (мал. 21 ). Як видно а малюнка, головними елементами електричного кола < ііжерело електричного струму (наприклад, батарейка, акум улятор, електростанція), дроти, по яких передасться струм, ви м и ка ч. Електричний струм е- нічим іншим, як спрямованим рухом за ­ ряджених частинок. У дротах, якими передасться струм в електричному колі, такими зарядженими частинками < вільні електрони. Вони з ’ явились внаслідок того, що частина е л е к т ­ ронів зовнішнього енергетичного рівня атомів металу, з якого виготовлені дроти, втрачас зв’ язок з ядрами своїх атомів. Я к щ о коло незамкнене. ці електрони хаотично рухаються в масі металу. П ісля того як* коло замкнули. їх рух напуває спрямованого характеру і лампочка за горя* ті.ся. На ним самим

принципом електричний струм надходить до люстр, прасок, х олодильників тощо, коли ми їх вмикаємо. Понад 200 років тому вчених зацікавила дія електричного струму на речовини, що перебувають у розчиненому чи роз­ плавленому стані. Скористаємося приладом для визначення електропровід­ ності розчинів (мал. 22). Він діє за принципом електричного кола, проте замість вимикача має 2 стержні (електроди), виго­ товлені з електропровідного матеріалу. Електроди на кілька сантиметрів віддалені один від одного, тобто коло в цьому місці незамкнене. З ’ ясуємо дослідним ш ляхом , чи забезпечують проходження електричного струму тверді речовини — натрій хлорид та цукор, дистильована вода, розчини натрій хлориду і цукру, хлоридна кислота. Д о с л ід 1. П ід ’ єднаємо прилад до джерела струму й електро­ дами доторкнемося до кристалічної кухонної солі, якою на 1 4 наповнимо скляний стакан. Лампочка не загоряється. Д о с л ід 2. Електроди приладу зануримо у скляний стакан, наполовину заповнений дистильованою водою. Лампочка теж не загоряється. Д о с л ід 3. П оловину дистильованої води з досліду 2 обереж­ но ввіллєм о у стакан з кухонною с іл л ю , перемішаємо речовини скляною паличкою, після чого у розчин зануримо електроди. Лампочка відразу загоряється і не гасне доти, доки електроди торкаються розчину. Тобто електричне коло приладу в цьому досліді замкнулося. Як тіл ь к и електроди виймемо з розчину, лампочка відразу гасне. Д о с л ід 4. Електродами приладу доторкнемося до кристалів цукру, яким на 1/4 наповнимо скляний стакан. Лампочка не загоряється. Д о сл ід 5. Д ругу половину дистильованої води з досліду 2 обережно ввіллємо у стакан з цукром, перемішаємо речовнни 52

скляною паличкою, після чого в розчин зануримо електроди приладу. Лампочка не загоряється. Д о сл ід 6. Електроди приладу зануримо у скляний стакан, на 1/4 наповнений хлоридною кислотою. Лампочка загоряється. Це свідчить про те, що електричне коло замкнулося. Проведені досліди показали, що розчин натрій хлориду та хлоридна кислота (вам відомо, що це розчин гідроген хлориду у воді) проводять електричний струм, а тверді речовини натрій хлорид і цукор, дистильована вода та розчин цукру електрич­ ного струму не проводять. Результати експерименту свідчать, що у дослідах 3 і 6 ство­ рювався спрямований рух заряджених частинок й електричне коло замикалося, а в інших — ні. Щ о саме забезпечило замк­ неність електричного кола в досліді з розчином кухонної солі й хлоридної кислоти та чому лампочка не горіла при доторканні електродів до кристалічної солі чи при зануренні їх у д и ­ стильовану воду? А дж е під час вивчення процесу розчинення речовин у воді навіть не йшлося про те, що він супроводжуєть­ ся появою вільних електронів! Р е зу л ь т а т и ч и слен н и х подібних д ослід ів дали зм огу шведському вченому Сванте Арреніусу знайти відповідь на поставлені запитання. Сванте Арреніус (1859— 1927) Шведський фізико-хімік. У 1886 р. працював у Ризькому політехнічному інституті в лабораторії німецького фізикохіміка В.Ф . Оствальда. Один із засновників фізичної хімії. Основні наукові праці присвячені вченню про розчини і швидкості хімічних реак­ цій. У 1884 р. сформулював висновок про самочинний розпад солей у розчині на за­ ряджені частинки — йони, тобто висунув ідею про електролітичну дисоціацію. Член академій наук і наукових това­ риств багатьох країн. Ви вже знаєте, що під час розчинення речовин у воді полярні м олекули води притягують йони або м олекули, що перебувають у вузлах кристалічної ґратки розчиненої речови­ ни, і якщо це притягання перевищує си лу притягання йонів (м о л е к у л ) у кристалі, речовина розчиняється. Так, розчиняю­ чись у воді, натрій хлорид розпадається на катіони Натрію та аніони Х ло р у. (П ригадайт е матеріал § 3 і малюнок 12.) Під впливом електричного струму хаотичний рух йонів стає впоряд­ 53

кованим: позитивно заряджені нони рухаються до негативно зарядженого електрода катода, а негативно заряджені йони — до позитивно зарядженого анода. Це іі забезпечило електронр(жіл>іі(*ть розчину натрій хлориду у досліді 3. •іа ніі .івок) електродів, до яких спрямований рух йонів, ііони називаються катіонами та аніонами. Цукор — речовина м олекулярної будови і в розчині перебу­ вають м олек ули , а вони, як відомо, електронейтряльні, тому під час дослідження електропровідності розчину в проміжку мін; електродами коло залиш алося незамкненим і лампочка не загорялася. •іалнніагться з ’ ясувати, звідки з ’ явилися заряджені частин­ ки п розчині гідроген хлориду, яки іі має ковалентний полярний ііГ нзок. а не ііоннпп. ('. Лрреніус дав цьому таке пояснення. Моіекулп речовин з ковалентним еильнополярним зв’ язком під и11.'іншім диполів води іти і.н/н)/т>оя, тобто розпадаються на йони і переходять в розчин у вигляді гілратованих йонів (мал. 23).

Мл.і. 23. Схеми їмсі; і |ні.іітичж>ї дисоціації полярної м олекули гідроген хлориду к розчині

Як кидно з малюнка, спільна електронна пара, що забезпеччнала існування ковалентного полярного зв’ язку між атомами І ідрогену і Х лор у, під впливом диполів води повністю перечолиті» до атома Хлору, внаслідок цього утворюються катіон І і ірпгену Н та аніон Х лор у ('І . Поява в розчині йонів Н* і С1“ ,.і\іі:н\'ла електрично коло між електродами — і лампочка у ■... її п »• «‘нітилася.

п о з і і т і і в н о заряджені катіони та негативи»> зарнджені .иііініи. Проте розчин залиш ається електронейтральннм.

Е л е к т р о л іт и ч н а д и с о ц іа ц ія — це розпад речовин іі і . і впливом п о ля р н и х м о л е к у л розчинника або и розплаві на вільн о р ух ли в і йони. Е л е к т р о л і т п ч н а д и с о ц і а ц і я р с чи ні ї и .і і і о м н і ї м х і м і ч н и м з в ’ я з к о м у р о з п л а в а х и о я с н к и т ь с я т и м , щ о п ід в п л и в о м пік <> к о ї т е м п е р а т у р и з в ' я з к и у к р и с т а л і ч н і й і ратн і р у і і і і у к *п .«• :і і і. р о з п л а в і й о н и м о ж у т ь в і л ь н о р у х а н н я . Яі : і і; р о з ч и н . ї х. 11 «• і: р у х х а о т и ч н и й , я л е з п і д к л ю ч е н н я м д о <■те»: І р І і ч н о г о к о іа кін с т ає с п р я м о в а н и м .

За здатністю проводити електричний « грум у |>о.ічпненом\ стані чи розплаві речовини поділяю м . на електроліти іа неелек тр оліти . Е лек тр оліти — це речовини, водні розчини яких проводять електричний струм.

чи розплави

Д о елек тр олітів належать речовини з ковалентним с и л ь н о полярним та з понним зв'язкам и. Це кислоти, с-олі. основи. Щ о б відбулася електролітична дисоціація речовин, позна­ чених у таблиці розчинності основ, кислот, солей літерою « І’ * (форзац ), достатньо розчинити їх у воді. У твердому стані елек тр оліти струму їй* проводять. Хоча \ вузлах кристалічної гратки розміщені йони. Д л я того щ о о елек тр оліти стали провідниками струму, необхідно забезпеч її ти йонам вільне переміщення. Водні розчини речовин надають їм такої здатності. Т а к ої самої здатності елек тр оліти мабун.і ють і в розплаві. 2

Н е е ле к т р о літ н — це речовини, водні розчини чи розплави яких не проводять електри чн ого струму. П рикладами неелектролітів с неорганічні речовини з копа лентним неполярним зв’ язком, наприклад рідкий кисень чи водень, фосфор чи сірка, багато органічних речовин, зокрема використаний у проведених дослідах цукор { с а х а р о з а ) . ______ П І ДІ В ' Є МО ПІДСУМКИ ----------------------------------------------• Е лек тр оліти ч н а дисоціація - це розпад речовин \ ро.< плані чи розчині на вільні й досить рухомі ііонн. І І . і а п т е п ням ионних кристалів долаються електростатичні г и ш притягання йонів, ґратка руйнується. і ііонн в і л ь н о |>у хают ься.

• У водних розчинах руйнування кристалічної ґратки йонних сп олук чи перетворення си льн о полярного ковалентного з в ’ я зк у на йонний відбувається під впливом п оля р н и х м о ле ­ к ул води. • Дисоцію ю чи, речовина розпадається на два типи йонів: по­ зитивно заряджені катіони й негативно заряджені аніони, що хаотично рухаються в розчині чи розплаві. У розчині позитивні заряди катіонів зрівноважені негативними заря­ дами аніонів, том у розчин в ц ілом у електронейтральннй. • Електролітичнії"! дисоціації підлягаю ть речовини з ііонним та деякі — з ковалентним си льн о полярним хім ічним и зв ’ язками. їх м о ле к у ли під впливом диполів води й о н і з у ю т ь с я , тобто розпадаються на йонн і переходять у розчин у вигляді гідратованнх ііонів. • П ід дією електричного струму хаотичний рух йонів стає впорядкованим: позитивно заряджені йони (к а тіон и ) р у х а ­ ються до негативно зарядженого електрода — к а т о д а , а негативно заряджені ііони (аніони) — до позитивно заря­ дж еного — а н од а. • За здатністю речовин проводити е л е к т р и ч н и й струм у розчині чи розплаві розрізняю ть е лек тр о літи та неелектролітн . Е л е к т р о л і т и — це речовини, що піддаю ться е л е к ­ т р о л іт и ч н ій д и с о ц іа ц ії і том у проводять е л е к т р и ч н и й струм. Н е е л е к т р о л і т и — це речовини, що не піддаються е л ек тр о літи ч н ій д и соц іац ії і не проводять електричного струму. ПЕРЕВІ РТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Дайт е визначення е л е к т р о л і т и ч н о ї дисоціації. Речовинам з якими типами х і мі ч ни х зв' язків вона властива?

2. Які речовини називають електролітами, а які — неелектролітямн? Наведіть приклади. 3. Я к за допомогою приладу д л я визначення електропровідності розчинів розпізнати серед двох твердих б іл ог о кол ьор у речовим цукор і натрій карбонат? 4. Ч о м у барій хлор ид , маючи у своєму складі катіони Барію та аніони Х л о р у , и твердому стані не проводить електричного струму, а ного розчин є елек��ропровідним? 5. Ч и м ви поясните, щ о к олодязна або артезіанська вода, на відміну від дистильованої, проводить електричний струм? С к лад іть план розпізнавання двох зовні с х о ж и х та розчинних у воді речовин, одна з я к и х нал ежит ь до еле ктролі ті в, а друга — до неелектролітів.

56

§ 10

Е л е к тр о л іти ч н а д и с о ц іа ц ія ки с л о т, осно в, с о л е й у во дних р о зч и н а х . С тупінь д и с о ц іа ц ії. Сильні й с л а б к і е л е к т р о л іти

Вам відомо, що під дією полярних м олекул розчинника або високої температури електроліти розпадаються (дисоціюють) на вільні нони, які внаслідок дифузії хаотично переміщують­ ся. А л е це не означає, що в розчині чи розплаві між протилеж­ но зарядженими нонами відсутнє взаємне притягання і на певний час між деякими з них не відбувається асо ці аці я — процес, протилежний дисоціації. Окрім цього, після випарову­ вання води з розчину електроліту, охолодження розплаву йони втрачають здатність до переміщення і заповнюють вузли крис­ талічної ґратки у кристалі. Том у дисоціацію речовин на ііони прийнято виражати рівнянням електролітичної дисоціації, що є о бо ротни м. Наприклад, електролітичну дисоціацію натрій хлориду відображає таке рівняння електролітичної дисоціації: N301

И а ‘ + С І'

Розглянемо електролітичну дисоціацію кислот, основ, со­ лей у водному розчині. Дисоціація кислот. Розчинні у воді кислоти дисоціюють на катіони Гідрогену та аніони кислотного залишку: НС1

+СГ

НІЧЮ.ч <=*Н* + N

0

.;

У рівняннях електролітичної дисоціації кислот спрощено записують Н +, хоча в розчині йони Гідрогену гідратовані й точніше було б писати Н.{0 +. Цей йон називають катіоном гідроксонію. Багатоосновні кислоти дисоціюють с т у п і н ч а с т о (поступо­ во) з послідовним відщепленням кожного з ііонів Гідрогену. Розглянемо ступінчасту дисоціацію сульфатної кислоти. 1-й ступінь: Н^ЗО., <=» Н* + Н80^ (гідрогенсульфат-аніон); 2-й ступінь: Н80^ <=* Н * + 8 0 і;' (сульфат-аніон). Сумарне рівняння електролітичної дисоціації сульфатної кислоти буде таким: Н 28 0 , <=» 2Н* + 8 0 ^ З в е р н і т ь у в а г у ! У рівняннях електролітичної д и с о ц і а ц і ї , як і в будь-якому хімічному рівнянні, пишуть к о е ф і ц і є н т и - Во­ ни потрібні для того, щоб зрівняти суму п о з и т и в н и х зарядів

57

катіонів і суму негативних зарядів аніонів. адже розчин загаЮМ С Л С К Т р о і І С П Т р а Л ЬНІ І П.

Як оачп.мо. для розглянутих випадків елек тр о літи ч н о ї іисоціації кислот спільним с утворення катіонів Гідрогену. Ог.ке. можна дані таке визначення кислот: — це електроліти, що дисоціюють з утворенням катіонів Гідрогену та аніонів кислотного залишку.

І КИСЛОТИ

Дисоціація основ. Розчинні у воді основи (л у г и ) дисоціюють іім катіони металічного елемента та гідроксид-аніони О Н - :

КОІІ

к *он

\'а( )І І .г - \а

* ОН

Із ролглинуш х прикладів зробимо висновок. що спільними нонами, на які дисоціюють луги, с гідроксид-аніони О Н - . Зваімючи на це. мочена да пі таке впаначення основ: основи — це електроліти, що дисоціюють а утворенням катіонів металічного елемента та гідрокенд-аніонів. І Іриї адаігге. як під час вивчення хімічних властивосте!! '•!•!■.іі»і ііі основ ии Г;іс\ ііллп. що кислоти і луги діють на індиі .нори. змінюючи їх колір. Тепер нам стас зрозуміло, які ііонн V. |кі.:чині всіх ос і шііінткч - кислот змінюють колір лакм усу на ■н рі-.оніпі. а метилового оранжевого — на рожевий. •^міна кольору індикаторів у розчині кислот зумовлена наявністю в них катіонів Гідрогену ( Н +). З агальн і в ла с ­ тивості розчинів к и слот зу м о в ле н і н аявн істю в них катіонів Гідрогену. V ро.«чинах лугів безбарвний фенолфталеїн змінює забарвісііпи на малинове, метиловий оранжевий — на жовте, а іакмус — Ні ! спік . .-іміна кольору індикаторів у розчині лугів зумовлена на­ явністю в них гідроксид-аніонів (О Н - ). Загальні власти­ вості розчинів основ також зум овлені наявністю цих аніонів. Пересвідчитись у достовірності цієї інформації вам допомо­ же виконання л а б о р ат ор н ог о Оос.ііді / /, вміщеного в рубриці <( торінка природодослідника*. Дисоціація солеіі. Розчинні у воді солі дисоціюють на катіони м е т а л іч н о го елем ента та аніони к и с л о т н о го з а ­ пинку: 58

М&СІ, ГГ* М{Г-

• 2С\

Ре2( 8 0 1).і «=і 2 Р е'

Солі — це електроліти, що дисоціюють з утворенням , катіонів металічного елемента та аніонів кислотного залишку.

1

Користуючись таблицею розчинності (див. другші фор.іаи). легко визначити, на які саме ііони дисоціює електроліт. Ступінь електролітичної дисоціації. Сильні іі слабкі елек т­ роліти. Кількісним показником електролітичної дисоціації < ст у п і н ь е л е кт ро л і ти ч но ї д ис оц і ац і ї и (альфа): форму 711,111 ї х одиниць речовини)

« ( К І Л Ь К І С Т Ь ДІІСОЦІ Н ОВІ ШИХ

ге = --------------------------------------------------------------- . .^(загальна кількість формулі.них одиниць речовини, уведених у розчин)

Ступінь електролітичної дисоціації виражається в част к а х в і д о д ин и ці , або у п і д с о т к а х . і показує, якніі відсоток формульних одиниць розчиненої речовини перейшов у ро.і чин. Наприклад, ступінь дисоціації 0.7, або 70 означ;" . що 70 % розчиненої речовини перебувас в розчині у днемцінованому стані, тоді як 30 речовини залиш илися недп соційованимн. За величиною ступеня дисоціації електроліти поділяють на три групи — сильні, слабкі то середньої сили. Сильними вв ажа ють ся електроліти, с туп ін ь диспиіаїш я к и х ЗО і більше ві дс отк ів . До них належать розчинні солі,

луги й такі кислоти, як нітратна, сульфатна, хлормдна тощо. Особливістю сильних електролітів є те. що навіть у концентрі» ванпх розчинах вони перебувають у дисоціііованому стані. *<» наявність недпеоційованпх м олек ул у розчинах сильних електролітів припускають лише умовно. Тому рівняння їх електролітичної дисоціації можна затісувати зі знаком » > замість « <=± *. До е ле ктро лі ті в середньої сили ві дн осять речовини .іі .та ченням З с/і ■ а ■ ЗО с<. Прикладом середньої сили електролітні є ортофосфатна кислота, сульфітна кислота. 1 1 1

С л а б к і е л е к т р о л і т и п і д чис р о з ч и н е н н я у во д і л ише част ко во д и с о ц і ю ю т ь на йони (г/ 3 ' і ). Слабкими електролітами

є більш ість органічних та деякі неорганічні кислоти. їм приклад Н СО;|, Н . Д уж е слабким електролітом < пола з млн її м олекул ли ш е одна перебувас в дпсоціііо»ліи>м> стані. 2

2 8

1

59

Сила електролітичної дисоціації залежить від різних чин­ ників. Насамперед від природи речовин. Так, речовини йонної будови (солі, луги), що добре розчиняються у воді, практично всі є сильними електролітами. На ступінь дисоціації слабких електролітів впливає їх вміст у розчині — з розбавлянням роз­ чину ступінь електролітичної дисоціації збільшується. Переко­ натися в цьому можна на такому досліді. У розчині з великою масовою часткою оцтової кислоти (концентрованому) лампочка приладу для визначення електропровідності розчинів лише жевріє. Якщо ж у розчин доливати воду, то лампочка світить яскравіше, що є доказом збільшення вмісту йонів у розчині. Це пояснюється тим, що в розбавленому розчині ймовір­ ність зіткнення та асоціації ііонів менша, ніж у концентрова­ ному. А чим більше вільних ііонів у розчині, тим електропро­ відність вища. Пояснення властивостей водних розчинів електролітів у 1887 р. першим запропонував шведський учений Сванте Арреніус. Воно увійшло в науку як теорія е ле ктр о лі ти ч но ї дисоціації. Вченого було відзначено у 1903 р. Нобелівською премією. СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІДНИКА

*

Лабораторний д о с л і д 1. Виявлення катіонів Гідрогену та гідроксид-аніонів у розчині. (Перелік обладнання та речовин укладіть самостійно.) Завдання 1. Налийте в одну пробірку близько 2 мл хлоридної ки с­ лоти та випробуйте її індикатором кислого середовища. Як змінився колір індикатору чи індикаторного папірця? Завдання 2. Налийте в другу пробірку близько 2 мл іншої кислоти та випробуйте її тим самим індикатором. Як змінився колір індикатору? Зробіть висновок: а) чи дає зм огу цей індикатор виявити кисле середовищ е розчину; 6 ) чи можна цим індикатором розпізнати дв< різні кислоти. Завдання 3. Налийте в третю пробірку близько 2 мл натрій гід р о ­ ксиду та випробуйте його одним із індикаторів лужного середовища. Як змінився колір індикатору? Завдання 4. Налийте в четверту пробірку близько 2 мл розчину інш ого лугу та випробуйте його тим самим індикатором. Як змінився колір індикатору? Зробіть висновок: а) чи дає зм огу цей індикатор виявити лужне середовищ е розчину; б) чи можна цим індикатором розпізнати два різних луги? Завдання 5. Набуті теоретичні знання та практичні вміння засто­ суйте для розпізнавання у трьох пробірках без етикеток води, розчи­ ну кислоти й розчину лугу. 60

П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И

К и слоти — це е лек тр оліти , що дисоціюють з утворенням катіонів Гідрогену та аніонів кислотного зали ш к у. Основи — це елек тр оліти , що дисоціюють з утворенням катіонів м еталічного елемента та гідроксид-аніонів. С олі — це електроліти, що дисоціюють з утворенням катіонів металічного елемента та аніонів кислотного залиш ку. Х а р а к т е р н і х ім іч н і власти вості осн ов н и х к ла сів н еор ­ ганічних сп олук зум ов лен і наявністю в речовин одного к ласу однакового виду йонів. Ступінь еле к т р о л іт и ч н о ї д и соц іац ії (ос) ��� к ількісн и й показ­ ник е лек тр о літи ч н о ї дисоціації, обчислений як відношення числа ф ормульних одиниць розчиненої речовини, що розпа­ ли ся на йони, до їх загального числа до дисоціації. Значен­ ня цього показника перебуває в інтервалі < ос < , або <а < %. За ступенем е лек тр о літи ч н о ї дисоціації елек тр оліти п о д іл я ­ ють на сильні, слабкі та середньої сили. 0

0

1

1 0 0

СТОРІНКА ЕРУДИТА К исл і солі (п р о д у кт н е п о в н о го за м іщ е н ня у м ол е кул і ки сл о ти атом ів Г ід р оген у на атом и м етал ічного е л ем ента ), на відм іну від серед ніх со л ей, д и со ц ію ю ть ступін ча сто: 1-й с т у п і н ь : К Н 5 0 3 <=* К ' + НЗО 3 2 -й с т у п і н ь : НЗО 3

Н *+ 50 \

У назві кисл их солей вказую ть наявність Гід рогену: К Н 5 0 3 — калій гідрогенсульф ат. Кислі солі м ож на пе ре тво рити на се ре д ні, дію чи на них від по від ною основою , наприклад: С а (Н С 0 3)2 + С а (О Н )2 = 2 С а С 0 3 + 2Нг О О с н о в н і с о л і (п р о д у к т н е п о в н о го з а м іщ е н н я гід р о к с и л ь н и х гр у п о с н о в и к и с л о т н и м за л и ш ко м ) д и с о ц ію ю т ь у р о зч и н і те ж с т у п ін ­ ча сто:

1 -й с т у п і н ь : Мд(ОН)СІ

М д(О Н) * + СІ

2-й с т у п і н ь : Мд(ОН) * «=±М д2‘ + ОН В о бо х випадках за пе р ш о ю ста д ією д и со ц іа ц ії кисла чи о сновна сіль повністю розпа д а ється на йони, тоді як д и со ц іа ц ія за д р уго ю ста д ією відбувається незначною м ір ою .

61

ПЕР ЕВ ІР ТЕ С В О Ї З Н А Н Н Я І. 11.1 які

миті дипииніїїт.

к исл оти . ш і и ш и . с о л і ?

Наведіті.

> .,і.і.їй. '2. Я *чІ .! Пере ІІЧЄНИЧ ІVI >•<•>•< II ДМСОШІОІОТІ, Ч ([ОДНОМУ розчині: ІІаГрШ (\||.і|>аї. баріїї «'V *ІІ«С|>ІІТ. ІІІТр.ІТІІ.І К КМОТЛ, «|м*|>ум( 111> ОКСИД, літні гідрокси.і. купрум(ІІ» гідроксил? Напишіть рішіяння їх елек 111

111

11

1

і ро. II I ІІЧІІОІ ДИСОЦІаЦІЇ. '. і. На . жі т і . п о п и , я к і • і і и л ь п н м п у п р о д у к т а х е л е к т р о л і т и ч н о ї л и ( о ц к і і і і і : .0 л у г у і а с о л і т о г о ги м о г о м е т а л і ч н о г о е л е м е н т » : б ) к и г л о т п Ті ї ІЇСО.ІІ. І ІанеДГІ I. 11рі і к. 1.1,111. І. Ч и м сії. 11.ніі і і е л е к т р о л і т ні дрі .пі я* т ь е и п і л с л а б к о г о ? 5 * . V ч о м у по.їнпн п о м и л к а д о с л і д н и к и , я к и и у п о с у д и н у з без ІЮДІЮІо СУЛІ.фаТНоІО КИСЛОТОЮ д о д а н і н д и к а т о р і. не н н я н и н і п п а м і н и к о л і . о р у . . і ро о пк і пк ч і о н о к . щ о р і л н н а н п о с у д и н і не*< к и с л о т о ю ?

§ 11

Р е а к ц ії о б м ін у м іж р о з ч и н а м и е л е к т р о л іт ів , у м о в и їх п е р е б іг у . Й о н н і р ів н я н н я

Р е а к ц ії о б м ін у м іж двома е л е к т р о л і т а м и , щ о п ереб уваю ть у р о з ч и н е н о м у стані. відбуваються миттєво. П е р е к о н а є м о с я в цьому, виконавши досліди. 'І пс .і і О /. У х і м і ч н ш і с т а к а н , на 1 4 н а п о в н е н и й р о з ч и н о м н а т рі й с у л ь ф а т у , д о л л є м о с т і л ь к и ж р о з ч и н у б а р і і і х л о р и д у ( м а л . 2 1) .

№СІ ВаЗОн Д о п о ч а т к у р е а к ц ії М ал. 21.1

Після реакції

акцій нонного обміну мін; натрій сульфатом і барііі хлоридом

Спостерігаймо, як відразу утворився б іл и іі осад ( у х ім ії п р и й н я т о називати осадом б у д ь -я к е п о м у т н ін н я ). Невдовзі ч а с т и н к и б і л о г о н е р о з ч и н н о г о у воді п р о д у к т у р е а к ц і ї о с я д у т ь на д н о с т а к а н а , а н ад н и м и з а л и ш и т ь с я п р о з о р і ш р о з ч и н . Я к а р е ч о в и н а в и п а л а п о с а д ? І Д о б в і д п о в і с т и на ц е з а п и т а н ­ ня. н а п и ш е м о р і в н я н н я р е а к ц і ї та п е р е в і р и м о за т а б л и ц е ю р о з ч и н н о с т і ОСНОВ, КИС ЛОТ і с о л е й р о з ч и н н і с т ь у воді к о ж н о г о з утворених п р од ук тів реакції:

62

.Ч аЖ ),

В а ( ' І В а Х О , - • 2\аС1

З та б ли ц і розчинності бачим о, щ о барім с у л ь ф а т нерозчмну в од і, а н ат рі м х л о р и д розчинний. О пис, утворений о с а д с опрі м с у л ь ф а т о м . Щ о б н к а з а т п . щ о цс н е р о з ч и н н і ї у полі речовина, в рівнянні реакції п ісля ф о р м у л и речовини с т а в л я т ь с т р і л к ' у ; с и р я м о н а н у ніш і ( . ) . І Ц о і і н о мм р о з г л я н у л и та з р і в н я л и м о л е к у л я р н е р і в н я н н я реакції о б м і н у м іж двома с о л я м и в розчині. іііііі

М о л е к у л я р н и м на.іинають р іш ія н н я реакц ії, к яком у .іаписи. щ о с т о с у ю т ь с я с к л а д у р ечовин, п о д ан о х ім іч н и м и формулами. Д л я ХІМІЧНИХ реаГЦІИ. Що ИІдбу ІіаМІ |,СЯ Н р оз чі НІ І. о к р і м МІ) і е к у . і н р ш і х р і в н я н і . |іеа і. !і і ї ї . за і ні<‘V н 1 1 1 , щі> по і їм і їм с к о р о ч е н і Йонні р і в н я н н я . П о в н е і і о н н е р і в н я н н я — це р і в н я н н я , в я к о м у з а м і с и , х і м і ч н и х ф о р м у л е л е к т р о л і т і в з а п и с а н і й о н и . на я к і і і і р е ­ ч о в и н и д и с о ц і ю ю т ь у розчині.

І І о н н і і н н и і і р н и ш п п л п а ш и г п <. т і т ч и т і »*♦» /. >,'і/ п і / ч п і л' ооон'я. игони. ч і / р ч х и ч ч її її я.и к о п р і й и п т т. Щ о б не ними і п п н - я при маммсанмі и о н н н х р і ї шя мі . реаі ііііі. с.іі.і і . п ри ступ а і нся т а б л и ц е ю роз ч 1111 мос ті іі не з а б у в а т и . щ о в р і в н я н н я х р е а к ц і ї ! к о е ф і ц і є н т п е р е д ф о р м у л о ю с тосу» гі.сл п к;гі і она, м а н і о н а . і і а п н ш е м о п о п і к - и о н т / ч ш і т і п >і і і н н ш о м р оі і е де ію і м м г і і ю і р е а к ц і ї , в р а х у в а в ш и . щ о гри р е ч о в и н и (ма ї рі і і с у л ь ф а і . б а р і й ХЛОріІЛ. Натрій .ЧЛОрІІЛ) В НЬОМУ* е л е к і ро. 111 а ч п . а <»дм;і речі»вина ( б а р і і і с\ л ь ф а т ) пес л е ї : гро .і і і•; 2\’ а

• НО*

• Иа-

2(1

Ііа.Ч() , .

2\а

• 2СІ

Я к б а ч и м о , к о ж н у . » ф о р м у л е л е к т р о л і т у з о б р а ж е н о її дисоцімованііі (]к>рмі, п р и ч о м у роз чин д о і п і с л я і>сакиії е і е і : т | ю н е п т р а л ь нпіі, бо я к у л і в і і і . так і в праві й ч ас т и н а х р і в н я н н я з а г а л ь н а с ума з а ря д і в ка т і о н і в дорікнкм з а г а л ь н і м с у м і з а ря ді в і і н ю н і і і . З в е р н і т ь у в а г у , д о р е а к ц і ї і п і с л я псі н ая в н і о д н а к о в і помп. Ц е к а т і о н и Н а т р і ю та а н і о н и Х л о р у . П р о в е д е м о с к о р м ч е н її я о д н а к о в и х і і о н і в у л і в і м і п рав і м ч а с т и н а х п о в н о г о й о н н о г о р і в н я н н я іі д і с т а н е м о с к о р о ч е н е і т и м е р і в н я н н я : Ва'

• .40-;

ВаКС), .

Х о ч и у п о и н о . ч у ш>н и ч м у р і и п я н н і с п о ч и т к у . ш п и г и н і ш с у . ї ь ф и т и н і о н . и не п ' и т і о и В и р і ю . .іи.'и.Пгнппри чнит<> /><» ; п ч ч и н и т и с к о р о ч е н і і ю н н і р і ш і я н н я .іипиго.ч к и / п т и и і.

Скорочене йонне рівняння — це рівняння, що відображає у-івореннн а йонів неднсоційованого у воді нродуніу (про­ дуктів) реакції. О с к іл ь к и скорочене ііонне рівняння відображає процес асоціації, то в ньому, на відміну від рівняння е лек т р о літ и ч н о ї дисоціації, ставиться знак * = *, а не « ».

Утворення осаду є однією з умов перебігу реакцій обміну між розчинами електролітів. Продовж имо д ослідж увати реакції обм іну між двома е л е к т ­ ролітами, що перебувають у розчиненому стані, та виконаємо наступний дослід. Д о с л і д 2. У хім ічний стакан, на 1 4 наповнений розчином натрій карбонату, д о л л є м о удвічі менший о б ’ єм хлоридної кислоти (м ал. 25). Відразу ж спостерігається б ур хли в е виді­ лення газувятої речовини. Піднесений до отвору стакана запа­ лений сірник гасне. Отже, виділяється вуглек и сли й газ.

со 2

N

8 0 1

н2о Під час реакції Мал . 25. Реакці я ііонного обмі ну мі ж натрім карбонатом і хл ор нд но ю кисл отою

Запиш емо м олек уля р н е, повне йонне та скорочене йонне рівняння реакції:

со2 N

3

2 0

0

3

+ 2НС1 = 2КаС1 + Н.,СО.} - ^

н2о

(м о л е к у л я р н е )

N * + СОд2" + 2Н * + 2С1" = 2 ^ ’ - 2 С Г + Н 20 + С 2Т (повне іїонне) 2Н + С 0 32- = Н 20 + С 2Т (скорочене йонне)

2

8

0

0

Виділення газу є однією з умов перебігу реакцій обміну між розчинами електролітів.

Р озглян ем о ще один приклад реакції обміну між двома електролітами в розчині. Д о с л і д 3. У хім іч н и й стакан, на 1/4 наповнений розчином натрій гідроксиду, додамо к іл ь к а к рапель ф енолф талеїн у (р озч и н набуде ін тен си в н о го м а л и н о в о го з а б а р в л е н н я ) і д о л л є м о приблизно такий самий об’ єм х л о р и д н о ї кислоти (м а л. 26). Ц ього разу осад не випадає і газ не виділяється. Проте м али н о­ ве забарвлення зникає, а це є свідченням того, що л у г у в роз­ чині не залиш илось, тобто він прореагував з кислотою.

<? N

8 0 1

н2о Д о початку реакції

Після реакції

Мал. 26. Реакція йонного обміну між лугом і кислотою Запишемо м олекулярн е рівняння їх взаємодії: N8011 + НС1 = N801 + Н 20 Продуктами цієї реакції є розчинна с іл ь і малодисоційована речовина — вода. Пригадайте, чому дорівнює с т у п і н ь е л е к т ­ род і т и ч н о ї д и с о ц і а ц ї ї в о д и . У творення малодисоційованої речовини, зокрема води, так само є умовою перебігу реакцій обміну між розчина­ ми електролітів. Отже, у досліді 3 відбулася реакція йонного обміну. Н ап и ­ шемо її повне йонне рівняння, врахувавши при цьому, що вода є малодисоційованою речовиною: ^ N * + О Н " + Н " + СІ" = N ^ + СІ" + Н 20 8

8

Скоротивши однакові йони у лівій та правій частинах рів­ няння, дістанемо таке скорочене йонне рівняння: Н ' + ОН” =

н2о

Таким чином, дослідним ш ля хом було з ’ ясовано, що до умов перебігу реакцій обм іну м іж розчинами е л е к т р о л і т і в належать: утворення осаду, газу або малодисоційованої речо­ вини (наприклад, води).

65

У всіх розглянутих прикладах перебіг хімічних реакцій відбу­ вався в один бік. Тобто з певних реагентів утворювалися відповідні продукти реакції, а зворотний процес — взаємодія про­ дуктів реакції з утворенням вихідних речовин — не відбувався. Пояснюється це тим, що одна з утворених речовин належ а­ ла до неелектролітів, а тому, утворившись, випадала в осад чи виділялася у вигляді газу або малодисоційованої сп��луки, й відповідні йони припиняли своє існування в розчині.

Перебіг реакцій йонного обміну не відбувається, якщо всі реагенти та можливі продукти реакції належать до си ль­ них електролітів. Розглянем о, чи відбувається реакція між розчинами натрій хлориду та калій сульфату: 2 ^ С 1 + К 28 0 , <=> Н а280.,+ 2КС1 У наведеному прикладі зміш ано розчини двох си льн и х електролітів, взаємодія яких якщо б і відбулася, то привела б до утворення теж двох сильних електролітів. Записати йонне скорочене рівняння такої взаємодії неможливо, оскільки всі йони скорочуються: 2 К а ~ + 2 С Г + 2 К * + 8 0 * ' <=» 2 ^ ' + 2С1" + 2К * + 3 0 * ' Т о ж робимо висновок, що с у т ь р е ак ц і й і ю н н о г о о б м і н у п о л я ­ г ає у з в ’я з у в а н н і й о н і в з у т в о р е н н я м м а л о д и с о ц і й о в а н и х р е ч о ­ в и н . Я к щ о ж таких речовин серед продуктів реакції немає, то реакція йонного обміну не відбувається. Щ о б закріпити знання про реакції обміну між розчинами е л е к т р о л іт ів та з метою формування вмінь писати йонні рівняння хім ічн и х реакцій, виконайте лабораторні досліди , З, 4, зазначені в рубриці «Сторінка природодослідника*. 2

С Т О Р ІН К А П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А

К

Л а б о р а т о р н и й д о с л і д 2. П роведіть реакцію о бм іну м іж розчинам и калій карбонату і нітратної кислоти. Яка з ум ов забезпечила пе ре б іг цієї реакції? Напиш іть м олекулярне та повне і ско рочене йонні р івнян­ ня реакції. Л а б о р а т о р н и й д о с л і д 3. П роведіть реакцію о б м ін у м іж розчинам и купр ум (ІІ) сульф ату і натрій гід р о ксид у. Яка з ум ов заб езпечил а перебіг цієї реакції? Н апиш іть м олекулярне та повне і ско ро че н е йонні рівняння реакції. Лабораторний д о с л і д 4. П роведіть реакцію о бм іну м іж розчинам и калій гід р о кси д у й ортоф осф атної кислоти. Яка з ум ов забезпечила

66

перебіг цієї реакції? Напишіть молекулярне та повне і скорочене йонні рівняння реакції. Зробіть висновок про умови перебігу реакцій обміну між розчина­ ми електролітів.

_____ П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И ____________________________________ _ • Суть реакцііі йонного обміну між розчинами електролітів полягає в асоціації ( з ’єднанні) йонів слабких електролітів. • Умовами перебігу реакцій йонного обміну між розчинами електролітів є випадання осаду, виділення газу, утворення

малодисоційованої сполуки. • Для реакції"! йонного обміну між розчинами електролітів можна написати три види рівнянь: м оле кул ярн е, повне йонне, скорочене йонне.

• Складаючи повні йонні рівняння реакцій обміну між розчи­ нами електролітів, лише формули наявних у розчині силь­ них електролітів записують у вигляді йонів, а для решти речовин пишуть їх молекулярні формули. < ^

СТОРІНКА ЕРУДИТА

Йонні рівняння реакцій можна застосувати для відображення взаємодії електроліту з неелектролітом. У такому разі неелектроліти записують молекулярними формулами. Всі ви добре знаєте реакцію між кальцій карбонатом (основна складова крейди) і кислотою. Запиш емо перебіг цієї реакції у молекулярно-йонній формі:

С 2Т 0

С аС 0 3 + 2НСІ = СаСІ2 + Н 2С 0 3 Н20

СаС0 + 2Н' + 2СГ = Са2* + 2СІ' + Н20 + С02Т 3

Скороченню підлягають лише аніони Хлору, тож скорочене йонне рівняння цієї реакції буде таким: С аС 0 3 + 2Н* = Са2" + Н20 + С 0 2Т

П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я

1. Які рівняння наливають повними йонними, а які — скороченими? 2. За яких умов реакції обміну між розчинами електролітів відбу­ ваються практично до кінця? 3. Між якими взятими попарно розчинами електролітів відбу­ дуться реакції обміну: а) барііі хлорид і нітратна кислота;

б) барій хлорид і пргентум(І) нітрат; в) барій гідроксид і нітратна кислота; г) натрій сульфат і калій хлорид? Напишіть молекулярні та повні й скорочені йонні рівняння мож­ ливих реакцій. 4. Які з наведених йонів не можуть одночасно перебувати в розчині: а ^ а .ЗО^.Си . Ва , СГ: 2

2

б) Си*', К ' . ОН . Ре:‘ . N0*?

5*. Користуючись таблицею розчинності, за наведеними скороче­ ними йонними рівняннями реакцій напишіть по два повних йонних та молекулярних рівняння реакцій. Ре3‘ + ЗОН' = Ре(ОН

) 3

і

2Н' + 80* = Н 20 + 302 Т 6

*, Відновіть скорочене йонне рівняння та запишіть молекулярне. 2Н~ + ? = Н

28

§ 1 2 Р е а к ц ії й о н н ого о б м ін у в ро зчинах ел е ктр о л ітів . П р а кти ч н а р о б о та 2 Як було з ’ ясовано у попередньому параграфі, суть реакцій обміну між електролітами в розчині полягає в тому, що у йонів малодисоційованих речовин з ’ являється можливість відновити хімічний зв’ язок та утворити речовину, яка у вод­ ному розчині не дисоціює або мало дисоціює на йони. Цей висновок націлює на уважний розгляд таблиці розчин­ ності речовин у воді. Насамперед ще раз з в е р н і т ь у в а г у , що в ній подано йони, а не окремі атоми чи групи атомів. А літера, зазначена в клітинці перетину катіона з аніоном, вказує на розчинність утвореної ними йонної сполуки. Інколи в таблиці трапляються прочерки. Вони означають, що сполука або не існує, або розкладається водою. Уміння користуватися таблицею розчинності для написання рівнянь реакції йонного обміну, прогнозування можливостей перебігу хімічних реакцій між двома попарно взятими розчина­ ми електролітів є важливим для тих, хто вивчає хімію. Вико­ нання завдань практичної роботи 2 з рубрики «Сторінка приро­ додослідника* сприятиме його формуванню в кожного з вас. С Т О Р ІН КА П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А Практична робота 2. Реакції' йонного обміну між розчинами

електролітів.

Завдання 1. Користую чись таблицею розчинності, передбачте, як, маючи натрій хлорид, добути за допом огою реакції йонного обміну 68

аргентум (І) хлорид. Своє передбачення перевірте експерим ентально. Напиш іть молекулярне та йонні рівняння реакції. З а в д а н н я 2. Вам видано розчини речовин: сульфатної кислоти, натрій нітрату, барій нітрату, натрій карбонату. К ористую чись таб ли­ цею розчинності, встановіть, між яким и попарно взятим и речовинами відбудеться хімічна взаєм одія. Виконайте досліди та напиш іть рівнян­ ня реакцій у м олекулярно-йонній формі. З а в д а н н я 3. Д осл ід ним шляхом перевірте, чи можна добути вугле­ кислий га з реакцією обм іну м іж натрій карбонатом та калій хлоридом. З апропонуйте свій варіант добування вуглекислого газу реакцією йонного обміну. З а в д а н н я 4. К ористую чись таблицею розчинності, доберіть е л ек­ троліти та проведіть реакції, пе ре б іг яких відбувається за таким и скороченим и йонним и рівнянням и: а) Н ' + ОН = н р б) М д2* + 5 і0 3 = М д 5 і0 3 і в) АІ3' + ЗОН" = АІ(ОН )3 і Результати спостереж ень і молекулярні та йонні рівняння п р о в е ­ дених реакцій м іж розчинам и електролітів запиш іть у зош итах для практичних робіт. Сф ормулю йте висновки.

С Т О Р ІН К А Е Р У Д И ТА

^

Хоча вода й дуж е слабкий електроліт (ступінь д исоціації води с та ­ новить 1 0 ' 9), проте в окрем их випадках вона вступає в реакцію й о н н о ­ го о бм іну з солям и. Розглянемо два таких випадки на прикладах алюміній хлориду та калій карбонату, але спочатку напиш ем о р івн ян ­ ня електролітичної д исоціації кож ної солі та дослідим о їх розчини індикатором : АІСІ3 ?=» АІ3* + ЗСІ К 2С 0 3 ?=* 2К* +С О ^ Д о с л ід 1. В ипробуєм о розчин алюміній хлориду в дистильованій воді індикатором кислого середовищ а. Індикатор зм інить своє з а ­ барвлення так, як і в розчинах кислот, тобто засвідчить наявність катіонів Гідрогену. Д о с л ід 2. В ипроб уєм о розчин калій карбонату в дистильованій воді ін д и ка то р о м л уж н о го се ре д о ви щ а . Ін д и ка то р виявить н аявність гід р о ксид -а н іо н ів у розчині. З рівнянь електролітичної дисоціації солей бачимо, щ о алюміній хлорид д исо ц ію є б ез утворення катіонів Гідрогену, які зум овлю ю ть кисле середовищ е, а під час дисоціації калій карбонату не з ’являють­ ся йони, властиві лужному середовищ у. Водночас результати дослідів вказую ть на наявність катіонів Н ' (перш ий дослід) та аніонів ОН^ (другий дослід). Поява цих йонів поясню ється перебігом реакцій

йо н н ого о бм ін у між сіллю та водою , щ о дістала назву г ід р о л із с о л е й . У наслідок ц ього в д осліді з алю м іній хлоридом у розчи н і з'яв и л и ся катіони Гідрогену, а в д осліді з калій ка рб о н а том — гід р о кс и д аніони.

Гідроліз со л е й — це реакція йонного обміну між с іл л ю та водою. Сіль можна розглядати як продукт реакції обм іну м іж основою і кислотою . Гідроліз солі відбувається, якщ о один із реагентів належить до сильних електролітів, а інші — до слабких, тому що суть р е а к ц ії г ід р о л із у с о л е й п о л яга є в ут воренні й о н а сл а б ко г о електроліту із о д н о го з й о н ів , на які д и с о ц ію є сіль, та прот илеж ного й о м у за з н а к о м йона, н а які д и с о ц ію є в о д а :

н2о

Н

+ ОН

Перевірте за таблицею розчинності, щ о АІ(ОН )3 — слабкий елек­ троліт, тоді як НСІ — сильна кислота. Отже, утворена ним и сіль алюміній хлорид АІСІ3 вступатиме в хімічну взаємодію з водою, асоцію ючи (з в ’язую чи) йони слабкого електроліту. А оскільки йоном від слабкого електроліту в складі цієї солі є катіон Алюмінію, то він сполу­ читься з гідроксид-аню ном О Н ', утвореним внаслідок дисоціації води. Я к і електролітична д и с о ц іа ц ія , г ід р о л із відбуваєт ься ступінчасто і н а й п о в н іш е — за п е р ш и м ст упенем.

Н апиш ем о повне йонне рівняння реакції гідролізу алюміній хлори­ ду за перш им ступенем: АІ3* + З С Г + Н20 ^

АІОН2* + Н+ + ЗСІ-

С коротивш и ��днакові йони. дістанем о скорочене йонне рівняння реакції гідрол ізу алю міній хлориду за перш им ступенем: АІ3* + Н20 <=> АІОН2* + Н+ Тепер стає очевидним і зрозум ілим , чому розчин солі алюміній хлориду має не нейтральне, а кисле середовищ е. Калій карбонат К 2С 0 3 можна розглядати як прод укт взаєм одії сильного електроліту лугу КОН і слабкої кислоти Н 2С 0 3. Гідроліз відбуватиметься у напрямі асоціації (з'єд на н н я) йонів сл а бко го е л ек­ троліту СО 3 з катіоном Н*. утвореним внаслідок д исоціації води: 2К' + СО 3

+ Н20 «=♦ 2 К' + НС0 + ОН 3

Як бачимо, внаслідок утворення катіона НСОа у розчині за л иш а ­ ються гід р о ксид -а н іо ни. Тому індикатор і визначив наявність лужного середовищ а.

А П оміркуйт е та зробіть в и с н о в о к , чи відбудет ься р е а к ц ія й о н н о г о о б м ін у м іж в о д о ю та с іл л ю , ут вореною с и л ь н и м електролітом — о с ­ н о в о ю і с и л ь н и м електролітом — кислотою. П ри н а г о д і перевірт е с в о є п е р е д б а ч е н н я е ксп е р и м е н т а л ьн и м ш ляхом .

Реакції гідрол ізу солей — це ще один д о каз того, що розчинення речовин у воді — складний ф ізико-хім ічний процес. 70

§ 13

Р о з в ’я зув а н н я е к с п е р и м е н т а л ь н и х з а д а ч . П р а к ти ч н а р о б о та З

У м и н улом у навчальному році, вивчаючи класи неор­ ганічних сполук, ви ознайомилися з поділом хім ічн и х задач на р о з р а х у н к о в і та е к с п е р и м е н т а л ь н і . П ригадайте, що розв’ язування експериментальних задач ґрунтується не на математичних обчисленнях, а на знаннях властивостей окре­ мих речовин та вміннях таким чином спланувати і провести хімічний експеримент, щоб безпомилково встановити наяв­ ність якоїсь речовини, розпізнати кожну з к ільк о х невідомих речовин, за схемою хім ічних реакцій добути певні речовини тощо. Під час виконання практичної роботи, описаної в рубриці «Сторінка природодослідника’*, для розв’ язування експеримен­ тальних задач вам необхідно буде застосувати знання про основні класи неорганічних сполук, електроліти й неелектроліти, умови перебігу реакцій обміну між електролітами в розчині. Перед виконанням практичної роботи повторимо реакції, що про них у 8 класі йшлося як про якісні реакції на окремі групи речовин, попрацюємо з таблицею розчинності й переко­ наємося, що якісні реакції, проведені в розчинах, є реакціями йонного обміну. Вам відомо, що за допомогою а р г е н т у м ( І ) н і т р а т у в р о з чи н і в и я в л я ю т ь х л о р и д н у к и с л о т у та її солі.

У таблиці розчинності ви побачите, що серед сполук, до складу яких входить аніон Х лор у, нерозчинною є лиш е сіль аргентум(І) хлорид А&С1. Тож розчин якої солі хлоридної кислоти чи саму кислоту ви не досліджували б за допомогою розчину аргентум(І) нітрату (сильного електроліту, що дисо­ ціює у воді з утворенням катіонів Аргентуму А&* й нітратаніонів N0.* ), у результаті реакції випаде сирнисто-білий осад аргентум(І) хлориду, що не розчиняється не лиш е у воді, а й у сильних кислотах (хлоридній, нітратній, сульфатній): А * Г + С Г = АеС І 1 С у л ь ф а т н у к и с л о т у та с у л ь ф а т и , щ о п е р е б у в а ю т ь у р оз чи н і , в и з н а ч а ю т ь за д о п о м о г о ю р о з ч и н у о д ні єї з р о з ч и н н и х у воді с п о л у к Барі ю. Скористаємося таблицею розчинності та

з ’ ясуємо, що до таких сполук належать барій гідроксид, барій хлорид, барій нітрат. Напишіть молекулярні та йонні рівняння реакцій обміну між цими сполуками та сульфатною кислотою чи якимось сульфатом, і ви побачите, що в усіх випадках скорочені йонні рівняння будуть однакові 71

Ва*' + 8 0 * ' = В а 8 0 , і

Отже, за допомогою розчинних сполук Барію в розчині можна виявити сульфатну кислоту та сульфати. Відбувається реакція йонного обміну, внаслідок якої утворюється білий осад барій сульфату Ва804, який подібно до осаду аргентум(І) хлориду не розчиняється ні у воді, ні в сильних кислотах. К ар б о н а т и ( я к р о з ч и н н і , т а к і н е р оз ч ин ні ) м о ж н а л е гк о ви я в и т и за д оп ом ог о ю будь- якої к и сл от и, що є с и ль ні ши м е л е к т ­ р о лі то м. н і ж ка р бо н атн а , о ск іл ьк и вона н е с ті й к а речовина й ві дразу р о з к ла д а є т ь с я на в уг лек ис ли й г а з і воду. А З а п и ші т ь молекулярні та йонні р і в н я н н я реакцій обміну м і ж н і т р а тн о ю к и сл от о ю і калій карбонатом, х ло ри д но ю к ис лот ою і натрій карбонатом та переконайтеся, що о б и ­ дві р е ак ц і ї мають таке скорочене йонне рів ня н н я:

2Н* + СОд" = Н 20 + С 0 Т 2

Розглянуті приклади реакцій йонного обміну допоможуть вам у виконанні практичної роботи 3. За таким же скороченим йонним рівнянням відбувається добре вам відома взаємодія питної соди з оцтом. СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІ ДНИКА П р акт ична робо т а

3.

^

Р о з в ’ язування експерим ентальних

задач. З а д а ч а 1. Е ксперим ентал ьним ш ляхом установіть, між яким и речовинами реакція в розчині відбувається до кінця: а) магній хлорид і кальцій нітрат, м агній хлорид і аргентум (І) нітрат; б) магній сульфат і барій нітрат, калій нітрат і натрій карбонат; в) ф ерум(ІІІ) хлорид і ортоф осф атна кислота. ферум(ІІІ) х л о р и д і нітратна кислота. Поясніть чому. З а да ча 2. За д о по м огою реакцій йонного обм іну добудьте: а) карбонат(І\/) оксид; б) ферум(ІІІ) гідроксид; в) кальцій ортофосфат. З а д а ча 3. Здійсніт ь р е а к ц ії й о н н о г о о б м ін у з а такими с х е м а м и :

а) натрій гід р о кси д —> натрій сульфат —> натрій хлорид; б) хлоридна кислота —> натрій хлорид —> натрій нітрат; в) купрум(ІІ) сульфат -» купрум(ІІ) хлорид —> купрум(ІІ) гідроксид . З а д а ча 4*. Р озпізнайте кож ну з трьох речовин біл ого кольору — натрій хлорид, кальцій карбонат, натрій карбонат, виданих вам у твердом у стані. 72

Результати спостереж ень, рівняння реакцій у йонно-м олекулярній ф ормі та висновок запиш іть у зош ит для практичних робіт. З ада ча 5 ’ . За допом огою індикаторів виявіть у трьох виданих вам пробірках без етикеток натрій гідроксид, натрій сульфат та сульфатну кислоту. В

С Т О Р ІН К А Е Р У Д И Т А

^

У 8 класі, дослідж ую чи хімічні властивості амф отерних гідроксид ів, ви переконалися, щ о продукти їх взаєм одії з лугами розчинні у воді. Застосувавш и знання про електроліти та електролітичну дисоціацію , напиш ем о молекулярне та йонні рівняння взаєм одії цинк гід р о ксид у і розчину натрій гідроксиду: 2 п (О Н )2 + 2№ О Н = № 2[2 п (0 Н )4] 2 п (О Н )2 + 2 № * + 2 0 Н - = 2Ма* + [2п(О Н )4]22 п(О Н )2 + 2 0 Н - = [2п(О Н )4]2З в е р н іт ь у в а г у ! В утвореном у йоні, що має назву те тр а гід р о ксо цинкат. Ц инк входить д о складу ко м п л е ксн о го аніона, а не утворю є катіон Цинку, як це відбувається під час взаєм од ії цинк гід р о кси д у з кислотою :

2 п(О Н )2 + 2НСІ = 2пС І 2 + 2Нг О 2п(О Н )2 + 2Н* + 2С І- = 2 п 2* + 2 С Г + 2Н20 2п(О Н )2 + 2Н* = 2 п 2* + 2Нг О ▲ Напишіть м о л е к у л я р н і та й о н н і р ів н я н н я в з а є м о д ії амф от ерного г ід р о к с и д у Ве(О Н )2 з р о з ч и н о м л угу та з х л о р и д н о ю кислот ою.

З А В Д А Н Н Я Д Л Я П ІД Г О Т О В К И ДО К О Н Т Р О Л Ю З Н А Н Ь З ТЕ М И 1 (для виконання у робочих зошитах) 1. Виберіть твердження, що х ара кте ри зу є і с т и н н і розчини. A. Однорідні суміші змінного складу, утворені з двох і б іл ь ­ ше компонентів. Б. Гетерогенні системи, у яких частинки розчиненої речови­ ни можна побачити у промені світла. B. Розчини, у яких частинки розчиненої речовини не можна побачити у промені світла. Г. Суміш двох рідин, що не змішуються між собою. 2. З а м і с т ь к р а п о к в с т а в т е п о т р і б н і слова. A. Розчинником прийнято називати компонент розчину, який має ... масу. Б. Розчиненою речовиною прийнято називати компонент розчину, який має ... масу. B. Щ об обчислити масову частку речовини в розчині, слід масу розчиненої речовини ... на масу ... 3. У к а ж і т ь , я к з м і н и т ь с я масова ч астка р о з ч и н е н о ї р ечо ­ в ин и у во дн ому р о з ч и н і , я к щ о : A. До розчину додати води. Б. До розчину додати розчиненої речовини. B. Провести часткове випарювання розчину. Г. У розчин, виготовлений з мідного купоросу, помістити додаткову к ількість цього кристалогідрату. 4. A. Б. B. Г.

У к а ж і т ь р о з чи н и , що п ро во дя ть е л е к т р и ч н и й струм.

Розчин Розчин Розчин Розчин

кухонної солі. хлороводню у воді. йоду в спирті. цукру у воді.

5. За н аз ва ми з а п и ш і т ь формули с и л ь н и х е л ек тр о лі ті в . А. Силікатна кислота. В. Хлоридна кислота. Б. Сульфатна кислота. Г. Сульфітна кислота. З а п и ш і т ь р і в н я н н я ї х е л е к т р о л і т и ч н о ї дисоціації.

. За н аз ва ми з а п и ш і т ь формули с и л ь н и х е л ек тр о лі ті в . А. А р ген ту м (І) хлорид. В. Магній хлорид. Б. А р ген ту м (І) нітрат. Г. Барій сульфат.

6

З а п и ш і т ь р і в н я н н я ї х е л е к т р о л і т и ч н о ї дисоціації.

7. За н аз ва ми з а п и ш і т ь формули с и л ь н и х е ле ктр ол іті в . А. Ф е р у м (ІІІ) гідроксид. В. Калій гідроксид. Б. Ф е р у м (ІІ) гідроксид. Г. Барій гідроксид. З а п и ш і т ь р і в н я н н я ї х е л е к т р о л і т и ч н о ї дисоціації. 74

8 . У с т а н о в і т ь в і д п о в і д н і с т ь м і ж р е чо ви на ми та ї х з д а т ­ н і с т ю пр ов о д и т и е ле к т р и ч н и й с т р у м , т о б т о н а л е ж н і с т ю до е л е к т р о л і т і в чи н ее лек трол іті в.

A . Електроліти B. Неелектроліти

1. 2. 3. 4.

Глюкоза. Нітратна кислота. Рідкий азот. Калій хлорид.

9. У к а ж і т ь , я к з м і ц н я т ь с я р о з ч и н н і с т ь б і л ь ш о с т і т в е р ­ д и х речовин із п і д в и щ е н н я м температури. A . Збільшується. Б. Зменшується. B. Залишається без змін. Г. Спочатку зменшується, а потім збільшується. 10. У к а ж і т ь , я к з м і н ю є т ь с я р о з ч и н н і с т ь г а з і в з і з н и ж е н ­ н ям температури. A . Збільшується. Б. Зменшується. B. Залишається без змін. Г. Спочатку зменшується, а потім збільшується. 11. У к а ж і т ь , я к з м і н ю с т ь с я р о з ч и н н і с т ь г а з і в із п і д в и щ е н ­ ням тиску. A . Збільшується. Б. Зменшується. B. Залишається без змін. Г. Спочатку зменшується, а потім збільшується. 12. У к а ж і т ь , в з а є м о д і ю я к о ї пари речовин х а р а к т е р и з у є скорочене й онне р і в н я н н я Си2~ + 20Н~. A. Б. B. Г.

К уп р ум (ІІ) оксид і хлоридна кислота. К уп р ум (ІІ) хлорид і натрій гідроксид. Мідь і нітратна кислота. К уп р ум (ІІ) хлорид і аргентум(І) нітрат.

13. У к а ж і т ь фо рму лу е л е к т р о л і т у , « р е з у л ь т а т і д и ­ с о ц і а ц і ї о д н і є ї формульної о ди н и ц і я к о г о у т в о р ю є т ь с я н а й б і л ь ­ ше йонів. А . Калій гідроксид. Б. А лю м ін ій хлорид.

В. Ф е р у м (ІІІ) сульфат. Г. Ортофосфатна кислота.

14. У к а ж і т ь , я к і пари й о н і в не м о ж у т ь о д н о ч а с н о перебува ти в р о з ч и н і у з н а ч н і й кі лькості . А. Г е 2* і С Г .

В. Г е 2' іСОз*.

Б. Г е 2' і О Н '.

Г. Ге:<* і ЗО 2'.

15. У к а ж і т ь , м і ж як и ми парами р ечо ви н ре ак ц ія й о н н ог о о бмі ну в і д б у в а т и м е т ь с я до кінця.

75

Л. Б. В. Г.

Цинк нітрат і натрій сульфат. Магній хлорид і калій сульфат. Натрій сульфат і барій хлорид. Натрій карбонат і хлоридна кислота.

16. У к а ж і т ь , у р е з у л ь т а т і з л и в а н н я я к и х р о з ч и н і в один із п р о д у к т і в р е а к ц і ї ви падає в осад. A. Б. B. Г.

Барій Барій Калій Калій

гідроксид і сульфатна кислота. гідроксид і натрій нітрат. карбонат і нітратна кислота. гідроксид і ф ерум (ІІІ) сульфат.

17. У к а ж і т ь масову ч а с т к у р о з ч и н е н о ї р е чо ви ни в р о зч ин і , в и г о т о в л е н о м у з н а т р ій х ло р и д у м асо ю 60 г і води о б' ємом 440 мл. А . 4,4 % . Б. 6 % . В. 10 % . Г. 12 % . 18. У к а ж і т ь масу води у р о з ч и н і ма со ю 200 г з м асо во ю ч а с т к о ю к у п р у м ( II) су льфа ту 16 %. А. 16 г . '

Б. 32 г.

‘ В. 168 г.

Г. 200 г.

19. У к а ж і т ь масу р о з ч и н е н о ї ре чо ви н и у р о з ч и н і м ас о ю 400 г з м а с о во ю ч а с т к о ю а лю м і н і й н і т р а т у 8 %. А.

8

г.

Б. 16 г.

В. 32 г.

Г. 368 г.

20. У к а ж і т ь , я к а з р е а к ц і й в і д б у в а т и м е т ь с я в р о з ч и н і п р а к т и ч н о до к і н ц я та о з на к у , що це п ід тве рд жує. А. А лю м ін ій сульфат + барій хлорид. Б. А лю м ін ій нітрат + барій хлорид. У в і д п о в і д і з а з н а ч т е суму й о н і в р е а г е н т і в у п ов н ом у йонному р і в н я н н і ц і є ї реакції.

21. С к л а д і т ь п л а н р о з п і з н а в а н н я р о з ч и н і в а р г е н т у м ( І) н і т р а т у й барій хло рид у, що м і с т я т ь с я в п р об і рк а х без е т и к е ­ ток. З а п и ш і т ь в і д п о в і д н і р і в н я н н я р еак ці й. 22. С к л а д і т ь план р о з п і з н а в а н н я р о з ч и н і в калій к а р б о н а ­ ту і калій сульфату, що м і с т я т ь с я в п р о б і р к а х без е т и к ет о к. З а п и ш і т ь в і д п о в і д н і р і в н я н н я реакцій. 23. З а п и ш і т ь м о ле к ул яр н і р і в н я н н я реакцій за наведеними сх ем ам и: а) С и(М 0 б) ^

3 ) 2

Си(ОН

) 2

-* Си80., -* СиС1

- » N 8 0 4 - » Иа.,80, - » № * *

2

0

3

Д л я ре ак ці й й о нн о го обмі ну з а п и ш і т ь п ов н і й скорочені й он ні р і в н я н н я .

Вивчивши ц ю т е му, ви д із н а є т е ся п р о : • різні підходи до класиф ікації хімічних реакцій; • кл а си ф іка ц ію хім ічни х р е а кц ій за кіл ь кіс тю і скл ад ом реагентів та продуктів реакції; • оборотні й необоротні реакції; • о ки с н о -в ід н о в н і реакції, пр о ц е си о ки сн е н н я та в ід н о в ­ лення; • класиф ікацію хім ічних реакцій за такою озна кою , як зміна ступеня окиснення; • тепловий еф ект хімічних реакцій; • класиф ікацію хімічних реакцій за їх тепловим еф ектом . • терм охім ічні рівняння реакцій; • ш в и д кіс ть хім ічни х р е а кц ій та її за л е ж н ість від р ізн и х чинників. З нання цієї тем и збагатять вас такими вміннями: • визначати тип хім ічної реакції відповідно д о тієї чи іншої класиф ікації; • розрізняти реакції різних типів;

•визначати ступінь окиснення елемента у сполуці; • розрізняти пр оце си окиснення та відновлення; • складати рівняння нескладних оки сн о -від н о вн и х реакц ій на основі ел ектро нн ого балансу; • складати терм охім ічні рівняння; • робити висновки про вплив різних чинників на ш видкість хімічних реакцій; • оціню вати значення різних типів хім ічних реакцій у природі та техніці.

§ 1 4 Кл аси ф ікація хімічних р еакц ій за кількістю і скл ад о м реаген тів Вам уже відомі реакції сполучення, ро зкла ду . заміщення, обміну. їх ви або здійснювали самі у 7 та 8 класах, або спостерігали під час демонстраційних дослідів, які виконував учитель на уроках. Пригадаємо окремі з них. Д о с л і д І . У пробірку помістимо кілька гранул цинку, доллємо до них хлоридної кислоти та підігріємо пробірку для прискорення реакції заміщення (мал. 27). Виділення газу свідчить про те, що відбувається хімічна реакція: 2п + 2НС1 = 2ііС1 - Н Т 2

2

Мал. 27. Дослід, що ілюструє перебіг реакції заміщення між цинком і хлоридною кислотою Зберемо газ, що виділяється, в суху пробірку та підпалимо його, щоб пересвідчитись у наявності водню, а не якоїсь іншої газуватої речовини. Почуємо характерний для згоряння водню звук, побачимо, що на стінках пробірки з ’ явилися крапельки води: 2Н + 0 2

2

- 2Н20

Д о с л і д 2. Рідину з пробірки, де відбулася реакція цинку з хлоридною кислотою, обережно зіллємо в конічну колбу та додамо краплями розчину натрій гідроксиду (мал. 28). Спосте­ рігається випадання осаду цинк гідроксиду:

2пС1 + 2 № О Н = 2м(ОН)2і - 2МаС1 Білий осад 2

Д о с л і д 3. Відфільтруємо осад, а після висушування помісти­ мо його в суху пробірку та піддамо термічному розкладу. 78

Поява на стінках пробірки води свідчить про перебіг реакції розкладу: ( 2п(ОН <=* 2пО + Н 20 ) 2

N804

2пСІ

2

2 п(ОН)2

Мал. 28. Дослід, що ілюструє перебіг реакції обміну між ц н і і к хлоридом та натрій гідроксидом У природі, хімічних лабораторіях, на металургійних, фар­ мацевтичних підприємствах тощо постійно відбуваються сотні тисяч хімічних реакцій за участю простих і складних речовин. Різноманітність хімічних реакцій потребує відповідної їх класифікації на окремі групи за певними ознаками. В основу класифікації хімічних реакцій на реакції сполучен­ ня, розкладу, заміщення, обміну покладено такі ознаки, як кіль­ кість та склад реагентів і продуктів реакції.

Реакції сполучення. До цього типу належать реакції, під час яких з двох і більше речовин утворюється одна: Н + С1 = 2НСІ Ж) + = М ВаО + Н 20 = Ва(ОН 4М0 + Н + = 4НЖ 2

2

2

0

2

2

0

2

) 2

2

2

2 0

0

2

) 3

З наведених прикладів видно, що в реакціях сполучення ре­ агентами можуть бути дві прості речовини, дві складні речо­ вини, одна проста та одна складна речовина, три речовини. Та якого б складу не були реагенти, продуктом реакції сполучен­ ня є лише одна складна речовина.

Реакція сполучення — це реакція, внаслідок якої з двох і більше речовин утворюється одна. Реакції розкладу. Цей тип хімічних реакцій за перебігом та наслідками є протилежним до розглянутого типу реакцій спо­ лучення і полягає в т о м у , що з одного р еа ге нту у т в о р ю ют ь ся кілька продуктів реакції: 2Н&0 = 2Н£ * 0

2

І 79

ВаС0 = ВаО + С 0 Т 2МаГМОз = 2NаN02 + 0 2 Т 2КМпО., = К М п 0 + М п 0 + 0 Т Зазначені рівняння реакцій розкладу свідчать, що продук­ тами реакцій цього типу можуть бути як прості, так і складні речовини. Проте щоразу з однієї речовини утворюється не мен­ ше двох речовин. 3

2

2

4

2

2

Реакція розкладу — це реакція, внаслідок якої з однієї складної речовини утворюються дві та більше речовин. Реакції заміщення. Цей тип хімічних реакцій характери­ зується тим, що реакції відбуваються між простою та склад­ ною речовинами, й атоми простої речовини заміщують атоми (якщо складна речовина має молекулярну будову) чи йони (як­ що складна речовина має йонну будову) в складній речовині: Ге + Н 280^ = Ге804 + Н Т п + Не(М = п (Ж + Не 2

2

0

3 ) 2

2

>3 ) 2

2 ^ В г + С1 = 2МаС1 + Вг 2С Н5ОН + 2 ^ = 2С Н 5СШа + Н Т 2

2

2

2

2

Реакція заміщення — це реакція між складною і простою речовинами, внаслідок як ої атоми простої речовини заміщують атоми (йони) у складній речовині. Реакції обміну. З назви цього типу реакцій стає зрозуміло, що речовини обмінюються своїми складовими частинами, тобто взаємодія відбувається між складними речовинами, а простих речовин немає ні до, ні після реакції:

КОН + Н>Юз = ІШО3 + н2о А1С1 + ЗКОН = А1(ОН)34 + ЗКС1 3

СаО + 2НС1 = СаС12 + Н 20 2

АеІ\Ю + ВаС1 = 2АеС1І + Ва(М0 3

2

3 ) 2

У кожному з розглянутих прикладів реакцій обміну серед продуктів реакції обов’ язково є речовина, що задовольняє умо­ ви перебігу реакцій йонного обміну до кінця (випадає в осад чи є малодисоційованою речовиною). В протилежному випадку реакції обміну не відбулися б. Реакція обміну — це реакція між двома складними речо­ винами, під час якої речовини обмінюються своїми скла­ довими частинами. 80

Розглянемо обмін ііонів у першому рівнянні реакції обміну. Калій гідроксид складається з катіона Калію та гідроксиданіона, нітратна кислота — з катіона Гідрогену та нітратаніона. Відбувається, так би мовити, рівноцінний обмін, тобто катіон обмінюється на катіон, аніон — на аніон: К|ОН + Н | Ш = К|Щ., + Н 20 (Н|ОН) 3

К ‘ +ОН~ + Н ' + N0., = К " + N0^ + н ° 2

А н а ло гіч н о відбувся обмін складових частин і в решті реакцій. ▲ Н а п и ш і т ь р і в н я н н я ре акці й й он но го обміну до р о з г л я н у т и х ви ще м о л е к у л я р н и х р і в ня н ь реакцій обміну.

У всіх розглянутих прикладах реакцій обміну дві складні речовини вступають у реакцію або дві речовини утворюються після реакції. А до якого типу хімічних реакцій належать реакції, подібні до взаємодії карбонатів з кислотами, адже там три продукти реакції: N

8 2 0 0 3

+ 2НС1 = 2ШС1 + Н 20 + С 0 2?

Ц і реакції теж є реакціями обміну, адже передусім відбувся обмін складових частин реагентів й утворилася карбонатна кислота, що як нестійка речовина відразу розклалася на воду і вуглекислий газ. Отже, для реакцій обміну головним є обмін реагентів складовими частинами, а не кількість продуктів реакції. ______ ПІДІБ’Є М О ПІДСУМКИ

________________________________

• Всю різноманітність хімічних реакцій можна класифікува­ ти на окремі типи. Залежно від обраної ознаки класифікації (к ла си ф ік а ц ій н ого чинника) вдаються до різних к л а ­ сифікацій реакцій. • За такою ознакою, як к і л ь к і с т ь і с к л а д р е а г е н т і в та п р о ­ д у к т і в р е а к ц і ї , розрізняють реакції спо луч ення , р о зк ла д у, з а м і щ ен н я, обміну.

• До реакцій сполучення належать реакції, під час яких з двох і більш е реагентів утворюється один продукт реакції. • До реакцій розкладу належать реакції, під час яких з одного реагенту утворюються два чи більше продукти реакції. • До реакцій заміщення належать реакції, внаслідок яких атоми простої речовнни заміщують атоми (йони) у складній речовині з утворенням нової простої і нової складної речо­ вини. • Реакції обміну — це реакції, під час яких дві складні речо­ вини (реагенти) обмінюються складовими частинами з утво­ ренням нових складних речовин (продуктів реакції). 81

ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. На які типи поділяють хімічні реакції за кількістю і складом ре­ агентів та продуктів реакції? 2. Оберіть власні позначення і зобразіть загальні схеми роз гля ну­ тих у параграфі типів реакцій. 3. Наведіть приклади рівнянь реакцій сполучення та обміну за участю натрій оксиду. 4. За поданими схемами напишіть рівняння реакцій та зазначте їх типи. ВаО - Н 20 -> Ва(ОН)2 ВаО + НІМ03 -> Вя(МО;,)2 + ... Ва(ОН)2 +■ А12(80.,)3 -> Вя80, -г ... СиО

Н 2 —» Си ^ ...

5*. Наведіть по одному прикладу рівнянь реакцій сполучення, розкладу, заміщення, під час яких утворюється алюміній оксид.

§ 15

О б о р о тн і й н е о б о р о тн і р е а к ц ії

Окрім розглянутої в попередньому параграфі класифікації хімічних реакцій за к ількістю і складом реагентів та продуктів реакції, існують й інші класифікації. Зокрема, за такою озна­ кою, як напрям перебігу хімічних процесів, реакції поділяють на необоротні та оборотні. Необоротні хімічні реакції. Розглядаючи взаємодію е л е к ­ тролітів у розчині, ми наголошували на односторонньому (в бік утворення продуктів реакції) перебігу хімічних процесів. Реакції, що відбуваються в одному напрямі й закінчують­ ся повним перетворенням реагентів на продукти реакції, називаються н е о б о р о т н и м и . Необоротні реакції відбуваються доти, доки повністю не витратиться один із реагентів. Усі реакції йонного обміну, що супроводжуються виділен­ ням газу, утворенням осаду або малодисоційованої речовини, належать до необоротних реакцій. Необоротними є також реакції металів із кислотами, ре­ акції розкладу нерозчинних основ під час нагрівання тощо, наприклад: Си + 4 Н Ж

) 3

(конц.) = С и (Ж Си(О Н

) 2

) 3 ) 2

+ 2М0 + 2 Н 20 2

= СиО + Н 20

Оборотні хімічні реакції. На відміну від необоротних, в обо­ ротних реакціях повного перетворення реагентів (або при­ 82

наймні хоча б одного з них) у продукти реакції не відбувається. Чому? Т ом у що в оборотних реакціях одночасно відбуваються дві взаємодії: а) в з ає мо д і я р е а г е н т і в з утв ор е нн ям п р о д у к т і в р е ак ц і ї : б) вз а ємо д ія п р о д у к т і в реакції , в н а с л і д о к я к о ї з н о в у т в о р ю ­ ються в и х і д н і р ечо вини ( ре а г е н т и ) .

В оборотній реакції взаємодія реагентів називається п р я ­ м о ю р е а к ц і є ю , а взаємодія продуктів реакції — з в о р о т ­ ною реакцією. У рівняннях оборотних реакцій між правою і лівою частина­ ми замість знака « = * пишуть знак « ^ ». Дві стрілки, напрям­ лені в протилежні боки, означають, що хімічна взаємодія одно­ часно відбувається і між реагентами, і між продуктами реакції. Прикладом такої реакції є добування (синтез) амоніаку з азоту та водню: пряма реакція Ґ ------------------- -------------------

N 2 + ЗН2

2ІЧН3

зворотна реакція На початку реакції, коли вміст азоту й водню великий, а амоніаку зовсім мало, домінує пряма реакція. Під час її пе­ ребігу вміст азоту та водню поступово зменшується, а вміст амоніаку збільш ується і тому активізується зворотна реакція розкладу амоніаку на азот і водень. Настає момент, коли за одиницю часу утворюватиметься стільки ж м олекул амоніаку, скільки їх розкладатиметься на азот і водень. Такий стан назвали хімічною рівновагою. Х і м і ч н а р і в н о в а г а — це такий стан оборотних реакцій,

коли за одиницю часу утворюється стільки ж продуктів реакції, скільки їх перетворю ється на реагенти. Швидкість прямої і зворотної реакції однакова. Оборотна реакція у стані хімічної рівноваги за п о с т і й н и х з о в н і ш н і х умов ( н е з м і н н и х температурі, т и с к у , к о н ц е н т р а ­ ц і ї р е ч о в и н ) може залишатися незмінною як завгодно довго. При цьому пряма та зворотна реакції ні на мить не припиня­ ються, проте видимих змін не спостерігається. Через це хімічну рівновагу називають динамічною рівновагою (тобто рухливою). Зміщення хімічної рівноваги оборотних реакцій. У х і м і ч н і й промисловості досить велика кількість оборотних р е а к ц і й ста83

мовить основу виробництва промислово важливих речовин. Крім амоніаку, це, зокрема, виробництво сульфатної та нітратної кис­ лот, поліетилену, переробка жирів тощо. Тому виникає потреба у зміщенні рівноваги в бік утворення продуктів реакції. Зміщення хімічної рівноваги досягають зміною те мп ер ату ­ ри. к о нц е нт ра ц ії реагентів, т ис ку ( для г а к ув а ти х речовин).

Проте минає певний час і швидкості прямої та зворотної реакцій знову зрівнюються — встановлюється нова хімічна рівновага. Вплив концентрації речовин на зміщення хімічної рівноваги. Вводячи додаткові кількості однієї з речовин, тобто збільшуючи її концентрацію, досягають зміщення рівноваги в бік реакції за участю цієї речовини як реагенту. Наприклад, якщо в оборотній реакції азоту з воднем К 2 + З Н 2 <=* 2 М Н 3

після встановлення рівноваги додати азоту чи водню, тобто збіль­ шити концентрацію одного з реагентів, то внаслідок цього зовнішнього впливу рівновага зміститься у бік прямої реакції. Адже пряма реакція послаблює зовнішнії! вплив — концентрація доданого реагенту зменшується. Я кщ о в оборотній реакції встановилася динамічна рівнова­ га, то після введення додаткової порції амоніаку рівновага зміститься в бік зворотної реакції. Концентрація амоніаку зменшуватиметься, а концентрація азоту та водню збільш ува­ тиметься, доки не наступить новий рівноважний стан. Вплив тиску на зміщення хімічної рівноваги. Якщ о оборотна реакція відбувається між газуватими речовинами та з утворен­ ням газуватих продуктів реакції, то для зміщення рівноваги мож­ на застосувати зміну тиску в системі. У розглянутій реакції азоту з воднем усі речовини газуваті, до того ж реакція відбувається зі зменшенням об’єму: в реакцію вступають об’єм азоту і 3 об’єми водню, а після реакції утворюються об’ єми амоніаку: 1

2

N

2

+ ЗН

I V + ЗУ

2ГМН

2

3

<=>

2V

З рівняння цієї взаємодії видно, що в прямій реакції беруть участь 4 об’ єми газуватих речовин, натомість утворюються 2 об’ єми продукту реакції. Том у збільшення тиску змістить рівновагу в бік прямої реакції, що відбувається зі зменшенням об’єму, і протидіятиме перебігу зворотної реакції.

Підвищення тиску зміщ ує рівновагу системи в бік утворення менших об’ємів речовин, а зниження — в бік утворення більш их об’ємів речовин. (Ц е стосується лише реакцій у замкненому реакторі.) 84

Я к щ о в процесі оборотної реакції об’ єми газуватнх речовин не змінюються, то зміна тиску не впливає на стан рівноваги оборотної реакції. Вплив температури на зміщення хімічної рівноваги. Я к щ о оборотна реакція відбувається з виділенням або вбиранням тепла, то рівновагу можна зміщувати, змінюючи температуру. При збільш енні температури рівновага зміщуватиметься в бік реакції, яка протидіє підвищенню температури, тобто ре­ акції, що відбувається з вбиранням теплоти. У разі зниження температури рівновага зміщуватиметься в бік реакції, яка протидіє охолод ж ен н ю , тобто відбувається з виділенням теплоти. Під час підвищення температури хімічна рівновага обо­ ротних реакцій зміщується в бік реакції, що супровод­ жується вбиранням теплоти, а під час зниження — в бік реакції, що супроводжується виділенням теплоти. В оборотних реакціях, я кі відбуваються без теплових ефектів, зміна температури не спричинює зміщення рівноваги, а лиш е зумовлює швидше її встановлення. Вплив каталізатора на зміщення хім ічної рівноваги. З ка­ талізаторами ви вже ознайомлені, тому знаєте, що це речови­ ни, які впливають на перебіг хімічних процесів (прискорюють реакції), але кількісно в них не витрачаються. Щ одо оборотних реакцій, то каталізатори не зм іщ ую ть хімічну рівновагу, бо вони однаково впливають на швидк��сть прямої та зворотної реакцій. Наявність каталізатора лиш е за­ безпечує швидше встановлення рівноваги. Я к бачимо, застосовуючи різні чинники, можна керувати пе­ ребігом оборотних реакцій і досягати запланованого результату.

ґ

„______ ПІДІБ' ЄМО ПІДСУМКИ ____________________________________

"\

• За напрямом перебігу реакції поділяють на необоротні та оборотні. • Необоротні реакції — це реакції, що відбуваються лиш е в напрямі утворення продуктів реакції. Зворотна взаємодія продуктів реакції з утворенням реагентів неможлива. • Оборотні реакції — це реакції, що за однакових умов відбу­ ваються в протилеж них напрямах. У рівняннях таких реакцій замість знака « = * ставлять стрілки в різних на­ прямах « *. Стрілка, спрямована вправо, позначає пряму реакцію, вліво — зворотну. • В оборотних реакціях одночасно відбуваються дві взаємо­ дії: взяті для реакції речовини взаємодіють між собою и 2

85

утворюються продукти їх взаємодії, а утворені продукти теж реагують між собою з утворенням вихідних речовин. • Хімічна рівновага — це стан оборотної реакції, за якого хімічна взаємодія відбувається, проте видимих змін ке спо­ стерігається. Пояснюється це тим, що скільки продуктів ре­ акції за одиницю часу утворюється, стільки ж і реагує між собою. ^

СТОРІНКА ЕРУДИТА

За розглянутою в параграф і оборотною реакцією між азотом і воднем нині у пром ислових масш табах добуваю ть амоніак. Він н е ­ обхідний для виробництва нітрогеновм існих м інеральних добрив, нітратної кислоти та деяких інших речовин. Здавалося б, сировини для такого виробництва достатньо, адже повітря на 4 /5 складається з а зо ­ ту, водень можна добути розкладанням води електричним струмом та деяким и інш ими способам и. Проте цю нескладну, на перш ий погляд, р еакц ію м айж е 100 р оків не вдавалося зд ій сн и ти пр ом исл о ви м способом . А все тому, що вона каталітична, оборотна і на зміщення її рівноваги впливають кілька чинників: тиск, зміна вмісту реагентів, те м ­ пература. Пошуки умов синтезу амоніаку, тобто зміщення рівноваги в бік прямої реакції, проводилися з метою з ’ясувати, в якому напрямі потрібно змінювати температуру і тиск, який каталізатор застосувати. За р озр о б ку наукових основ пром ислового виробництва амоніаку двом нім ецьким ученим Ф . Габеру і К. Бошу в 1918 р. була присуд ж е­ на Нобелівська премія. ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Наведіть класифікацію реакцій за такою ознакою, як напрям перебігу хімічних процесів. 2. Дайте визначення оборотних реакцій. 3. Щ о в рівнянні оборотної реакції означає ліва частина, а що — права? 4. Як вплине збільшення концентрації та тиску на перебіг оборот­ ної реакції, всі речовими в якій перебувають у газуватому стані? Н 2 ^ 12

2НІ

5*. В умовах динамічної рівноваги в закритій посудині відбуваєть­ ся оборотна реакція

СО * н2о ^

со 2* н 2

В якому напрямі зміститься рівновага, якщо в посудину додатково ввести водяну пару?

86

§ 16

О к и с н о -в ід н о в н і р е а к ц ії

Пригадайте, як у 8 класі ви ознайомилися з поняттям с т у ­ пінь о к и с н е н н я а т о м і в е лементі в, навчилися визначати його за хімічною формулою та складати бінарні формули речовин за ступенем окиснення атомів елементів. Ці знання допоможуть вам опанувати ще одну класифікацію хімічних реакцій, в ос­ нову якої покладена така ознака, як зміна с т у п е н і в о к и с н е н н я а т о м і в під час х і м і ч н о ї реакції .

Класифікація реакцій за ознакою зміни ступенів окиснеиня атомів під час хімічної реакції. За цією ознакою всі хімічні реакції можна поділити на групи: реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення, та окисно-відновні реакції. Назва реакцій першої групи зрозуміла. Розглянемо рівняння двох відомих вам реакцій та з ’ ясуємо їх тип за такою класифікаційною ознакою, як з мі на с т у п е н і в 2

о к и с н е н н я ато мі в: +2 - 2

+1 -1

+2 -1

+1 - 2

СиО + 2НС1 = СиС12 + Н 20

(1)

+ + СиО + Н = Си + Н 20

(2)

2

- 2

0

0

1 - 2

2

Я к свідчить рівняння 1, жоден із атомів хімічних елементів під час реакції не змінив ступеня окиснення. Отже, ця ре акці я н ал е ж и т ь до ре акці й, що ві дб у ва ють с я без з м ін и с т уп е ня о ки с н е н н я , або вона не є окисно-відновною.

Прикладом окисно-відновної реакції є взаємодія к уп рум (ІІ) оксиду з воднем під час нагрівання (рівняння ). З нього видно, що атоми Купруму та Гідрогену змінили ступені окиснення. Тому ця реакція належить до окисно-відновних. 2

Окисно-відновні реакції — це реакції, які відбуваються зі зміною ступенів окиснення атомів. З ’ ясуємо, за рахунок чого в розглянутому рівнянні окисновідновної реакції змінилися ступені окиснення атомів. Д ля цього складемо е ле ктр о нн ий б аланс. Електронний баланс — це запис, що складається із сим­ волів хімічних елементів, у яких відбулися зміни ступеня окиснення атомів, позначень над кожним із них ступенів окиснення, а також зазначення чисел приєднаних і відда­ них електронів. - 2

0

Си + 2е —> Си 0

+ 1

н 2 - 2е -» 2Н 87

+2

З електронного балансу видно, що частинка Си приєднує електрони й перетворюється на нейтральний атом зі ступе­ нем окиснення 0. А 2 атоми Гідрогену, що входили до складу однієї м олекули, віддали електрони (кожний по одному) та перетворилися на частинки зі ступенем окиснення + . Запис електронного балансу допомагає правильно визнача­ ти коефіцієнти у рівнянні реакції. Складання рівнянь окисно-відновних реакцій. П ід час самостійного складання рівнянь окисно-відновних реакцій на основі електронного балансу слід зважати на загальні правила, 3 яких ли ш е зрідка бувають винятки. П р а в и л о перше. В м олекулярному рівнянні реакції над сим­ волами хім ічних елементів позначають ступені окиснення атомів у формулах реагентів та продуктів реакції і з ’ ясовують, в атомів яких хімічних елементів відбулися зміни ступеня окиснення. (Як ми це зробили у рівняннях 1 і 2.) П р а в и л о друге. До електронного балансу включають лише елементи, в атомах яких ступені окиснення зазнали змін. У лівій частині електронного балансу записують число части­ нок кожного елемента, що відповідає їх кількості у формулах вихідних речовин. Відповідно таку саму кількість утворених частинок записують у правій частині. Над кожною з них позначають ступені окиснення. (За цим правилом було складе­ но розглянутий вище електронний баланс окисно-відновних реакцій між купрум (ІІ) оксидом і воднем.) П р а в и л о третє. Віддаючи електрони, частинки зб ільш у ­ ють свій ступінь окиснення, а приєднуючи — зменшують. Наприклад, в якійсь із реакцій ступінь окиснення атома Нітрогену змінився з +2 на +4. Оскільки +2 < +4, то відбулося з бі льшен ня ступеня окиснення, що можливе за умови в і д да ч і електронів. Було віддано 2е: 2

2

1

-|-2

-*-4

N - 2? - » N Я кщ о ж в якійсь із реакцій ступінь окиснення атома Н ітро­ гену змінився з +5 на + 2 , а +5 > +2, то має місце з м е н ше н ня ступеня окиснення на 3, що можливе за умови п р и є д на н н я З електронів: -‘-б ~2 N + Зе -> N П р а в и л о четверте. Я к щ о найменше спільне кратне для числа відданих та приєднаних під час окисно-відновної реакції електронів поділити по черзі на кожне з них, то знайдені част­ ки від ділення відповідають коефіцієнтам. їх слід писати в рівнянні реакції зд еб ільш о го перед ф ормулою продукту 88

реакції, до складу якого входить елемент зі зміненим ступенем окиснення атома. Розглянемо це правило, а також закріпимо попередні два на прикладі взаємодії алюмінію з киснем: 0

0

-3-2

А І + 0 2 —> А120 3 -З А І - Зі? —» А І 0

г

0

-2

0

+ 2 • 2е -> 20

2

12

А

За допомогою електронного балансу знаходимо коефіцієнти 4 і 3. Два різних коефіцієнти перед однією формулою А1 Оа поставити не можна, тому запишемо їх перед формулами ре­ агентів: 2

4А1 + 3 0 2 -> А1 0 2

3

Записавши коефіцієнти перед формулами реагентів, бачи­ мо, що перед формулою оксиду не вистачає коефіцієнта , щоб запис відповідав закону збереження маси речовин, а між лівою та правою частинами була б не стрілка, а знак « = *: 2

4А1 + 3 0 2 = 2А1 0 2

3

Процеси окиснення, відновлення. Окисники та відновники. Ці терміни є широко вживаними характеристиками окисновідновних реакцій і стосуються віддачі та приєднання е лек т ­ ронів. Процес в і д д а ч і електронів прийнято називати о к и с н е н н я м , а процес п р и є д н а н н я — в і д н о в л е н н я м . У розглянутому прикладі в атома А лю м ін ію відбулося окис­ нення, а в атома Оксигену — відновлення. Щ одо окисно-відновних процесів, то крім окиснення іі відновлення вживають іще терміни відновник та окисник. В і д н о в н и к — це частинка (атом чи йон), що віддає елект­

рони. О к и с н и к — це частинка (атом чи йон), що приєднує елект­

рони. Терміни в і д н о в н и к та о к и с н и к поширюють і на речовину, в складі якої перебуває частинка, наділена відновними чи окис­ ними властивостями. Так, сил ьн ими в і д н о в н и к а м и є метали, водень, вуглець, карбон(ІІ) оксид, сил ьн ими о к и с н и к а м и — кисень, нітратна та концентрована сульфатна кислоти, галоге­ ни тощо.

89

Узагальнимо матеріал параграфа та покажемо всі можливі записи й позначення, що стосуються окисно-відновного проце­ су на прикладі взаємодії цинку з хлоридною кислотою: + + 2п + НС1 - » 12пС1 + Н 2Т 0

1 - 1

2

-

1

0

2

0 ~г2 -2г 7,п ----- » 2п

-~2е

2Н ----- >

2

1

1

відновник, процес окненення

1

окисник, процес відновлення

2

0

н.

2

Визначившись із коефіцієнтами перед формулами про­ дуктів реакції (це коефіцієнти , які у рівнянні не пишуть), зрівняємо лів у частину рівняння з правою за допомогою ко­ ефіцієнта 2 перед формулою НС1: 1

2п + 2НС1 = 2 пС12 + Н 2Т Складання електронного балансу полегш ує добір коефі­ цієнтів у рівняннях реакцій (спробуйте в завданні з зірочкою, вміщеному в рубриці «Перевірте свої знання», розставити коефіцієнти шляхом арифметичного добору і ви в цьому оста­ точно переконаєтесь). Значення окисно-відновних реакцій. Вони відіграють важ­ ливу роль у природі та промисловості. Так, окисно-відновними є обмін речовин і дихання організмів, гниття, фотосинтез. Ви­ робництво багатьох речовин ґрунтується на окнено-відновних реакціях, наприклад виробництво амоніаку, нітратної, с у л ь ­ фатної і хлоридної кислот, добування металів, лугів тощо. Ле в Володимирович ІІисаржевський ( 1874— 1938) Відомий український учений у галузі х імі ї зробив вагомий внесок у розробку теорії окисно-вілновних процесів. Зокре­ ма, Л. В. Писаржевський висунув припу­ щення про перехід електронів від віднов­ ників до окисників. Працював професором у Київському політехні чному інституті (нині — Національний технічний універ­ ситет Украї ни «Киї вський політехнічний і нститут*), вищих навчальних закладах Дні пропетровська, стояв б і ля витоків створення Ін с ти ту ту фі зичної хі мі ї , з 1927 р. був його директором (нині цей ін­ ститут носить і м’ я Л. В. Пиеяржевського).

90

Л І Д І Б ' Є М О ПІДСУМКИ

г

• За ознакою з м і н и с т у п е н і в о к и с н е н н я а т о м і в хімічні реак­ ції поділяють на окисно-відновні — супроводжуються з м і­ ною ступенів окиснення атомів елементів — та реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення. • В окисно-відновних реакціях зміна ступенів окиснення атомів чи йонів розглядається як процес повного переходу електронів від менш електронегативного атома до більш електронегативного. • Окисно-відновні реа к ц ії — це єдність двох взаємно проти­ л е ж н и х процесів окиснення (віддачі електронів) та віднов­ л е н н я (п р и єд н а н н я е л е к т р о н ів ). В ок и сн о-в ід н ов н ій р е а к ц ії ч и с л о відданих е л е к т р о н ів дорівню є ч и с л у приєднаних. • В окисно-відновних реакціях сума позитивних і негативних ступенів окиснення атомів має однакове числове значення. • В окисно-відновних реакціях о к и с н и к д і с т а є електрони, в і д н о в н и к — в і д д а є , внаслідок чого о к и с н и к в і д н о в л ю є т ь с я , а відновник окиснюється. • О кисно-відновні р еак ц ії доволі поширені в природі та промисловості.

в

1

СТОРІНКА ЕРУДИТА

У параграф і було розглянуто приклади рівнянь о ки сн о -від н о вн и х реакцій, коли елемент, атом и яко го окисн ю ю ться, й елемент, атом и яко го відновлю ю ться, входять до складу різних речовин. Насправді ж о ки сн о -в ід н о в н і реакції різном анітні. С еред них є такі, коли в реакції атом и то го са м о го елемента й о кисню ю ться, й відновлю ю ться, або ж і ч а с ти н ка -о к и с н и к, і ч а с ти н ка -в ід н о в н и к утв о ре н і а то м а м и р ізн и х хімічних елементів, проте входять д о складу о д но го реагенту. П роілю струєм о це прикладам и рівнянь реакцій. П р и кл а д 1 . В заєм одія хлору з гарячим р озчи ном лугу: 0 +1-2 +1 +1 -1 +1+5-2 +1 - 2 СІ 2 + К О Н —> К С І + к с ю 3 + н 2о В изначивш и ступені о ки сн е нн я атом ів хім ічних елем ентів у цьом у рівнянні, бачимо, щ о зм іни відбулися лиш е у Хлору. П ричому один атом має після реакції ступінь окисне ння - 1 , а інш ий +5. С кладаєм о е лектронний баланс: 0

-1

СІ + 1е -> СІ 0

+5

СІ - 5е -> СІ

1 1

94

Д іб р а н і за д о п о м о го ю е л ектр о н ного балансу коеф іцієнти 1 і 5 с та в ­ ляться перед ф ормулами прод уктів реакції: 5 — перед ф орм улою , де ступінь окисне ння атома Хлору д о рівн ю є - 1 , тобто КСІ; 1 — перед ф о р м ул о ю К С Ю 3, у якій ступ ін ь о ки с н е н н я атом а Х лору +5. (З розум іл о, щ о перед о д нією ф орм улою реагенту хлору СІ2 не можна записати два різних коеф іцієнти.) ЗСІ 2 + 6 КОН -> 5КСІ + КСЮ 3 +

зн2о

Приклад 2. Д обування ки сн ю розкладанням калій нітрату під час нагрівання: + 1+5-2

+1+3-2

0

К N 0 3 —» К N 0 2 + 0 2 +5 +3 N + 2е —» N -2

2

2

4

1

0

2 0 - 4е —> О ,

З в е р н іт ь у в а г у ! В ел ектронний баланс за писано не о д ин, а два атом и О ксигену. Це тому, щ о прод уктом р еа кц ії є речовина м о л е ку­ лярної будови, а для утворення о д нієї її структурної частинки, тобто м олекули, потріб ні 2 атом и О ксигену. Як і в п о п е р е д н ьо м у пр икл ад і, д іб р а н і м ето д о м е л е ктр о н н о го балансу ко еф іц ієн ти сл ід по ста в и ти пе р е д ф орм ул ам и пр од уктів реакції. 2КМ0 3 -> 2КГ\Ю2 + 0 2Т

Така р ізн о м а н ітн ість о кисн о -в ід н о в н и х реакцій дає зм о гу кл асиф і­ кувати їх на т р и т и п и : 1 ) м іж м олекулярні о ки сн о -в ід н о в н і реакції — реакції, в яких о к и с ­ ник та відновник входять д о складу р ізних реагентів (прикладам и є реакції з о с н о в н о го те ксту параграф а); 2 ) д и с п р о п о р ц ію в а н н я (с а м о о к и с н е н н я —с а м о в ід н о в л е н н я ) — реакції, в яких атом и о д но го хім ічного елем ента і окисню ю ться, і відновлю ю ться (наприклад, взаєм одія хлору з гарячим лугом); 3) внутріш ньо-м олекулярні — реакції, в яких о ки сн и к та відновник входять до складу о д но го реагенту (наприклад, терм ічний розклад калій нітрату).

ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. По тр е ну йт е сь у визначенні ступені в окис не ння атомів, наприклад Нітрогену, за навеленими формулами: Г^2, N 0 , N0.,, М Н 3, Н М 0 3. У якій із формул ступінь окиснення Нітрогену найнижчий, а в якій — найвищий? 2. Напишіть рівняння реакцій хлорндної кислоти з магнієм і хлоридної кислоти з магній оксидом. Яка з реакцій с окисно-відновною? 3. Напишіть рівняння реакції магнію з хлором, складіть е л е к ­ тронний баланс та розгляньте процеси окиснення й відновлення.

92

4. За наведеними схемами напишіть рівняння реакцій, визначте їх тини за відомими вам класифікаціями. Д ля окисно-відновних реакцій напишіть електронний баланс, зазначте процеси окиснення н відновлення, окисник та відновник: Си + 0 2 —> С н О

СиСІ^ + Ге —> ГеС12 + ?

НкО-» Н* + о2Т 5*. Розбавлена нітратна кислота взаємодіє з міддю, утворюючи сіль купрум(ІІ) нітрат, воду та нітроген(ІІ) оксид. Напишіть рівняння реакції та здійсніть добір коефіцієнтів на основі електронного балансу. 6*. У наведених на Сторінці ерудита прикладах зазначте окисни­ ки та відновники, процеси окиснення та відновлення.

§ 17

Тепловий е ф е к т р е а к ц ії. Е к зо те р м іч н і та е н д о т е р м іч н і р е а к ц ії

Кожна речовина за постійних температури і тиску володіє певним запасом енергії, яку називають внутрішньою енергією. Ця енергія складається з енергії хаотичного теплового руху складових частинок речовини та енергії взаємодії цих частинок. Теплові явища, що супроводжують хімічні реакції. У хім ії важливою характеристикою хімічних реакцій є зміна вну­ трішньої енергії речовин у процесі реакції. Про те, що ця зміна відбувається, переконаємося, виконавши досліди. Д о с л і д 1. У склян ій посудині проведемо реакцію ней­ тралізації л у г у кислотою. Реакція відбувається досить швидко: КОН + НС1 = КС1 + Н 20 Доторкнувшись долонею до стінки посудини, відчуємо, що вона стала теплою. Отже, ця реакція супроводжується виділенням теплоти. Д о с л і д 2. У наповненій киснем колбі спалимо вуглинку, розжаре­ ну на повітрі (мал. 29): С +

о 2 = с о 2т

П ісля того як горіння припи­ ниться, доторкнемось долонею до стінки посудини і виявимо, що вона нагрілася, тобто і в цій реакції відбулася зміна внутрішньої енергії речовин, наслідком чого стало виділення теплоти в зовнішнє се­ редовище. На відміну від першої реакції, спостерігалося також виділення світлової енергії.

Мал. 29. Горіння вугілля є екзотермічною реакцією

93

Си(ОН)2

СиО Крапельки води

Після реакції

До реакції

Мал. ЗО. Розкладання купрум(ІІ) гідроксиду г ендотермічною реакцією

Д о с л і д 3. Проведемо термічне розкладання нерозчинного у воді купрум(ІІ) гідроксиду, Я К І І І І добудемо реакцією обміну між розчинами відповідної солі та лугу. Пробірку закріпимо в лапці штатива (мал. ЗО) та почнемо нагрівати. Досить швидко стануться видимі зміни — блакитний колір осаду почне зміню­ ватися на чорний, а ближче до отвору пробірки конденсується водяна пара. Ці зміни є результатом розкладу нерозчинної основи на оксид і воду:

Си(ОН

і = 70—90 °С ) 2

СиО + Н 20

Як бачимо, реакція розкладу купрум (ІІ) гідроксиду відбу­ лася внаслідок нагрівання. Отже, робимо висновок, що самочинно, без надходження теплоти, купрум(ІІ) гідроксид не розкладається. Розглянута реакція є прикладом реакцій, що супроводжуються вбиранням теплоти. Суть теплових явищ, що супроводжують хімічні реакції. Перед утворенням продуктів реакції, що відрізняються від реагентів як за хімічним складом, так і за типами хімічних зв’ язків, хімічні зв’ язки в речовннах-реагентах під впливом різних видів енергії (теплової, світлової, електричної) руйну­ ються. Щ об зруйнувати будь-що в природі, потрібно витратити певну кількість енергії. Не є винятком з цього правила і руйну­ вання хімічних зв’ язків у сполуках. Пригадайте, що для руйнування зв’ язків між молекулами (лід, парафін, твердий вуглекислий газ, цукор тощо) достатньо невеликої кількості теплової енергії. А щоб, не вдаючнея до розчинення, зруйнувати хімічні зв’ язки між нонами (натрій хлорид, питна сода тощ о), доводиться витрачати велику 94

кільк ість теплової енергії (принаймні на газовій плиті вам їх розплавити не вдасться). Проте особливість хім ічних реакцій в тому іі полягає, що після руйнування одних хім ічних зв ’ язків обов’ язково форму­ ються нові, і цей процес супроводжується виділенням теплоти. Ц ілк ом логічно передбачити, що розглянуті протилежні, але взаємопов’ язані процеси потребують різної кількості теплоти. Я к щ о на руйнування зв’ язків у взятих для реакції речовинах теплоти витрачається менше, ніж її виділяється під час утво­ рення хім ічн и х зв’ язків у продуктах реакції, то «за л и ш о к * теплової енергії виділяється у зовнішнє середовище. Ц е ми спостерігали у перших двох дослідах. Я к щ о ж теп лота, необхідна д л я руйнування х ім іч н и х зв’ язків у реагентах, переважає теплоту, що виділяється під час утворення хім ічних зв ’ язків у продуктах реакції, то без до­ даткового надходження теплоти із зовні взаємодія речовин не відбудеться. Подібні реакції можливі ли ш е за рахунок вбиран­ ня додаткової кількості теплоти. Ось чому третій дослід ми проводили при нагріванні. Подібно до теплових явищ під час розчинення речовин, теп­ лові явища, що супроводжують хім ічні реакції, зумовлені р і з н и ц е ю м і ж к і л ь к і с т ю т е п л о т и , я к у треби в и т р а т и т и на р у й н у в а н н я х і м і ч н и х з в ’я з к і в у р е а г е н т а х , і к і л ь к і с т ю т е п л о ­ ти, що в и д і л я є т ь с я при у т в о р е н н і н о в и х х і м і ч н и х з в ’я з к і в у п р о д у к т а х х і м і ч н о ї р е ак ц і ї .

Ц я р ізн и ц я д іс т а л а реакції.

назву т е п л о в о г о еф екту

х ім іч н о ї

Т еп лови й ефект х ім іч н о ї реакції — це кількість теплоти, що ви д іля ється або вбирається в результа ті х ім іч н о ї реакції. Т епловий ефект реакції за постійного тиску називають е н т а л ь п і є ю реакції і позначають Л// (читається дельта-аш).

В одних реакціях ця різниця істотна, як у реакції горіння різних видів палива, в інш их — незначна, наприклад у реакціях нейтралізації. Теплота вимірюється в д ж о у л я х (Д ж ) і к іл о д ж о у л я х (к Д ж ). Т ож одиницями вимірювання теплового ефекту теж є д ж о у л і та к і л о д ж о у л і . К л а с и ф ік а ц ія реакцій за те п л о в и м ефектом х ім іч н о ї реакції. За такою ознакою , як т е п л о в и й е фе кт х і м і ч н о ї р е а к ц і ї , їх поділяють на ендотермічні й екзотермічні. Ендотермічні реакції (від грец. е н д о — всередині) — це реакції, що відбуваються з поглинанням теплоти. 95

У р о згля н ути х дослідах такою реакцією б у л о термічне розкладання к у и р у м (ІІ) гідроксиду. Екзотермічні реакції (від грец. е к з о — назовні) — це реак­ ції, щ о відбуваються з виділенням теплоти. У р о з г л я н у т и х перш их двох д о с лід а х відбули ся е к з о ­ термічні реакції. У сі реакції горіння речовин є екзотермічни­ ми реакціями. \ Н може набувати додатного (записують +А Н ) або від’ ємно­ го (записують —А Н ) значення. Я к щ о А// є додатним числом, то це означає, що внутрішня енергія речовин після реакції, порівняно з внутрішньою енергією речовин до реакції, з б іл ь ­ шилася. Ц е мож ливо ли ш е за умови вбирання теплоти, тобто під час е н д о т е р м і ч н о ї р е а к ц і ї . Я к щ о ж \ Н є від’ ємним числом, то, навпаки, внутріш ня енергія речовин п ісля реакції, порівняно з внутрішньою енергією речовин до реакції, змен­ шилася. Тобто певна кільк ість теплоти виділилася в зовнішнє середовище, що властиво е к з о т е р м і ч н и м р е а к ц і я м . Отже, робимо висновок, що т е п л о в и и е фе к т х і м і ч н о ї р е а к ц і ї д о р і в н ю є р і з н и ц і м і ж в н у т р і ш н ь о ю е не р гі єю п р о д у к т і в р е а к ц і ї та в н у т р і ш н ь о ю е не р г і є ю р еаг енті в.

Д о речі, будь-яка хімічна реакція призводить до руйнуван­ ня одних та утворення інших хім ічних зв’ язків, утворення нових речовин, але не нових атомів. Т о ж коли ми говоримо про утворення після реакції нових речовин, це зовсім не означає, що здійснено заповітну мрію а лх ім ік ів — добуто нову речови­ ну, до ск ла д у я к о ї входять атоми х ім іч н и х елем ен тів, відсутніх у складі реагентів. Добуванням ін ш и х хім іч н и х елементів характеризуються ядерні реакції, а не хімічні. Терм охім ічн е рівняння реакції. Донедавна тепловий ефект хім ічн ої реакції записували безпосередньо в рівнянні реакції після хім ічн и х формул продуктів реакції зі знаком плюс, якщ о реакція екзотермічна, або зі знаком мінус, якщ о реакція ендотермічна. Нині тепловий ефект хім ічної реакції в разі необхідності прийнято записувати через крапку з комою в одному рядку з м олекулярним рівнянням реакції. Це тому, що в сучасній х ім ії тепловий ефект розглядають з позиції збільш ення чи зменш ен­ ня внутрішньої енергії речовин внаслідок реакції. З б і л ь ш е н н я в н у т р і ш н ь о ї е не рг і ї у продуктів реакції порівняно з енергією реагентів вважається п о з и т и в н и м т е п л о в и м е фектом е н д о ­ т е р м і ч н о ї х і м і ч н о ї р е ак ц ії , в е л и ч и н а я к о г о п о з н а ч а є т ь с я зі з н а к о м плюс , а з м е н ш е н н я — н е г а т и в н и м т е п л о в и м ефектом е к з о т е р м і ч н о ї х і м і ч н о ї р е ак ці ї , і в е л и ч и н а й ог о п о з н а ч а є т ь с я зі з н а к о м мінус. 96

Р о з г л я н е м о це на конкретних п ри кладах відомих вам реакцій, зауваживши, що в рівнянні зазначається тепловий ефект з розрахунку на к ільк ість речовин, задіяних у хімічній реакції, а не на моль продукту чи продуктів реакції. Приклад 1. Я к термічно розкласти малахіт? М алахіт — це мінерал, склад якого передає хімічна форму­ ла Си (О Н ) СО Досить трохи його нагріти, як починається реакція розкладу: 1

2

2

;1

Си ( 0 Н ) С 0 = 2СиО + Н 20 + С 0 2; 2

2

Л Я = +17 кДж

3

Тепловий ефект цієї реакції зі знаком плюс означає, що внутріш ня енергія речовин після реакції з б іл ь ш и л а с я на 47 кДж . Тож у процесі реакції відбулося вбирання теплоти, що є ознакою ендотермічної реакції. Приклад 2. Я к відбувається горіння метану в кисні? Ця реакція є екзотермічною й відбувається з виділенням значної кількості теплоти, на чому й ґрунтується широке використання метану (основної складової частини природного газу) як пального. Запишемо м олекулярне (1 ) та термохімічне (2 ) рівняння цієї реакції: СН, + 20 = С0 2

СН., + 2 0 = С 0 2

2

2

+ 2 Н 20 ;

+ 2 Н гО Л Н = -891 кДж

(1) (2)

Тепловий ефект зі знаком мінус означає, що під час реакції внутрішня енергія речовин зменш илася на 891 кДж і саме ст іл ь к и теп лоти в и д іля ється в зовніш нє середовищ е при спалюванні м оль метану й утворенні моль вуглекислого газу й 2 м оль води. Тож ця реакція екзотермічна. Д л я чого розраховують тепловий ефект хім ічн ої реакції. Теплові ефекти хім ічних реакцій визначають експерименталь­ но з розрахунку на кільк ість речовини реагентів чи продуктів реакції згідно з м олекулярним рівнянням. Реакції проводять у спеціальному приладі к ал ор и ме т рі , або ж обчислюють теоре­ тично. Ц е потрібно не л и ш е для наукових цілей, а й для правильного та безпечного практичного використання екзо­ термічних та ендотермічних реакцій. Зокрема, паливо сп а лю ­ ють у великих кількостях з різною метою — д ля одержання тепла, для перетворення його на електричну енергію, для ви­ конання механічної роботи тощо (м ал. 31). Все це керовані процеси й д ля їх безпечного перебігу потрібно здійснювати точ­ ні розрахунки на основі теплових ефектів хім ічн и х реакцій. При проведенні у п р ом ислових масштабах е н дотерм ічн и х реакцій (добування негаш еного вапна терм ічним р о з к л а д о м к а ль ц ій карбонату, відновлення м еталів із руд т о щ о ) знання 1

1

97

Мн л . 31. П р а к т и ч н е викорис тання е к з о т е р мі чн и х реакцій

теп лового ефекту реакцій дає зм огу стеж ити за тим, щоб не трапилося небаж аного о х о л о д ж е н н я й реакція не п р и п и н и ­ лася. .______ П І Д І Б ' Є М О П І Д С У М К И _________________ ____________________ • Усі речовини наділені внутрішньою енергією, що с к л а ­ дається з енергії теплового руху й енергії взаємодії складо­ вих частинок речовини. • Під час хім ічн и х реакцій спостерігається зміна внутрішньої енергії речовин внаслідок руйнування хім ічних зв’ язків, властивих речовина.м-реагентам, та утворення нових х ім іч ­ них з в ’ язків, притаманних продуктам реакції. • Різниця між внутрішньою енергією продуктів реакції і ре­ агентів називається теп лови м ефектом х ім іч н о ї реакції (позначається АН ) , який вимірюється в д ж о у л я х або к іл о ­ д ж о у ля х й характеризує кільк ість теплоти, що виділяється або вбирається під час хімічної реакції. • За тепловим есЬектом х ім іч н і ррякиії класи ф ік ую ть на екзотермічні іі е

• Екзотермічні реакції супроводжуються виділенням теп ло­ ти, ендотермічні — вбиранням теплоти. • В еличину теплового ефекту ендотермічних реакцій запису­ ють зі знаком плюс, а екзотермічних — зі знаком мінус. • Рівняння реакції, в яком у зазначено її тепловий ефект, на­ зивається т е р м о х і м і ч н и м р і в н я н н я м . ПЕРЕВІРТЕ С ВО І ЗНАННЯ 1. Поясніть, чому одні реакції супроводжуються виділенням те п ­ лоти, інші ж — її вбиранням. 2. Дайте визначення теплового ефекту х імі чно ї реакції та наведіть класифікаці ю реакцій за цією ознакою. 3. За наведеними термохі мі чними рівняннями розподіліть реакції на екзотермічні й ендотермічні: а) 5 + 0 2 = 802; А Н = - 2 97 кДж б) 2СО + 0 2 = 2СОг; Л Я = -566 Дж в) 2 Н аО = 2 Н 2 + 0 2; Д// = +286 к Дж 4. У результаті взаємодії 1 м о ль водню й 1 м о ль х л о р у утворюєть­ ся 2 м о л ь гідроген х лор ид у й виділяється 183,6 к Д ж теплоти. Н а ­ пишіть термохі мі чне рівняння цієї реакції. 5*. Обчисліть тепловий ефект реакції горіння вуг лецю та на­ пишіть ї ї термохі мі чне рівняння, я к щ о відомо, що при спалюванні вуг лецю масою 3 г виділяється 32,85 к Дж теплоти.

§ 1 8 Ш в и д к іс т ь х ім іч н о ї р е а к ц ії. З а л е ж н іс т ь ш в и д к о с т і х ім іч н о ї р е а к ц ії в ід р із н и х ч и н н и ків П о н яття про швидкість х ім іч н о ї реакції. Ф ізи ч н и й зміст поняття ш в и д к о с т і вам відомий. У фізиці це поняття означає ш л я х , пройдений т іл о м за одиницю часу. А щ о означає швидкість у хім ії? Ш видкість у х ім ії означає тривалість перетворення одних речовин на інш і. Пригадайте, що перетворення л у г у й кислоти на сіль і воду відбувається миттєво. Щ о б добути сіль і воду взаємодією к у п р у м (ІІ) оксиду із розбавленою сульфатною кис­ ло то ю , потрібно к іл ь к а х в и л и н . С рібні вироби з часом тьм я н ію т ь , бо на повітрі відбувається окиснення срібла киснем. Тривалість цієї взаємодії за кімнатної температури обчислюється місяцями (м а л. 32). Щ о й н о ми навели надто загальне порівняння тривалості перетворення одних речовин на інш і та пересвідчились, що перебіг хім ічн и х явищ характеризується великою р і з н и ц е ю у часі. Щ о б знати точно, а не приблизно, с к ільк и часу триває перетворення одних речовин на інші та наскільки ш в и д к о воно 99

Мал. 32. Приклади різних зі» тривалістю хі мі чних явищ

закінчується, введено поняття швидкість хім ічн ої реакції (як у фізиці, позначається латинською літерою у ). Ш видкість хім ічн ої реакції пов’ язують із к і л ь к і с т ю р е ч о в и ­ ни р е а г е н т і /. що п рореагу вав, чи к і л ь к і с т ю п р о д у к т у реакц ії , що у т в о р и в с я .ш о д и н и ц ю часу « п ев н ом у о б ' с м і р е а к ц і й н о г о п р ос т ор у. Я к щ о всі реагенти перебувають у розчиненому 100

стані, то обчислення здійснюють на л розчину, к ільк ість ре­ човини виражають у м олях, а час — у секундах. Наприклад, до реакції вміст одного з реагентів становив м оль в і л розчину. Це можна записати 5 м оль/л (читається м о ль на літр ). Через с його взаємодії з іншим реагентом вміст реагенту дорівнював 2 моль/л. За наведеними даними з ’ я с у ­ ємо, яка к ільк ість реагенту з розрахунку на л розчину витра­ чалася за 1 с. Д л я цього: ) о б ч и с л и м о з м ін у к іл ь к о с т і речовини за вказаний проміжок часу: 1

5

6

1

1

5 м оль - 2 м о ль = 3 моль; ) поділимо знайдену кільк ість речовини на час перебігу реакції, тобто на б секунд: 2

З моль/л :

6

с = 0,5 моль/л ■с.

Знайдена частка від ділення показує, що в і л реакційної суміш і щосекунди витрачалося 0,5 моль речовини. Слід зазначити, що, крім масової частки розчиненої речови­ ни в розчині, її вміст можна виражати концентрацією. Так, м олярн а концентрація показує, с к і л ь к и м о л і в р о з ч и н е н о ї р е ч о ­ ви н и м і с т и т ь с я в 1 л р о з ч и н у , і має одиницю вимірювання м оль/л. З в е р н і т ь у в а г у , що в наведеному прикладі вміст роз­ чиненої речовини також був виражений у цих одиницях. Тобто від самого початку йш лося про м оляр н у концентрацію речови­ ни. На підставі цього сформулюємо визначення швидкості х ім іч н ої реакції: Ш видкість х ім іч н о ї реакції — це зміна концентрації одно­ го з реагентів чи одного з продуктів реакції за одиницю часу при н е зм ін н о м у о б ’ єм і го м о г е н н о ї систем и, що складається з реагентів та продуктів їх взаємодії. Гомогенність (однорідність) х ім іч н ої реакції як системи вказує, що взаємодія відбувається в усьому об’ ємі одночасно. Д л я обчислення швидкості такої хім ічн ої реакції треба зміну концентрації речовин, виражену в м оль/л, поділити на час у секундах, протягом якого ця зміна відбувалася. Відповідно до цього робимо висновок: Д л я визначення швидкості гомогенної х ім іч н о ї реакції потрібні дані про к ільк ість речовини реагенту, що витра­ тився, чи к ільк ість речовини продукту реакції, що утво­ рився за час ї ї проведення, виражені в м оль/л, та трива­ л іс т ь хім ічн ої реакції, обчи слен у в секундах.

101

Вплив деяких чинників на швидкість хім ічної реакції. П о ­ няття к о н ц е н т р а ц і я характеризує вміст розчиненої речовини в розчині, тому це поняття не вживають стосовно речовин, що пе­ ребувають у твердому агрегатному стані, — для них визначаль­ ним чинником швидкості реакції є площа поверхні реагенту. В плив п л о щ і контакту реагентів на швидкість х ім іч н о ї реакції. Д л я твердих речовин ш видкість х ім іч н о ї реакції залежить від загальної площ і взаємодії реагентів: чим більша поверхня зіткнення реагентів, тим швидше відбувається взаємодія. Щ о це справді так, ви переконаєтеся під час виконання зав­ дання 1 л а б о р а т о р н о г о досліді/ 5, вказівки щодо проведення якого містяться в рубриці «Сторінка природодослідника*. В плив температури на швидкість х ім іч н о ї реакції. Про істотний вплив т е мп е р а т у р и на швидкість хім іч н ої реакції свідчать такі дані щодо реакції м іж воднем і киснем з утворен­ ням води. За к ім н а тн о ї тем ператури ш ви дкість р еа к ц ії настільки мала, що реакція практично не відбувається. За тем ­ ператури -*-500 °С реакція триває 50 хв, за температури + 700 °С — відбувається миттєво. Пригадайте, що під час нагрівання виділення водню у реакції заліза з к ислотою відбу­ вається набагато швидше, ніж без нагрівання. В плив природи речовин на швидкість х ім іч н о ї реакції. Неабиякий вплив на швидкість хім ічн ої реакції має також природа речовин. Пригадаємо та проведемо дослід, який вико­ нували у класі під час вивчення хім ічн и х властивостей кислот, а саме, їх взаємодію з різними металами. Перевіримо залеж ність швидкості реакції металів з к и сло ­ тою від природи металу дослідним ш ляхом . Д л я цього нам з н а д о б л я т ь с я : 3 пробірки, розбавлена сульфатна кислота, магнієва стрічка, гранули цинку та шма­ точок заліза, дібрані так, щоб поверхні контакту в металів були приблизно однакові ( п о м і р к у й т е , н а с к і л ь к и це в а ж л и в о а 8

д а н о му е к с п е р и м е н т і ) .

У три стакани (м ал. 33) н аллєм о по 20 м л розбавленої с у л ь ­ фатної кислоти. У перший помістимо магній, у другий — цинк, у третій — з а л ізо . С постерігатим ем о, як у трьох стаканах відразу розпочалися хімічні реакції, про щ о свідчить виділення пухирців водню: М& + Н § о , = М еЗО , -г Н 2Т 2

2п + Н 23 0 , = 2 п 8 0 , + Н 2Т Ге + Н 28 0 , = Г е 8 0 , + Н 2Т Водночас спостереження показує, що ці реакції відбувають­ ся з різною швидкістю.

102

неї 4

\

Мд

<?"

7.п

<?“

^ Ре

/ 1>2 К.

і’і >

1>2

> 1^3

Мал. 33. Природа реагентів впливає па швидкість хімічних реакцій

Розбавимо вміст кожного стакана водою вдвічі й побачимо, що в усіх стаканах швидкість хімічної реакції зменшилася, проте загальна тенденція і?, > іл, > і>;, збереглася. Таким чином, дослідним ш ляхом дістаємо підтвердження, що природа реагуючих речовин належить до чинників швид­ кості хімічної реакції. Вплив каталізаторів на швидкість хімічної реакції. Про цей чинник ви довідалися на самому початку вивчення хім ії в ос­ новній школі, коли добували кисень з гідроген пероксиду. Гідроген пероксид Н 0 — нестійка сполука, яка з часом самочинно розкладається на воду й кисень (на світлі цей процес відбувається швидше, тому лікарський препарат під назвою «Перекис водню» — розчин з масовою часткою гідроген перокенду 3 % — зберігають у скляному посуді темного кольору): 2

2

2Н 0 2

2

= 2Н20 +

0

Я кщ о ж до нього додати небагато (на кінчику ш пателя) манга н (ІУ ) оксиду, то швидкість реакції зростає в десятки разів (мал. 34).

Ог

НО 2

2

МПО

2

Мал. 34. Дослід, що підтверджує вплив каталізаторів на швидкість хімічних реакцій

103

Каталізатори прискорюють швидкість каталітичних ре­ акцій (реакцій, що відбуваються за наявності каталізатора). Вплив освітлення на швидкість хім ічної реакції. У деяких випадках на швидкість хімічної реакції впливає інтенсивність освітлення суміші реагуючих речовин. У темряві, наприклад, метан взаємодіє з хлором повільно. Я кщ о ж реакційну суміш помістити під пряме сонячне світло, реакція відбуватиметься настільки швидко, що станеться вибух. Про вплив к онцентрації реагентів на швидкість хімічної ре­ акції дізнайтеся, виконавши завдання 2 лабораторного досліду 5. Д л я чого потрібні знання про швидкість хімічної реакції. Без використання знань про швидкість хімічної реакції та її зміну під впливом різних чинників не обходиться жодне хімічне ви­ робництво. Теоретичними обчисленням»» та експериментальним ш ляхом добирають концентрацію, температуру, п лощ у взаємодії твердих речовин, у разі необхідності — каталізатор. Це необхідно для того, щоб хімічна реакція відбувалася з до­ статньою швидкістю та щоб унеможливити самовільне зупинен­ ня реакції чи занадто швидкий вибухонебезпечний перебіг хімічного процесу. Потім вирішують, як відвести зайву кількість теплоти, як збільшити площу зіткнення реагентів тощо. Ц і питання настільки важливі, що ними займається окре­ мий розділ хімії, який називають х і м і ч н о ю кінетикою. Знання про швидкість хімічної реакції корисні і в повсяк­ денному житті людини. Так, встановлено, що з нагріванням на кожні 10 СС швидкість реакції збільшується в 2— 4 рази. Знаю­ чи це, неважко підрахувати, у скільки разів збільшується швидкість взаємодії речовин прального порошку з брудом на білизні під час нагрівання, та зрозуміти, чому багато виробів із тканин, і насамперед постільну білизну, перуть за температури 80— 100 °С. Далекі від знань про хімічну кінетику, люди здавна користу­ валися її закономірностями: щоб швидше «підходило* тісто, по­ судину з ним ставили у тепле місце, а щоб довше зберегти моло­ ко свіжим, тримали його в холодному місці чи ставили глечик з молоком у холодну воду. Домоткане полотно ваші прабабусі вибілювали на сонці, періодично намочуючи його у воді тощо. Г

СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІ ДНИКА

Лабораторний д о с л і д 5. Вплив площі поверхні контакту р е ­ агентів, концентрацП'й температури на швидкість хімічної реакції. З а в д а н н я 1. Д ослідіть вплив площі поверхні контакту реагентів на ш видкість хімічної реакції.

104

В одну пробірку покладіть грудочку крейди з приблизним д іа м е т­ ром 0,5 см , у д р угу — по р о ш о к кр ей д и , рівн оцін ний за м асою грудочці. В обидві пр обір ки обереж но додайте близько 2 мл хлоридноі кислоти. В якій із проб ірок реакція відбувається ш видш е? Чим це можна пояснити? Сф ормулю йте висновок про залежність ш видкості хімічної реакції твердого реагенту від площі його стикання з інш им реагентом. З а в д а н н я 2. Д ослідіть вплив концентрації речовини на ш видкість хімічної реакції. У дві проб ірки налийте по 1 мл хлоридної кислоти. Одну з порцій розбавте водою вдвічі. У кожну з пробірок ( о б е р е ж н о !) пом істіть по гранулі цинку та спостерігайте, з однаковою чи різною ш видкістю відбуваються реакції в обох пробірках. Здобуті результати обґрунтуй­ те та зробіть висновок про вплив концентрації хлоридної кислоти на ш видкість хімічної реакції. З а в д а н н я 3. Д ослідіть вплив тем ператури на ш видкість хімічної ре ­ акції. В ізьм іть із попереднього досліду ту пробірку, в якій відбувається реакція цинку з розбавленою вдвічі водою хлоридною кислотою , та нагрійте її. Як вплинуло нагрівання на переб іг реакції?

Сформулюйте висновок про залежність швидкості хімічної реакції за участю твердого реагенту від площі стикання речовин і температури. Напишіть рівняння проведених вами хімічних реакцій. Результати виконання лабораторного досліду оформіть в зош иті у вигляді таблиці: Завдання

Чинник впливу

„ _____ П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И

С постереж увані зміни

__

Висновок

__ ___________

• Ш видкість хімічної реакції — це зміна концентрації реа­ гентів чи продуктів реакції за одиницю часу при незмінно­ му об’ ємі гомогенної системи. • Р ізн і х ім іч н і реакції відбуваються з неоднаковою швидкістю. • До чинників, що впливають на швидкість хімічних реакцій, належать: природа р е аг е нт і в , к о нц е н т р а ц і я ре чо вин, т е м­ пература, площа п ов е рх ні твердих речовин, доступна для взаємодії з іншою речовиною, тобто с т у п і н ь подрібнення, н а я в н і с т ь к а та л і за т ор а , і н т е н с и в н і с т ь о с в і т л е н н я (для деяких реакцій). • Знання про швидкість хімічних реакцій дають змогу керу­ вати їх перебігом, прискорюючи або в разі потреби с п о в і л ь ­ нюючи їх. 105

4 С І

С Т О Р І Н К А ЕРУДИТА

У 1867 р. норвезькі вчені К. Гульдберг і П. Вааге вивели математич­ ну залежність між швидкістю хімічної реакції та концентрацією речо­ вин. Розкриємо її на прикладі реакції, що відбувається в одну стадію і виражається таким загальним рівнянням: т А + лВ = рС + чО, в якому т, п, р, д — коефіцієнти; А, В, С, О — формули речовин. Швидкість цієї реакції визначають за формулою:

і’ = *[СДГ •[СВГ. де V — швидкість реакції; СА, Св — молярні концентрації реагентів: К — константа, яка дорівнює швидкості цієї реакції при концентрації реа­ гентів 1 моль/л і є довідниковою величиною. Формула підтверджує, що: ш видкість хім ічної р е а к ц ії прямо пропорційна д об утку ко н ­ ц ентрацій р еаген тів , піднесених до с теп е н я , щ о дорівню є коеф іц ієн там . Ця закономірність увійшла в науку як закон діючих мас. Скористаємося цим законом для розв'язування задачі. Задача. Як зміниться швидкість гомогенної реакції нітроген(ІІ) ок­ сиду з киснем, якщо продуктом цієї реакції є нітроген(І\/) оксид? Розв'язання Запишемо хімічне рівняння реакції: 2КІО + 0 2 = 2МОг Запишемо формулу для обчислення швидкості цієї реакції: и = К [ С „ 0] * - [ С 01

Якщо концентрація реагентів збільшиться в 2 рази, то формула м а­ тиме вигляд: = К [ 2 - С мо]2- [2 • С0?], звідси 22 • 2 = 8 . В і д п о в і д ь : швидкість реакції збільшиться у 8 раз. У 1884 р. голландський хімік Я. X. Вант-Гофф вивів залежність швид­ кості реакції від температури, що дістала назву правило Вант-Гоффа: П ри п ід в и щ е н н і т е м п е р а ту р и на кож ні 10 °С ш вид кість р е а к ц ії збільш ується в серед нь ом у в 2 —4 рази . Вант-Гофф був першим ученим, який одержав Нобелівську премію в галузі хімії. Математично правило Вант-Гоффа передає формула: іг-'г

"г, = 106

10

.

де і>(| і — ш видкості хімічної реакції за температури І, і 12. у — те м ­ пературний коефіцієнт, який показує, у скільки разів збільшується ш видкість хімічної реакції з підвищенням температури на 10 СС. Для прикладу обчислимо, у скільки разів збільшиться швидкість хімічної реакції, якщ о речовини, що мали температуру 25 °С, нагріти до 55 °С, а температурний коеф іцієнт цієї реакції дорівню є 2. Обчислення проводимо за формулою: <7

'■

55 -2 5

= °і, У 10 : % = *'„■ 2 «о ;

!>„=«;,■ 23; 2 3= 8 .

В і д п о в і д ь : ш видкість реакції збільшиться у 8 раз. Якщо ж у цій самій реакції провести нагрівання д о 75 °С, то ш видкість реакції збільшиться у 32 рази.

ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Що в хімії розуміють під швидкістю хімічної реакції? 2. Які чинники впливають на швидкість хімічної реакції? 3. Наведіть конкретні приклади впливу різних ч и н н и к і в на швидкість хімічної реакції. 4. З точки зору хімічної кінетики поясніть, чому продукти харчу­ вання зберігають у холодильниках. *. V скільки разів збільшиться швидкість деякої реакції, темпе­ ратурний коефіцієнт якої 4, якщо температуру збільшити на 40 °С? 5

107

З А В Д А Н Н Я Д Л Я П ІДГОТОВКИ ДО К О Н Т Р О Л Ю З Н А Н Ь З ТЕ.МІІ 2 (для виконання у робочих зошитах) 1. У к а ж і т ь , до я к о г о ти п у ре ак ці й н а л е ж и т ь реакція магній о кс и ду з сульфатною кислотою. A. Сполучення. Б. Обміну. B. Розкладу. Г. Заміщення. 2. У к а ж і т ь , до я к о г о т и п у р е ак ц ій н а л е ж и т ь реакція м а гн і ю з сульфатною кислотою.

A. Сполучення. Б. Обміну. B. Розкладу. Г. Заміщення. 3. В с т а н о в і т ь в і д п о в і д н і с т ь м і ж ти па ми х і м і ч н и х реакцій і схемами х і м і ч н и х рівнянь.

Типи реакцій 1. Сполучення. 2. Розкладу. 3. Заміщення. 4. Обміну.

Схеми рівнянь А. СаС0 —>СаО + С 0 Б. ВаО + 8 0 2 —» Ва80 В. МаОН + Н РО., - » ^ ;іРО, + Н20 Г. Ге + НС1 —» РеС1 + Н 3

2

3

3

2

2

4. В с т а н о в і т ь в і д п о в і д н і с т ь м і ж екз оте рмі чн ими й е нд о­ термічними реакціями та к о нкр етн ими прикладами рі в ня нь реакцій. Типи реакцій 1. Екзотермічні

Термохімічні рівняння А. С * 0 = С02; АН Б. С - Н20 = СО - Н2; АН 2. Ендотермічні В. СН, - 20 = С0 і- 2Н 0; АН Г. 2С - 8 Ю 2 * 2Н = іН , - 2СО; АН 2

2

2

2

2

8

- -393 кДж = ^131.4 кДж

= -802.6 кДж = ^20.4 кДж

5. У к а ж і т ь , у якому ви п а д к у взає модія ц и н ку з х л о ри д но ю кислотою відбуватиметься найактивніш е, якщо в усіх р е а к ц і я х ви ко ри сто ву єт ьс я хлоридна кисл ота з одн ак ово ю масовою ч ас тк ою х ло роводню. A. Реакцію проводять з цинковою пластинкою. Б. Реакцію проводять з цинковими гранулами. B. Реакцію проводять з цинковим порошком. Г. Реакцію проводять з цинковим пилом. 6 . У р еакції 4Мд + 10НЖХ, = 4 М д (Ж ) п озн ач те в і д но вп и к.

108

;, ) 2

+ N

2 0

+ 5Н 20

A . Нітроген. Б. Гідроген. B. Магній. Г. Оксиген. 7. У р е а к ц і ї ЗСи + 8ЬШО;, = З С и ( і т }) 2 + 2NО + 4 Н 20 позначте окисник.

A. Б. B. Г. 8.

Нітроген. Гідроген. Купрум. Оксиген.

За н ав ед ен и ми с х е ма м и . і а п и ш і т ь х і м і ч н і р і в н я н н я та в к а ж і т ь серед н и х р і в н я н н я о к и с н о в і д н о в н и х р е ак ц ій .

А . Мд + НС1 -> Б. 2пО + НІМ03 -> в.

Е 11С О 3 — и

Г.

н2о

9. С к л а д і т ь е л е к т р о н и и й б а л а н с о к и с н о - в і д н о в н о ї р е а к ц і ї 2 п + 8 —>2п8. У в і д п о в і д і з а з н а ч т е суму в і д д а н и х і п р и є д н а н и х е ле к тр о ні в.

А . 3. Б. 2. В. 1. Г. 1. 10. З в а ж а ю ч и на з а з н а ч е н і с т у п е н і о к и с н е н н я . у к а ж і т ь , у я к о м у з в и п а д к і в Н і т р о г е н не м о ж е д и лі в і д н о в л ю в а т и с я . -5 -З А . N. Б. N. В. N. Г. N. 11. З в а ж а ю ч и на з а з н а ч е н і с т у п е н і о к и с н е н н я . у к а ж і т ь , у 0

- 2

я к о м у з в и п а д к і в Сульфур не м о ж е п і д д а в а т и с ь п од ал ьшом у окисненню.

-І А . 3. Б. 3. В. 3. Г. 3. 12. В иб ер іть т в е р д ж е н н я , що п р ав ил ьн о х а р а к т е р и з у ю т ь 0

- 6

в п л и в п і д в и щ е н н я те мп ера тур и терміч них реакцій.

- 2

на перебіг екзо-

A . З б іл ь ш е н н я тем п ератури прискорю є реакції. Б. З б іл ь ш е н н я тем п ератури сп о в іл ь н ю є реакції. B. З б іл ь ш е н н я тем п ератури прискорю є реакцп. Г. З б іл ь ш е н н я тем п ератури с п о в іл ь н ю є реакції.

та ендо-

е к зо т е р м іч н і ек зо т е р м іч н і ен д отер м іч н і €41 Д О Т е р М І Ч Н І

109

13. Н а п и ш і т ь т е р м о х і м і ч н е р і в н я н н я г о р і н н я во д ню, я к щ о ві домо, що п і д час з г о р я н н я в о д н ю м а с о ю 2 г в и д і л я є т ь с я 285.9 к Д ж т е пл от и. 14. Н а п и ш і т ь т е р м о х і м і ч н е р і в н я н н я у т в о р е н н я н ітрог е н ( І І ) о к си ду , я к щ о п і д час о к и с н е н н я а з о т у м ас о ю 7 г п о г л и ­ н а єтьс я 45.2 к Д �� те п л о т и . 15. У к а ж і т ь , я к а з д в о х р е ак ц ій о бм ін у ві дб у де ть с я в р о з ­ ч ині п р а к т и ч н о д о кінця. А . К алій карбонат + магній нітрат. Б. Калій карбонат + натрій нітрат. 16. Д о я к и х в і д о м и х вам т и п і в х і м і ч н и х р е ак ц ій н а л е ж и т ь р еакц ія д о б у в а н н я а м он і а ку , що с у п р о в о д ж у є т ь с я в и д і л е н н я м т е п л о т и і о п и с у є т ь с я наве де ни м р і в н я н н я м ? К лтп лілй тор

N 5, + З Н 2

<=>

2ІЧН 3

1 7. У к а ж і т ь , за я к и м и о з н а к а м и у к л а д е н о цей пере лі к с хем р і в н я н ь р е ак ц і й .

нео -+не + о2 о2

КСЮ 3 -> К С 1 +

МаІЧ03 -» Ш М 0 2 + 0 2 18.

Н а в е д і т ь по два п р и к л а д и о к и с н о - в і д н о в н и х р еак ці й, що в і д б у в а ю т ь с я у природі, п р о м и с л о в о с т і та побуті.

Вивчивши цю тему. »и дізнаєтеся • п р и ч и н у різн о м а н ітн о сті о рганічних с п о л у к , незваж аю чи на н е в е ли к у кількість е ле м е н тів -о р га н о ге н ів ; • класиф ікацію органічних ре чо вин; • о с о б ли в о с ті б удо в и та якісний с к л а д ;

о р га н іч н и х

сполук,

їх

к іль к існ и й

• гр у п и атом ів, що зум о в лю ю ть схожі в л а с ти в о с ті органічних с п о л у к о д н о го к ла су; • основні фізичні й хімічні в л а с т и в о с ті органічних с п о л у к ; • загальні с п о с о б и д о б у в а н н я органічних с п о л у к , їх з а с т о с у ­ вання та п о ш и р е н н я в п р и р о д і; • б іо ло гіч н у р о л ь органічних ре човин; • п р и р о д н і й си н те ти ч н і органічні с п о лу к и ; • значення п р о дук ц ії органічно ї хімії у п р о м и с ло в о с ті, п о б уті, охороні з д о р о в ’я то щ о .

Знання цієї теми збагатять вас такими вміннями: • с к л а д а ти м о ле к уля р н і, с тр ук тур н і та е ле к тр о н н і ф о р м у ли найваж ливіш их органічних с п о лу к ; • п и с а ти рів н я н н я хімічних реакцій за уч а стю органічних речовин; • х а р а к те р и зув а ти с к л а д , стр ук тур у , ф ізичні та хімічні в л а с т и ­ во сті н айваж ливіш их органічних сп о лук , • п орівню вати органічні р е чо вини між со б о ю та з н е о р га ­ нічними ре чо винам и, • р о з р ізн я ти органічні ре чо в ин и за їх х а р ак тер ним и о зна к а­ ми та в л а с ти в о с тя м и : • р о з в ’язувати розрахункові задачі різних типів, ум ови яких м істять в ідом ості п р о органічні речо в ини; • в с та н о в лю в а ти п р и ч и н н о -н а с л ід к о в і зв 'язк и між ск ла до м , б уд о в о ю , в л а с ти в о с тя м и і за сто су в а н н я м найваж ливіш их органічних с п о лу к ; • с к л а д а ти п ла н хімічного е к с п е р и м е н ту з о рганічним и с п о ­ лук ам и та с а м о стій н о п р о в о д и ти й о го

§ 19 Спільні й відмінні ознаки органічних і неорганічних сполук. Будова атома Карбону та утворення ним хімічних з в ’язків Про поділ речовин на н ео рг ан іч ні та о р га н іч н і ви довідалися ще у 5 класі на уроках природознавства. А Р о з г л я н ь т е м а л юн о к 35 ти нааедіть прик ла ди і н ш и х в і д о ­ м и х вам о р г а н і ч н и х сполук.

М а л . 35. О рганічні с п о л у к и та вироби з них

У 8 класі ви з ’ ясували, що такі сполуки Карбону, як карбон(ІІ) оксид, карбон(ІУ) оксид, карбонатна кислота та ї ї солі належать до неорганічних сполук. Порівняно з неорганічними органічних сполук значно більше, відкриття органічних сполук триває. Тож нині — це величезна група сполук (понад 1 0 мли) з різним складом і властивостями, проте кожна сполука обов’ язково містить атоми Карбону. Саме тому розділ хімії, що вивчає органічні речовини, називають не лиш е о р га н і ч н о ю х і м і єю , а й х і м і є ю с п олук Карбоні/. Майже всі органічні речовини містять крім атомів Карбону також атоми Гідрогену. Доволі часто до складу органічних Х12

речовин входять атоми Оксигену й Нітрогену. Трапляються також органічні речовини з атомами Сульфуру, Фосфору, гало­ генів та деяких інших хімічних елементів у молекулах. Н еметалічні елементи Карбон, Гідроген, Оксиген, Н ітро­ ген дістали назву елементів-органогенів. Спільні ознаки органічних і неорганічних сполук. Органіч­ ні сполуки, як і неорганічні, за нормальних умов можуть пере­ бувати в різних агрегатних станах. Наприклад, метан СН , — газ, оцтова кислота С Н 3СООН — рідина, глюкоза С 6 Н , 2 Об — тверда речовина. Органічні речовини вступають у різні типи відомих вам з неорганічної хім ії хімічних реакцій з органічними та неор­ ганічними речовинами: сполучення, заміщення, розкладу, обміну. Серед цих реакцій можуть бути оборотні й необоротні, екзотермічні й ендотермічні, окисно-відновні, каталітичні. Перебіг хімічних реакцій органічних речовин також ґрун­ тується на законі збереження маси речовин, а нові речовини утворюються з атомів тих елементів, які входили до складу вихідних речовин. Органічні та неорганічні речовини — постійні учасники процесу обміну речовин у живій природі. Пригадайте, що зав­ дяки фотосинтезу з неорганічних речовин води і вуглекислого газу утворюється органічна речовина глюкоза та неорганіч­ на — кисень. А органічні речовини, що входять до складу продуктів харчування, в організмі людини та тварин перетво­ рюються на неорганічні речовини. Ф ізичні властивості неорганічних та органічних речовин характеризуються тими самими ознаками — густиною, к о л ь о ­ ром, розчинністю, температурами плавлення і кипіння, агре­ гатним станом тощо. А л е між неорганічними та органічними речовинами є й чимало відмінностей. Відмінні ознаки органічних і неорганічних сполук. П е р ш а в і д м і н н і с т ь відображена у самому визначенні органічних речовин — всі вони містять атоми Карбону, тоді як серед неор­ ганічних речовин цього не спостерігається. Д р у г а в і д м і н н і с т ь полягає в тому, що до складу різних неорганічних речовин входять майже всі відомі хімічні е л е ­ менти, а до складу м олекул органічних — невелика кількість хімічних елементів-органогенів та деякі інші. Т р е т я в і д м і н н і с т ь пов’ язана з хім іч н и м и з в ’ язками. Основним типом хімічного зв’ язку в молекулах органічних речовин є ковалентний зв’ язок. Йонних сполук серед неор­ ганічних речовин більше, ніж серед органічних. -Ц і

Ч е т в е р т о ю в і д м і н н і с т ю є те, що серед органічних речовин відсутні речовини атомної будови, а також прості речовини. П ’я т а та шоста в і д м і н н о с т і — це погана розчинність ба­ гатьох органічних сполук у воді й добра в органічних розчин­ никах (ацетоні, бензині тощо). Тому більшості з них не власти­ ва електролітична дисоціація. Сьомою в і д м і н н і с т ю є те, що органічні речовнни, за деяким винятком, горять на повітрі з виділенням теплоти, а серед продуктів реакції є вуглекислий газ і вода. Восьма в і д м і н н і с т ь — органічні речовини мають нижчі температури плавлення і кипіння, ніж більш ість неорганічних речовин. Д е в ' я т а та д е с я т а в і д м і н н о с т і пояснюють, чому о р ­ ганічних речовин у десятки разів більш е, ніж неорганічних. Річ у тім, що в неорганічній х ім ії одна молекулярна формула відповідає ли ш е одній речовині, тоді як в органічній х ім ії о д ­ н а к о в у м ол ек у л я р н у формулу мож уть мати різні речовини. Та, незважаючи на це, будо ва іі в л а с т и в о с т і т а к и х р еч ов ин р і з н і . Наявність речовин з однаковим кількісним та якісним складом, але різною будовою м олек ул називають і з о м ер і єю . Так, м о лек у ля р н у ф ормулу С 2 Н 0О мають дві речовини — ета­ нол, або медичний спирт — легка рухлива рідина, що кипить за температури +78,3 °С і диметиловий етер — газувата речо­ вина з температурою кипіння -2 3 °С. Етанол і диметиловий етер — ізомери.

Ізомери — це речовини з однаковим якісним та кількісним складом молекул, але різною будовою і властивостями. Існує 75 ізомерів з молекулярною формулою С10н22 ! Десята відмінність органічних речовин від неорганічних розкриває суть дев’ ятої. Я к щ о у неорганічних речовин лиш е зрідка два атоми одного хімічного елемента сполучаються між собою хімічним зв’ язком, наприклад атоми Оксигену в гідроген пероксиді Н — О — О — Н, то сполучення між собою двох і б іл ь ­ ше атомів Карбону — характерна ознака органічних речовин. Сполучаючись один з одним, атоми Карбону утворюють карбон-карбонові ланцю ги прямо ї, р о з г а л у ж е н о ї та ц и к л і ч н о ї (замкненої) будови:

н 1 1

С 1 1

н

н 1 1

Н і 1

1 1

1 1

1 1

— с— с -- с — н 1 1

н

н

н-Бутан — ш .

н

н

н

Н

Метилпропан

Н

Циклобутан

У наведених структурних формулах речовин між двома сусідніми атомами Карбону утворюється ли ш е по одному хімічному зв’ язку. Зверніть увагу: при цьому кожний атом Карбону чотиривалентний. У ряді електронегативності е л е ­ менти Карбон і Гідроген — сусіди. Тож різниця в електронега­ тивності між ними мінімальна и утворені ковалентні зв’ язки слабко полярні. О д и н а д ц я т а в і д м і н н і с т ь полягає втому, що органічні речо­ вини — це основні складові живої природи, тоді як неорганічні речовини становлять основу неживої природи. Будова атома Карбону в основному і збудженому станах. Як ви вже знаєте, у м о л е к у л а х між атомами нем еталічних елементів утворюються ковалентні зв’ язки. Один ковалентний зв’ язок утворюється двома неспареними електронами — по одному від кожного атома. Пригадаємо електронну і графічну електронну формули атома Карбону та з ’ ясуємо його валентні можливості:

6с 1з22522р2

Ш 15

І Ї ПП 25

1:

|

Наведені електронна та графічна електронна ф ормули атома Карбону суперечать щойно розглянутим структурним формулам н-бутану, метплпропану та циклобутану. А дж е не може бути, щоб атом Карбону, маючи 2 неспарених електрони, міг утворювати 4 ковалентних зв’ язки. Цю суперечність у сучасній теорії х ім іч н о ї будови органічних речовин було розв’ язано введенням понять про основний та збуджений стани атома. Розглянута електронна формула атома Карбону характеризує перебування його в основному (незбудженому) стані. З графічної електронної формули атома Карбону видно, що на 2р-підрівні другого енергетичного рівня є вільна енергетична комірка. Тому один 2 я-електрон цього ж рівня має потенційну можливість зайняти її, тобто перейти в межах одного рівня з підрівня в на підрівень р, а атом Карбону — набути збудженого стану.

0(152

25*

2р2)

ез іїлі нн

і

-----------► С'(1з2

Незбуджений стан атома Карбону

25'

2рЗ)

ті ті нтп Збуджений стан атома Карбону

У збудженому стані кожен атом Карбону набуває здатності до утворення чотирьох ковалентних зв’ язків як з атомами інших елементів, так і з атомами Карбону. Цим пояснюється те, що в усіх органічних с п о лу к а х валентність Карбону дорівнює 4. ___П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И .

• До складу органічних сполук обов’ язково входять атоми Карбону. Лиш е невелика група сполук Карбону (оксиди, карбонатна кислота, карбонати та гідрогенкарбонати) нале­ жать до неорганічних сполук, оскільки мають з ними спільні властивості. • Крім атомів Карбону, до складу органічних речовин най­ частіше входять атоми Гідрогену, Оксигену, Нітрогену. Всі вони дістали назву елементів-органогенів. • У м олекулах органічних речовин атоми Карбону можуть ба­ гаторазово сполучатись не лиш е з атомами інших елем ен­ тів, а іі між собою. Карбон в усіх без винятку органічних речовинах ч отири па лен тн ий . • Органічні сполуки мають молекулярну будову із чітко вира­ женим ковалентним хімічним зв’ язком. Серед органічних сполук прості речовини відсутні. • Різноманітність органічних сполук пояснюється здатністю атомів Карбону сполучатися між собою, утворюючи прямі, р о з г а л у ж е н і та з а м к н е н і ( ц и к л і ч н і ) ланцюги, а також існу­ ванням ізомері в — речовин з однаковою молекулярною фор­ мулою, але різною послідовністю сполучення атомів у м оле­ к улі іі відповідно різною будовою молекул. СТОРІНКА ЕРУДИТА З давніх часів людина була обізнана з деякими органічними сп о лу­ ками, способами їх добування та використання. Це стосується жирів, оцтової кислоти, спирту, органічних барвників, ефірних олій тощо. Проте лише у XVIII ст. вчені, лікарі, аптекарі почали проводити експе­ рименти за участю органічних речовин. Однак у лабораторних умовах довго не вдавалося добути органічні речовини, що входять до складу живих організмів. Тоді з'явилася хибна думка, що органічні речовини можуть утворюватися лише в організмі рослин, тварин, людини. Нині 1Д6

всім вам добре відомо, що головною ознакою органічних речовин є склад і будова їх молекул, а не походження, і що потужні хімічні заво­ ди сьогодні продукують сотні тисяч тонн органічних сполук. Із накопиченням знань виникає потреба у їх поясненні, класи­ фікації. науковому обґрунтуванні у вигляді законів та теорій. Теорією, що узагальнює, пояснює, описує та прогнозує властивості органічних речовин стала теорія хімічної б удо ви , сф орм ульована у 1861 р. російським ученим Олександром Михайловичем Бутлеровим.

Олександр Михайлович Бутлеров (1828— 1886) Російський хімік, академік Петербурзької академії наук. Творець теорії хімічної будо­ ви органічних речовин. Передбачив і пояс­ нив ізомерію багатьох органічних речовин. Уперше добув штучним способом цукристу речовину (1861 р.). З’ ясував структуру багатьох етиленових вуглеводнів. Почесний член багатьох наукових това­ риств у різних країнах. ▲

Д. І . ХІенделсєва науки.

Пригадайте дат д и ч н о г о з а к о н у та в и с л о в і т ь с у ­ д ження щодо зн аче нн я в і д к р и т т і в й О. М . Б у т л ер о в а д л я р о з в и т к у х і м і ч н о ї

П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я

1. Дайте визначення органічних сполук. 2. Що спільного між органічними й неорганічними речовинами? 3. Які є відмінності між органічними і неорганічними речовинами? 4. Поясніть, чому Карбон в усіх органічних сполуках чотирива­ лентний. 5*. Зробіть висновок про причини різноманітності органічних сполук.

§ 20 Утворення ковалентних зв ’ язків в органічних сполуках. Структурні ф о р м у л и М іж двома атомами Карбону в органічних сполуках може виникати від одного до трьох ковалентних зв’ язків.

Ковалентний хімічний зв’язок за допомогою однієї елект­ ронної пари називається одинарним, двох — подвійним, трьох — потрійним. Прикладами органічних сполук із зазначеними ковалентни­ ми зв’ язками атомів Карбону є етан С 2 Н6, етен С 2 Н.,, етин С 2 Н 2:

н

н

н— с — с — н н

н

н

н— с = с — н

н— с = с — н

Етен

Етин

н

Етан

Е к сперим ентальним ш л я х о м виявлено, що ковалентні хімічні зв’ язки між атомами Карбону в органічних сполуках нерівноцінні. Одні з них міцніші, інші — слабкіш і. Про при­ чину відмінності ви довідаєтесь у старших класах, а зараз ознайомтеся із загальними положеннями, що стосуються к о в а ­ л е н т н и х з в ’язкіеі а т о м і в Ка рб он у між собою та атомами Гідро­ гену в органічних сполуках: • о д и н а р н и й з в ’я з о к утворюється між атомами Карбону за допомогою однієї електронної пари; • п о д в і й н и й з в ' я з о к утворюється між атомами Карбону за допомогою двох сп ільних електронних пар. Із двох утво­ рених зв’ язків один міцніший, ніж другий; • п о т р і й н и й з в ' я з о к утворюється між атомами Карбону за допомогою трьох електронних пар. У його складі один зв’ язок міцніший за два інші; • ковалентні зв’ язки між атомами Гідрогену та Карбону — одинарні, тобто утворені однією с п ільн о ю парою електронів. А С к о р и с т а й т е с я і нфо р ма ці єю про к о в а л е н т н і з в ’я з к и у м о ­ л е к у л а х о р г а н і ч н и х с п о л у к та з ' я с у й т е , с к і л ь к и і я к и х з в ’я з к і в у м о л е к у л а х е т ан у, етену, е т ин у.

Під час хім ічних реакцій подвійний та потрійний кова­ лентні зв’ язки легко руйнуються. Щ об зруйнувати одинарний зв’ язок, потрібно значно більш е енергії: наприклад, спалити речовину, нагріти її до високої температури тощо. Структурні формули органічних речовин. Я к зазначалося у попередньому параграфі, одній м олекулярній формулі можуть відповідати різкі органічні сполуки. Т о м у в органічній хім ії недостатньо записів ли ш е м олекулярних формул, а потрібні ще й структурні формули. Вони дають зм огу з ’ ясувати порядок сполучення атомів та розрізнити речовини з однаковою м оле­ кулярною формулою. ♦

П р и га д а й т е , щ о структурними формулами називаю ться ф о р м у ­ л и , я к і в ід обр аж а ю ть с к л а д м о л е к у л і п о р яд ок с п о л у ч е н н я а томів. Х ім іч н и й з в ’ я з ок атом ів у н и х по зн ач а ю ть р и ск ам и.

Розрізняють повні структурні ф ормули та напівструктурні (скорочені) ф ормули органічних сполук. У повних структур.ц е .

них формулах відображено всі хімічні зв’ язки атомів Карбону з іншими атомами та між собою. Такі формули було вже роз­ глянуто у цьому параграфі для етану, етену й етину. Проте й повні структурні формули не дають вичерпної інформації про будову речовини, оскільки вони є площ инни­ ми схемами, що не відображають просторового розміщення атомів та хімічних зв ’ язків між ними. Переконаємося в цьому на такому прикладі. Яким би чином ми не розмістили (з до­ триманням валентності!) атоми у структурній формулі хлороетану С 2 Н 5 С1: 1)

Н

Н

2

)

І І н — с — с — СІ І І н н 4

)

Н

Н

І

І

5

)

СІ— с — с — н І н

І н

н СІ І І н—с—с—н І І н н СІ

н І н— с І н

3)

(>)

Н

I I н— с — с — I I н н

Н

Н—

н І с— н І СІ

Н н I I С — С — н, I I сі н

це буде одна й та сама структурна формула, бо в кожному з шести випадків послідовність сполучення атомів одна й та са­ ма і зберігається їх валентність. На відміну від повних структурних формул, у напівструктурн их формулах позначають лише зв’ язки між атомами Карбону: Н3С — СН^СІ;

СН 3 — СН 2 — С Н 2 — С Н 3

Погодьтеся, що такі формули значно коротші, ніж повні структурні, та водночас у них чіткіше простежуються зв’ язки між атомами Карбону. Ви також обізнані з е ле к тр о нн им и формулами речовин. В органічній хім ії їх використовують доволі часто, зокрема для того, щоб показати зміщення спільних електронних, пар. підкреслити полярність зв’ язку. Наприклад, у хлороетані зв’ язки між атомами Карбону і Гідрогену слабко полярні й зміщення неістотне, а спільна електронна пара атомів Х лору і Карбону зміщена до більш електронегативного Х лору: Н

Н

Н : С : С Н

: СІ :

Н

-Ш__

Щ об підкреслити це, риску замінюють стрілкою, спрямова­ ною у бік більш електронегативного атома Хлору: Н

Н

н

н

Моделі молекул, значення моделювання в хімії. З моделя­ ми атомів ви знайомі, тому нескладно буде сприймати моделі м олекул органічних сполук як умовне зображення реально існуючих о б ’єктів мікросвіту, які завдяки моделюванню ста­ ють доступними для розуміння. Модель здатна замінити в уяві людини предмет дослідження (в нашому випадку молекули ре­ човин). Завдяки моделям істотно збагачується інформація про об’єкт дослідження. Моделі легше сприймаються, ніж с л о ­ весні характеристики та надають доступну для усвідомлення унаочнену інформацію про об’ єкт моделювання. Моделі м олекул легк о і зручно виготовляти, маючи спеці­ альний набір (мал. 36) різнокольорових пластмасових кульок, що символізують атоми, і пластмасових стрижнів, за допомо­ гою яких кульки з ’ єднують, показуючи тим самим хімічні зв'язки (для зручності з ’ єднання в кульках є отвори). Скориставшись таким набором, виготовимо кулеспірижневу модель молекули метану (мал. 37):

М а л . 36. Н абір д ля моделю вання м олекул

М а л . 37. К у л ес тр и ж н е в а м о д е л ь м о л е к у л и м етану

Кулька чорного кольору відповідає атому Карбону, а наявні в ній чотири отвори дають змогу приєднати чотирма пластма­ совими паличками чотири білі кульки (вони мають один отвір і моделюють атоми Гідрогену). Виготовлена модель передає не лиш е порядок сполучення атомів, а й просторове розміщення

Мал. 38. Масштабні моделі молекул: а — метану; б — етану атомів у м олекулі метану у вигляді п р ави льн ог о тетраедра і цим відрізняється від структурної формули, в якій усі атоми розміщені в одній площині. Крім кулестрижневих моделей, виготовляють масштабні моделі м олекул (мал. 38). Вони не ли ш е відображають порядок сполучення атомів, а й завдяки дотриманню масштабу переда­ ють розміри атомів. Наприклад, з масштабних моделей метану й етану видно, що діаметр атома Карбону більш ий за діаметр атома Гідрогену в 1,5 раза. _______ ПІ ДІ Б' ЄМО ПІДСУМКИ

Ґ

• У молекулах органічних сполук ковалентний зв’ язок двох

атомів Карбону може утворюватися за допомогою однієї, двох, трьох електронних пар. Тому розрізняють о д и н а р н і , п о д в і й н і та п о т р і й н і ковалентні зв’ язки. • Одинарні зв’ язки атомів Карбону між собою та з атомами інш их елементів-органогенів, міцніші, ніж подвійні чи потрійні. • Структурні формули — це хімічні формули, що відобража­ ють хімічний склад речовини і порядок сполучення атомів у молекулі. • Моделі м олекул — це умовне відображення хімічного с к л а ­ ду м олекули, послідовності та просторового розміщення атомів у ній. СТОРІНКА ЕРУДИТА У тексті параграфа зазначено, що ковалентні зв'язки, які утворю­ ються атомами неметалічних елементів у молекулах відрізняються за міцністю. Різна міцність зв’язків — це наслідок , а що є П причиною? Електронна теорія будови речовин дає цьому таке пояснення. П оперше. перед утворенням хімічних зв'язків відбувається гіб р и ди за ц ія

(змішування, перерозподіл електронної густини) валентних орбіталей атома. Щ одо атома Карбону, то гібридизації зазнають 5 -орбіталь одного в-електрона та одна, дв і чи три орбіталі р-електронів збудже­ ного атома Карбону. Якщо гібридизуються одна з- і три р-о рб іта лі (мал. 39). то утворю ­ ються чотири гібридизовані о рб іта лі (схематичне позначення у вигляді неправильної гантелі). Всі гібридизовані орбіталі беруть участь в утворенні одинарних зв'язків. Якщо гібридизуються одна з - і дві р -орбіта лі (мал. 40), то утворю­ ються три гібридизовані орбіталі, а одна р-електронна орбіталь зали­ шається негібридизованою. Три гібридизовані орбіталі такого атома беруть участь в утворенні трьох одинарних зв'язків, а одна негібридизована орбіталь утворює подвійний зв'язок із сусіднім атомом Карбону, що перебуває у такому ж стані гібридизації. Якщо ж гібридизуються одна з- й одна р -орбіта ль (мал. 41), то утворюються дві гібридизовані орбіталі. а дві р-електронні орбіталі залишаються негібридизованими. Відповідно до цього атом Карбону утворить у молекулі два одинарних зв'язки, один з яких увійде до

сх> 0

<

5

“ ■ сх> Р

Р

Р

5 Гібридизовані орбіталі

М п л. 39. С хем а гібр и д и за ц ії ва лен тн и х е л е к т р о н ів атома К а р б он у з у твор енн ям чоти рьох гібри д и зов а н и х е л е к т р о н н и х хм ар

О

Оо Оо Оо Гібридизовані орбіталі

М а л . -40. Схема гібр и д и за ц ії ва лен тн и х е л е к т р о н ів атома К а рб ону з утвор енн ям трьох гібри д и зова н и х е л е к т р о н н и х хм ар

ДЯ2

р

р

Гібридизовані орбіталі

з

р

Р

М а л . -11. С хем а г іб р и д и з а ц ії в а ле н тн и х е л е к т р о н ів атома Карбону з утвор енн ям двох гібр и д и зов а н и х е л е к т р о н н и х хм ар

М а л . 42. Схема утвор енн я по двій н о го з в ’ я з к у в м о л е к у л і етену

складу потрійного зв’язку разом із двома зв'язками, що утворилися негібридизованими р-орбіталям и. Якщо умовно сполучити прямою лінією ядра двох атомів Карбону в наведеній на малюнку 42 схемі, то область перекривання негібридизованих орбіталей не збігатиметься з напрямом цієї прямої. Це є причиною різної міцності зв'язків. П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я 1. Я к у к і л ь к і с т ь к о в а л е н т н и х з в ’ я з к ів у творю є атом К а р б о н у в м о ­ л е к у л і о р га н іч н о ї с п о л у к и ? Ч и відповідає вона к іл ь к о с т і несп арен их е л е к т р о н ів атома цього е л е м ен та в о с н ов н ом у стані? 2. На к о н к р е т н о м у п р и к л а д і п о я сн іть, щ о о зн а ча ю ть м о л е к у л я р ­ на, с т р у к т у р н а та ел е к т р о н н а ф о р м у л и с п о л у к и . 3. Ч о м у д л я вивчення о р га н іч н и х с п о л у к в а ж ли в о знати їх с т р у к ­ турну ф ормулу? 4. Серед наведених с т р у к т у р н и х ф о р м у л с п о л у к з азн а чте т і, щ о відповідаю ть одній м о л е к у л я р н ій ф о р м у л і: 1

) СН3 — СН2 — СН3

4) С Н 3 — С Н 2 — С Н 2 — С Н 3

2

) С Н 3 — СН =

5

3) Н 2С — С Н 2

СН2

) СН3 — СН— СН3 СН,

Н2С — с н 2 5 * . Ф о р м у л и с к і л ь к о х різн и х о р г а н іч н и х с п о л у к написані у завлан її і І?

123

§ 21

М е та н , його б удо в а і в л а с ти в о с ті. Гом ологи м етану

Здатність атомів Карбону сполучатись один з одним у карбон-карбонові ланцюги різної довжини, а на валентності, що залиш ились, приєднувати атоми Гідрогену, зумовила наяв­ ність великої групи органічних сполук із загальною назвою вуглеводні. Назва походить від раніше вживаних в українсь­ кій мові назв хімічних елементів: С — вуглець. Н — водень, з атомів яких складаються молекули речовин цієї групи. М е т а н С Н , є першим і найпростішим представником вуг­ леводнів, вам він відомий як летка воднева сполука Карбону. М олекулярн а, електронна і структурна формули метану. Якісний склад метану характеризується наявністю у м олекулі атомів Карбону та Гідрогену. Кількісний склад свідчить, що молекула метану складається з 1 атома Карбону, сполученого з 4 атомами Гідрогену. М олек уля р н у, структурну й електронну формули метану наведено в таблиці: М етан М олекулярна ф ормула

сн,

С труктур на ф ормула

Електронна ф ормула

Н

Н

1 н — с — н н

Н

: С

: Н

Н

Зі структурної формули вндно, що між атомом Карбону та атомами Гідрогену існують одинарні зв’ язки. Моделі цієї речовнни розглядалися у попередньому па­ раграфі, зверніться до малюнків 37 та 38, а, які відображають тетраедричне розташування атомів у м олек улі метану. Ф ізи ч н і властивості й поширення метану. За фізичними властивостями — це газувата речовина без кольору і запаху, майже вдвічі легш а за повітря, погано розчинна у воді. Метан утворює в окремих місцях планети підземні родовища при­ родного газу і є його основною складовою частиною. Наша держава багата на природний газ. Його родовища розвідані в Івано-Франківській області, на Х ар к ів щ и н і, П олтавщ ині, Сумщині. Метан утворюється під час гниття органічних решток на дні водойм без доступу повітря. Л оскільки це погано розчинний і 124

легший за повітря газ, то можна побачити, як його бульбашки, піднімаючись і» дна водойми, наприклад болота, виділяються на поверхню води. Метан скупчується також у місцях залягання вугілля. Під час проходки вугільних пластів він може потрапляти у шахтні тунелі й створювати вибухонебезпечну ситуацію. Цей вуглево­ день у незначних кількостях наявний серед продуктів обміну речовин в організмі людини, тварин, насамперед жуйних. Гомологи метану- Метан є першим представником насиче­ них вуглеводнів. Слово насиче ні з ’ явилося в назві тому, що у молекулах цих вуглеводнів атоми Карбону сполучаються між собою за рахунок одинарного зв’ язку, а решта одиниць валент­ ності зайняті атомами Гідрогену, і додаткового приєднання атомів інших хімічних елементів бути не може. А лкани — міжнародна назва насичених вуглеводнів. Наступним представником насичених вуглеводнів є етан. Його молекула містить два атоми Карбону і шість атомів Гідро­ гену, тобто молекулярна формула цієї сполуки С 2 Н б. Третім представником насичених вуглеводнів є речовина з м олек уляр ­ ною формулою С.}Н 8 — пропан. Порівнявши кількісний склад молекул метану, етану, пропану, бачимо, іцо кожна наступна формула відрізняється від попередньої на групу атомів С Н 2. Починаючи з метану, можна записати ряд формул, в якому кожна наступна формула відрізнятиметься від попередньої на г рупу а т о м і в С Н 2. Це будуть формули г о м о ло гі в метану — сполук, які подібні за будовою і властивостями. Гомологічний ряд — це ряд сполук, що мають однотипну будову, виявляю ть схожі хімічні властивості, а л е відріз­ няються за складом м олек ул на певне число груп атомів С Н 2. Такі сполуки називаються г о м о л о г а м и . Характерно, що представники одного гомологічного ряду мають спільні типи ковалентних зв’ язків і виявляють схожі хімічні властивості. Наявність го м о ло гіч н и х рядів є типовим явищем для органічної хімії. І якої б складної бу��ови не були м олекули го­ м ологів, в усіх без винятку рядах наступна формула відрізняється від попередньої на групу атомів С Н 2. Переконаємось у цьому, ознайомившися з таблицею 2 (с. 126). Зі скорочених структурних формул гомологів метану видно, що між атомами Карбону в їх молекулах існують лиш е оди­ нарні зв ’ язки. Це свідчить про те, що у метану та ного гомо­ логів використані усі валентні можливості атомів Карбону приєднувати інші атоми і додаткового їх приєднання відбува­ тися не може.

Таблиця 2

Гомологічний ряд насичених вуглеводнів (алканів) Н а зв а

М олекулярна ф ормула

С корочен а структурн а формула

Метан Ета н

СН,

СН,

С 2Н в

СН.,СН.,

Пропан

саня

сн3сн2сн3 сн3сн2сн2сн3 сн3сн2сн2сн2сн3 сн3сн2сн2сн2сн2сн3 сн3сн2сн2сн2сн2сн2сн3 сн3сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн3 сн3сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн3 сн3сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн2сн3

Бутан 'Й ентан Гексан Гептан

с.,н12 с«н „ с 7н16

'Октан Нонан Д екан

сян20 Сі()Н22

До таблиці увійшли метан і 9 ного гомологів. Нині відомо понад 100 гомологів метану. Слід пам’ ятати, що назви гомо­ логів метану — це назви речовин із прямими нерозгалуженими карбон-карбоновими ланцюгами. Такі речовини називають нормальними і для уточнення до назви додають префікс н ---н-бутан (читається ен-бутан), //-гексан тощо. З в е р н і т ь у в а г у , що і в самій назві гомологічного ряду, і в назвах окремих його представників наявний суфікс -ан. Він є в назвах усіх без винятку насичених вуглеводнів. Усі насичені вуглеводні відповідають одній загальній формулі + 2, де л — число атомів Карбону в м о ле ­ кулі речовини.

І

Фізичні властивості гомологів метану. За звичайних умов серед гомологів метану трапляються рідини, газуваті та тверді речовини. Так, перших 4 представники гомологічного ряду — гази, наступних 13 — рідини, а починаючи з С 1 8 Н 3 8 — тверді речовини. Всі вони нерозчинні у воді. Температури плавлення та кипіння, густина гомологів зростають зі збільшенням числа атомів Карбону в м олекулі. Газуваті та тверді гомологи метану не мають запаху, рідкі — пахнуть бензином. Це тому, що бен­ зин є сумішшю різних вуглеводнів, серед яких чимало рідких насичених вуглеводнів. Х ім іч н і властивості го м о ло гів метану. Характерними реакціями метану та ного гомологів є реакції г ор ін н я, з а м і щ е н ­ ня, розк ла ду, тоді як приєднання додаткової кількості атомів будь-яких хімічних елементів неможливе. 126

1. Реакції горіння (повного окиснення). Я кщ о вдома ви к о­ ристуєтесь газовими плитами а централізованим поданням па­ лива, то цю реакцію багато разів проводили самі, оскільки природний газ містить понад 80 % метану: С Н , + 20 2 -> С 0 2 + 2 Н 20 Подібним чином взаємодіють з киснем й інші гомологи ме­ тану: 2 С ,Н , 0 + 1302 -» 8 С 0 2 + 10Н20 У хім ічн и х рівняннях за участю органічних речовин між лівою і правою частинами прийнято ставити замість знака « = * стр ілк у * —»*. спрямовану у бік продуктів реакції. Це роблять для того, щоб уникнути плутанини з подвійним зв’ язком. З ’ ясуємо дослідним ш ляхом, що п р о д у в а м и горіння гомо­ логів метану є вода і вуглекислий газ. Д о с л і д 1. На підставці розмістимо стакан з вапняною во­ дою і свічку, виготовлену з парафіну — суміш і твердих наси­ чених вуглеводнів, до складу м о л е к у л яких входить від 18 до 40 атомів Карбону. Запалим о свічку й відразу ж накриємо ї ї с к л я н и м ковпаком (м ож н а ск ористатися 2 — 3 -літр о в о ю скляною банкою), який щ ільно прилягає до підставки. Після того як весь кисень, що був під ковпаком чи у банці, витратить­ ся, свічка згасне. За час проведення досліду вапняна вода помутніє, що є доказом наявності серед продуктів реакції в углек и слого газу, а на стінках посудини з ’ являться краплі води. А П о я с н і т ь н е о б х і д н і с т ь п р о в іт рю в ат и к у х н ю , коли в в і м к ­ нено газові/ плиту.

2. Р е а к ц ії зам іщ ен н я. Метан та його гом ологи вступають у реакцію заміщ ення з галогенами. Під час реакції в ід­ бувається поступове заміщ ення атомів Гідрогену на атоми галогенів: 1) СН., + С12

С Н 3 С1 + НС1 Хлорометан

3) С Н 3 С1 + С12 - » СН 2 С12 + НС1 Дихлорометан

2) С Н 2 С12 + С12 - » СНС13 + НС1 Трнхлорометан

4) СНС13 + С12 - » СС1, + НС1 Тетрахлор ом етан

Назви речовин мають префікси, що у грецькій мові означа­ ють два (<?«/), три ( т р и ) , чотири (тетрсі-). Як ви зрозуміли, во­ ни вказують на число наявних у м олекулі продукту реакції атомів Х л о р у чи іншого хімічного елемента.

Д ля того щоб відбулася ця реакція, суміш газів нагрівають або діють на неї світлом. З в е р н і т ь у в а г у ! Реакція заміщення в органічній хім ії відрізняється від реакції заміщення в неорганічній хім ії тим, що обидва продукти реакції — складні речовини. ♦

Пригадайте, що в неор ган іч нії! х і м і ї продуктами ре а к ц ії з а м іщ е н ­ ня є складна й проста речовини, наприклад: СііВО, + Ре = Ь\-80, • Си

3. Реакції розкладу. Метан та його гомологи, порівняно з неорганічними речовинами, ле гк о розкладаються під час нагрівання: СН , С + 2Н.,

С2Нв

С2Н , + н 2

^4 6 ^ 3.1 — > Сйн 18 + с 8н І6 Ці реакції каталітичні, одним із каталізаторів є порошкува­ тий нікель. 4. Відношення до д ії лугів, кислот, окисників. Метан та ііого гомологи стійкі проти дії лугів, кислот, окисників, наприклад калій перманганату. Поширення гом ологів метану в природі, їх використання. Це досить поширені речовини, що входять до складу природ­ ного газу і нафти. Так, у складі природного газу може бути до 95 % метану. Решту складу становлять етан, пропан, бутан, у незначних кількостях — деякі неорганічні речовини. Поряд з іншими органічними сполуками гомологи метану є складови­ ми нафти (розчиняються в ній під тиском, а під час добування нафти внаслідок падіння тиску легк о від неї відокремлюють­ ся) у вигляді п о п у т н о г о н а фто во го г азу . Попутний нафтовий газ містить менше метану (бли зько ЗО % ), але більш е його го­ мологів — етану, пропану, бутану, пентану тощо. Гі рс ьки й в і с к , або о з оке ри т, є природною суміш ш ю гомологів метану з числом атомів Карбону в м олек улі понад ЗО. Це сировина для парфумерної промисловості, а також виробництва лаків та фарб. Серед насичених вуглеводнів метану належить першість не лиш е за поширенням, а й за використанням. Так, природний газ — це паливо для теплових електростанцій, металургійних та скловарних заводів, побутових газових плит тощо. Д ля хімічних заводів він є важливою сировиною, з якої добувають ацетилен, сажу, водень, ненасичені вуглеводні та багато інших речовин. Останнім часом метан застосовують як екологічно безпечне та економічно вигідне альтернативне бензину паливо д ля двигунів автомобілів. 128

ґ

.______ ПІ ДІ Б Є М О ПІДСУМКИ • Метан — найпростіша за хімічним складом органічна спо­ лука, з якої починається велика група речовин, що дістали назву гомологів метану, є представниками гомологічного ряду насичених вуглеводнів. • Гом ологи — речовини зі схожою будовою та властивостями, кількісний склад м олекул яких відрізняється на одну і б іл ь ­ ше груп атомів С Н 2. • Ф ор м ули гомологів метану відповідають загальній формулі 0 . ^ 2 ,, ^ 2 * а назва кожного з них закінчується суфіксом - а н . • У м олекулах насичених вуглеводнів усі хімічні зв ’ язки одинарні. • Типовими хімічними реакціями метану та його гомологів є реакції г ор ін н я, з а м і щ е н н я атомів Гідрогену атомами гало­ генів, те рм іч но го р о зк л а д у . П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я

1. Н а зв іть 10 п е р ш и х представників г о м о л о г іч н о г о ряду м етану та їх з а г а л ь н у ф о р м у л у . 2. П о я с н іт ь я в и щ е г о м о л о г ії. 3. С х а р а к т е р и з у й т е с т р у к т у р у , ф ізи чні та х ім іч н і властивості на­ с и ч ен и х в углеводн ів. 4. О б ч и с л іт ь від носну гу сти ну етан у за п овітрям , воднем і бутаном. 5. Д е б і л ь ш е м о л е к у л : у п о р ц ії етану о б ’ єм ом 11,2 л ( н . у . ) чи п о р ц ії гекса н у м асою 43 г? 6 * . Ч и вистачить х л о р у о б 'є м о м 44, 8 л д л я повного з а м іщ е н н я Г ід р о ге н у в метані о б ’ єм ом 5,6 л ( н . у . )?

§ 22

Е тиле н й а цетилен, їх с к ла д , хімічні ф о р м ули та фізичні властивості

Найпростішою сполукою з подвійним зв’ язком між атомами Карбону в м олек улі є етилен, або етен С 2 Н ,, а найпростішою сполукою з потрійним зв’ язком атомів Карбону в м олекулі — ацетилен, або етин С 2 Н 2. Ознайомимося з цими речовинами та їх характерними властивостями. Етилен і ацетилен, їх структурні н електронні формули. У м олек улі етилену на кожний атом Карбону припадає по 2 атоми Гідрогену. Запишемо структурну формулу етилену, у якій, пам’ ятаючи про чотиривалентний стан Карбону в орга­ нічних сполуках, позначимо подвійний зв’ язок: Н Н \ / С =С .або Н2С = С Н 2 / \

Н

н 129

о

о

М а л . 13. Перетв оренн я м оделі м о л е к у л и етану на м о д е л ь м о л е к у л и е т и л е н у ( е т е н у )

Щ об з ’ ясувати просторове розміщення атомів у м олек улі етилену, вдамося до моделювання. Я к щ о в кулестрижневій моделі м олекули етану зняти по одній білій кульці від кожної з чорних, а вільні валентності, що з ’ явилися при цьому, с п о л у ­ чити між собою ще одним стрижнем (мал. 43), то одержимо мо­ дель м олекули етену. Я к видно з моделі, всі 6 атомів м олекули етилену розмісти­ лися в одній площині, тоді як в етану просторове розміщення атомів не площинне, а тетраедричне. У м о лек улі ацетилену на кожний атом Карбону припадає по 1 атому Гідрогену. Відобразимо це у повній та скороченій структурних формулах сполуки, дотримуючись чотиривалент­ ного стану атомів Карбону: Н— С =

С — Н , або

НС =

СН

Скористаємося ще раз моделлю м олекули етану та знімемо по дві білі кульки від кожного з атомів Карбону, а щоб ва­ лентність Карбону дорівнювала чотирьом, з ’ єднаємо атоми Карбону ще двома стрижнями (мал. 44). Я к видно з моделі, всі 4 атоми м олек ули ацетилену розміс­ тилися на одній л ін ії, а між атомами Карбону утворився п от р і й н и й зв’ язок. Моделювання дало змогу з ’ ясувати, що просторова будова молекули ацетилену — л і н і й н а , тоді як етилену — п л о щ и н н а і що ацетилен відрізняється від етилену наявністю потрійного зв’ язку між атомами Карбону. Замінимо кожну риску в структурних формулах етилену й ацетилену на дві крапки (позначення пари електронів) й діста­ немо електронні формули цих сполук: Н

Н

Н : С :: С : Н Етилен

Н : С і: С : Н Ацетилен

Фізнчні властивості етилену й ацетилену. Етилен й ацети­ лен мають схож і фізичні властивості з метаном: за звичайних

-130

Мал.

44.

Схема перетворення етану на ацетилен

умов газуваті, безбарвні, погано розчиняються у воді. Етилен має запах. ▲ О бч исл іть, легші чи в а ж ч і за п ов і тря е тиле н й ацетилен. Щ об закріпити розглянутий новий матеріал про склад та б у ­ дову етилену й ацетилену, а також повторити порядок сп о лу­ чення і просторового розміщення атомів у молекулах метану та етану, виконайте лабораторний дослід 6 , описаний у рубриці ♦ Сторінка природодослідника*.

Лабораторний д осл ід 6. Виготовлення м оделей м олекул вугле­

воднів. О б л а д н а н н я : набори для виготовлення моделей молекул, а в разі їх відсутності — кольоровий пластилін, сірники або палички для лічби. Завдання 1. Із пластиліну виготовте моделі атомів: виліпіть куль­ ки з чорного пластиліну (вони символізуватимуть атоми Карбону) та кульки з білого пластиліну (вони символізуватимуть атоми Гідро ге­ ну). Дотрим уйтеся таких розмірів кульок: білі кульки мають бути менші за чорні в 1,5 раза. Завдання 2. Виготовте м одель молекули метану. Якщо працюва­ тимете з пластиліном , а не зі спеціальним набором, то намагайтеся розмістити стрижні таким чином, щоб виготовлена вами модель мала вигляд правильного тетраедра, в центрі якого перебуває чор­ на кулька, а у вершинах — білі. Таке розміщення передаватиме не лиш е порядок сполучення атомів між собою, а й їх просторове роз­ міщення. Завдання 3. Виготовте модель молекули етану, у якій також д о тр и ­ муйтеся тетраедричного розміщення атомів у просторі. Завдання 4. Скориставшись текстом параграфа та пригадавши дії вчителя з моделювання молекул етилену й ацетилену, виготовте кулестержневі моделі молекул цих речовин. Завдання 5. У зошиті запишіть висновок, в якому зазначте: а) як відрізняються між собою метан, етан, етилен, ацетилен просторовим розміщенням атомів: б) яким чином ви досягали відображення чоти­ ривалентного стану атомів Карбону в кожній моделі.

131

ПІ ДІ Б' ЄМО ПІДСУМКИ

• Етилен С2Н , — найпростіша органічна речовина з подвій­ ним зв’ язком атомів Карбону в молекулі. • Ацетилен С 2 Н 2 — найпростіша органічна речовина з потрій­ ним зв’ язком атомів Карбону в молекулі. • Етилен та ацетилен є ненасиченими сполуками, тому що в їх молекулах не всі валентності Карбону використані на сполучення з атомами Гідрогену. СТОРІНКА ЕРУДИТА Етилен є першим представником гомологічного ряду етиленових ненасичених вуглеводнів з одним подвійним зв'язком атомів Карбону в молекулі. Моделюючи молекулу етилену, ми не випадково віднімали від моделі молекули насиченого вуглеводню етану дві білі кульки, що символізують атоми Гідрогену, бо гомологи етилену мають загальну формулу СПН 2„. тобто за однакової кількості атомів Карбону у гомолога етилену на 2 атоми Гідрогену менше, ніж у відповідного гомолога метану. Назви етиленових вугле­ воднів походять від назв насичених вуглеводнів, що мають таку саму кількість атомів Карбону, а суфікс -ан замінюється суфіксом -єн: етен. пропен, бутен і т.д. Ацетиленом розпочинається гомологічний ряд ацетиленових вуглеводнів, або алкінів — ненасичених вуглеводнів з одним потрійним зв’язком атомів Карбону у молекулі. М оделювання пока­ зало, що їх молекули порівняно з молекулами гомологів метану ма­ ють на 4 атоми Гідрогену менше. Тому загальною д ля цих сполук є формула С „ Н 2п - 2 ’ Назви гомологів ацетилену також походять від назв відповідних на­ сичених вуглеводнів, а суфікс - ан замінюють на суфікс -ин (-ін): етин, пропін, бутин. Розглянемо конкретний приклад. Одним із гомологів метану є н-пентан. Це п’ятий за порядком розміщення в гомологічному ряді насичений вуглеводень, його молекулярна формула С 5Н 12. Гомолог етилену, у складі молекули якого теж є 5 атомів Карбону, пентен має формулу С 5 Н )0, а гомолог ацетилену з такою ж кількістю атомів Карбону пентин — С 5Н 8

вуглеводнів, або алкенів —

ПЕРЕВІРТЕ СВ ОЇ ЗНАННЯ 1. С ха р а к те р и з у й те ф ізичні властивості е т и л е н у й а ц ети л ен у . 2. О б ч и с л іт ь відносну гу ст и н у ети л е н у за озоном та а ц е т и л е н у за с у л ьф ур ( ІV > ок с и д о м . 3. Я к и й із зазначених в углеводн ів: етан, ети лен , а ц ети лен має т е т ­ раедричну бу д ов у м о л е к у л и , як ий — п л о щ и н н у , а я к и й — л ін ій н у ?

132

4. О б ч и с л іт ь , я к и й о б ’ єм аа н о р м а л ь н и х умов наймає е т и л е н масою 130 г. 5. О б ч и с л іт ь м асу та о б ’ єм п о р ц ії а ц е т и л е н у , щ о м іс т и т ь 3,01 • ІО*^ м о л е к у л ( н . у . ). 6*. П отренуйтесь у складанні електронн их і структурн их ф орм ул нена си чен нх в у глевод н ів, с к л а в ш и тякі с|юрмулн д л я речови н, щ о м аю ть м о л е к у л я р н і ф о р м у л и С3Н В та С дН ,.

§ 23

Хімічні властивості, застосування е ти л е н у й а ц е тиле ну

Вивчення хімічних властивостей ненасиченнх вуглеводнів розпочнемо з етилену, який добудемо з етанолу С 2 Н-ОН лабо­ раторним способом у приладі, зображеному на малю нку 45: Н

I I

Н

Н

н -с-с-н н он

,

-онц; -н28о/

I

Н

I

н - с = с —н + н2о (і)

Х ім іч н і властивості етилену. Піднесемо до отвору газовід­ відної трубки запалений сірник, і етилен, що виділяється, по­ чинає горіти злегка кіптявим п о л у м ’ ям: С 2 Н , + 3 0 2 - » 2С0 2 + 2Н 2 0 ;

Л Я = -1411,9 кДж

Ц я реакція, як і всі реакції горіння, є екзотермічною. Не припиняючи нагрівання суміш і етанолу й сульфатної кислоти, опустимо кінець газовідвідної трубки у хімічний стакан з розбавленим розчином калій перманганату К М пО ,. Розчин, що мав слабко рожеве забарвлення, досить швидко стає безбарвним. Зміна кольору свідчить про перебіг хім ічної реакції — калій перманганат окиснив етилен. Позначивши умовно окисник

М а л . -15. Д о б у в а н н я та сп а лю в а н н я етил«*ну

133

калій перманганат як (О), запишемо спрощене рівняння цієї реакції: Н Н Н Н

І

Н — С =

І

С — Н + [О]

+ н2о

---------- -

н

І

І

— с — с — Н (2 )

І ОН

І ОН

Етиленгліколь

Крім етилену, розчин калій перманганату також знебарв­ лю ю ть ацетилен, гомологи етилену та ацетилену. Продовж имо нагрівання, а кінець газовідвідної трубки опустимо в хімічний стакан з бромною водою (розбавленим розчином брому Вг 2 у воді) слабко жовтого кольору. Я к і в досліді з розчином калій перманганату, розчин бромної води швидко знебарвлюється. У цьому випадку відбулося приєд­ нання брому до етилену: Н

I Н — С =

Н

Н

I С — Н

+

Вг — Вг

------- -

н—

Н

I I с — С— Н

І

(3 )

І

Вг Вг 1,2-Дибромоетан Етилен, як і інші ненасичені вуглеводні, вступає в реакцію приєднання з воднем. Ця взаємодія належить до каталітичних реакцій, каталізатором є порошкуватий нікель: С ,Н . + Н 2 С2 Н 2 + Н 2

С2 Н 6 і.

>С 2 Н ,

.Мі

(4)

Реакція приєднання водню до ненасичених вуглеводнів дістала назву гідрогенізації, або гідрування. Слід пам’ ятати, що внаслідок розриву подвійного зв’ язку з ’ являються дві вільні валентності у двох сусідніх атомів Карбону. Том у в розглянутих прикладах приєднання відбу­ вається до обох атомів Карбону. А З а п и ш і т ь с а м о с т і й н о р і в н я н н я р е а к ц і ї г і д р у в а н н я етену й е т и н у ла д оп о м о г о ю с т р у к т у р н и х формул.

Х ім іч н і в ласти вості а ц е т и ле н у . Д обуд ем о ацетилен та перевіримо його властивості. У штативі закріпимо вертикально пробірку. Помістимо в неї 2 — 3 шматочки кальцій карбіду СаС2, доллєм о 2— 3 мЛ води і відразу закриємо газовідводною трубкою. Спостерігається бурхлива взаємодія речовин: 134

СаС2 + 2 Н 20 -> С2ЕІ2Т + С а(О Н )2 А ц ети лен , що виділяється, пропустимо крізь розчини калій перманганату та бромної води. А н а л о г іч н о ети лен у ацетилен також знебарвлює розчин калій перманганату і бромну воду. Так, взаємодія з бромною водою завершується приєднанням чотирьох атомів Брому: Вг * Вг

н— с = с — н — ^

* її]-

н— с = с — н — ^ I I Вг

Вг

Вг

і

і

Вг

Вг

н—с —с —н I I

Піднесемо до отвору газовідвідної трубки запалений сірник. А ц ети лен горить кіптявим п о л у м ’ ям. ▲ Запиш іт ь хім ічне рівня н н я цієї реакції самостійно. Ненасичені вуглеводні легк о окиснюються калій перманга­ натом, приєднують бром, водень, а також деякі інш і речовини. Пояснюється це тим, іцо подвійний та потрійний зв’ язки ле гк о розриваються і на вільні валентності приєднуються інші атоми у кількості, необхідній до насичення атомів Карбону. На відміну від них насичені вуглеводні стійкі проти дії калій перманганату, не приєднують бром, вод��нь та інші речо­ вини. Пояснюється це тим, що в їх м о лек у ла х між атомами Карбону існують л и ш е одинарні зв’ язки. Знебарвлення розчину калій перманганату та бромної води використовують д л я якісного визначення сп олук із подвійним та потрійним з в ’ язкам и атомів К ар бон у в м о ле к у ла х . Застосування ненасиченнх вуглеводнів. Етилен та ацети­ лен — родоначальники двох гом ологічних рядів вуглеводнів, і саме їх найбільш е застосовують. У промисловості з етилену добувають поліетилен, п о л іх л о р ­ вініл, полістирол, відомі вам під загальною назвою пластмаси, органічні розчинники, оцтову кислоту, синтетичні волокна т о ­ що (м ал. 46). Виявлений ще на початку X X ст. вплив етилену на дости­ гання плодів у період вегетації рослин знаходить нині застосу­ вання. Так, щоб прискорити дозрівання помідорів, їх збирають зеленими і тримають у приміщенні за температури повітря +22 — +24 °С. Повітря збагачують етиленом із розрахунку 1 о б ’ єм етилену на 100 об’ємів повітря. Через 6 — 7 діб помідори достигають і набувають червоного кольору. Здатність етилену спричиняти опадання листя, квітів, плодів теж використову135

Мал. 46. Схема застосування етилену ють на практиці, зокрема, д ля проріджування зав’ язі персиків та винограду у великих садах і виноградниках. А ц ети лен широко використовується д ля різання і зварю­ вання металів, оск ільк и під час його згоряння виділяється багато теплоти: 2 С 2Н 2 -г 5 0 2 -> 4ССХ, + 2 Н 2 0 ;

Л Я = -2 6 0 0 кДж

При ацетиленово-кисневому зварюванні температура сягає понад 3000 °С. За допомогою ацетилену в промисловості добувають каучук (основна складова гум и ), пластмаси, розчинники, етанол, синтетичні волокна та багато інш их речовин. ПІ ДІ Б' ЄМО ПІДСУМКИ—

• Етилен й ацетилен легк о вступають у реакції окиснення і приєднання. Продуктами реакцій приєднання є сполуки, в яких між атомами Карбону встановлюються одинарні зв’ язки. • Високу хімічну активність етилену й ацетилену використову­ ють у промисловості для добування різноманітних речовин. • Наявність етилену, ацетилену та їх гомологів можна визна­ чити за знебарвленням водних розчинів калій перманганату та брому. СТОРІНКА ЕРУДИТА Крім приєднання простих речовин (водень, бром) етилен та аце­ тилен вступають у реакції приєднання зі складними речовинами, наприклад галогеноводнями.

136

П р и к л а д 1. Приєднання хлороводню (гідроген хлориду) до етилену. Ви вже знаєте, що під час реакцій приєднання подвійний зв’язок розривається, з'являються дві вільні валентності, до яких приєдну­ ються одновалентні атоми чи групи атомів з молекул іншого реагенту:

Н I

Н

Н

I

н — с = с — Н + Н — СІ —

I

Н I

Н — С — С — Н (Н3С — СН2С1) I

I

Н

СІ

Хлороетан

Структурна формула хлороетану вказує на те, що після реакції між атомами Карбону не залишилося подвійного зв’язку і замість одного атома Гідрогену до складу молекули увійшов один атом Хлору. П р и кл а д 2 . Приєднання хлороводню (гідроген хлориду) до ацети­

лену. Приєднанню передує розрив потрійного зв’язку, внаслідок чого з ’являються 4 вільні валентності:

Н— С— С — Н Приєднання відбувається у дві стадії: 1

стадія

Н

н — с = с — н + неї

Н— С

СІ І

=

С — Н (Н2С

=

СНС1)

Хяороетен

2 стадія Н I

СІ I

н — с = с - н . неї

Н

I

СІ I

Н — С — С — Н (Н3С — СНС12) І

І

Н

СІ

1,1 -Дихлороетан

Незважаючи на те, що біля першого атома Карбону вже є один атом Хлору, другий теж приєднується до нього. У старших класах ви ознайомитеся з правилом щодо саме такого приєднання атомів галогенів до молекул ненасичених вуглеводнів. ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ

1. Складіть схему, що ілюструє застосування етину. прииинлпо-няслілкоиі ян’ягжи між будовою і хіміч­ ними властивостями 2 . Розкрийте

137

.4. Я к и й о б ’ см е т и л е н у п о г л и н е т ь с я б р о м н о ю водою масою 200 і\ я к щ о масова частка бр ом у в ній ста н ови ть 1,(» % ? 4. Ч и в и с т а ч и т ь вод ню , я к и й в и д іл и в с я в н а с л і д о к в з а є м о д ії натрію масою 2.3 г з д оста тн ьою к і л ь к і с т ю води (н. у .), щ об п е р е тв о ­ рити на на сичений в у гл е в о д е н ь а ц е т и л е н масою 4.8 г?

§ 24 Відношення о б ’ємів газів у хімічних реакціях Серед хім ічних реакцій багато таких, що відбуваються між газуватими речовинами або супроводж ую ться утворенням газуватих продуктів реакції. О скільки молярний об’ єм газів за однакових умов однаковий, а коефіцієнти збігаються з к іл ь ­ кістю речовини, що реагує без зали ш ку або утворюється в реакції, це дає змогу характеризувати кількісні відношення газуватих речовин у х ім іч н и х реакціях і без обчислення молярних мас речовин знаходити їх об’ єм. Об’ємні відношення газів у хімічних реакціях. Ф р а н ц у зь ­ кий учений Жозеф Л у ї Гей-Люссак виявив, що об’ єми газів, які вступають у реакцію та утворюються внаслідок реакції, відносяться між собою як невеликі цілі числа, які збігаються з коефіцієнтами у рівнянні реакції. У 1808 р. він дослідним ш ляхом сформулював закон о б ’ємних відношень газів. У хім ічн и х реакціях об’єми газуватих речовин (реагентів та продуктів реакції) відносяться між собою як невеликі ц ілі числа. Закон пош ирю ється постійного тиску.

на

реакції,

що

відбуваються

за

Ж о з е ф Л у ї Г е й -Л ю с с а к ( 1 7 7 8 — 1850) Ж . Л . Г ей -Л ю сса к — ф ранцузький х і м і к і ф із и к , ч л е н П а р и з ь к о ї а к а д е м ії наук з 1806 року. Й о го н а уко ві праці с т о с у ­ ю ться р із н и х г а л у з е й х і м і ї . В ід к р и в у 1808 р. зак он о б ’ є м н и х від н ош ен ь газів, щ о у в ій ш ов у н а у к у як закон Г ей -Л ю сса к а , п е р ш и м д о б у в п р ос ту р е ч о в и н у йод та побудував (18 19 р .) криві за л е ж н о с т і роз­ чи н н о сті с о л е й у воді від те м п е р а т у р и . Разом із ф р а н ц у з ьк и м х ім ік о м М. Е. Ш еврелем отр им ав патент (1825 р .) на ви робн и­ цтво стеарин ови х свіч о к, щ о с т а л о почат­ ком нової доби в історії о с в іт л е н н я .

Експеримент ученого полягав у тому, що він проводив реакцію між воднем і хлором, беручи однакові о б ’єми цих газу138

ватих речовин. Щ оразу з одного о б ’ єму водню й одного о б ’ єму хлор у він добував два об’ єми хлороводню: Н 2 + С12 = 2НС1 1

Г+

П '=

2

V

Гей-Люссак проводив досліди з іншими газуватими речови­ нами, зокрема з воднем та киснем, азотом та киснем. За допо­ могою цих дослідів було встановлено, що невеликі ц ілі числа, якими виражається співвідношення об’ ємів газуватих речовин у хім ічних реакціях, збігаються з коефіцієнтами перед їх хімічними формулами у рівнянні реакції. Д ещ о пізніше (1811 р.) італійський фізик і хім ік Амедео Авогадро пояснив встановлені Гей-Люссаком експерименталь­ но о б ’ ємні відношення газів, а також сформулював новий закон, який увійшов у науку як закон Авогалро: У рівних о б ’ємах різних газів за однакових умов м істить­ ся одне й те саме число м олекул. Р озглян ем о на прикладі реакції горіння етилену, як можна обчислити о б ’ єми речовин, що беруть участь та утворюються під час реакції, дотримуючись закону о б ’ ємних відношень газів. Спершу запишемо рівняння реакції та розставимо в ньо­ му коефіцієнти: С 2Н , + 3 0 2 - > 2 С 0 2 + 2 Н 20

З рівняння реакції видно, що д ля повного спалювання моль етилену потрібно 3 моль кисню, і що при цьому утво­ рюється 2 м оль вуглекислого газу. Д ивлячись на коефіцієнти, можна сказати, що для повного спалювання 1 моль, або 22,4 л е т и л е н у (н .у .), потрібний втричі б іл ь ш и й о б ’ єм кисню: 22,4 л/ м оль • 3 моль = 67,2 л, і що об’ єм утвореного при цьому вуглекислого газу становить 22,4 л/ м о ль • 2 моль = 44,8 л . 1

За н о р м а л ь н и х умов вода не перебуває у п а р о п о д іб н о м у стан і, т о ­ м у її о б ’ єм за у м о в о ю ц іє ї задачі не м о ж н а об ч и с л ю в а т и за з ак он о м Г е й -Л ю с с а к а .

Обчислення об’ємних відношень газів за хімічними рівнян­ нями. Ознайомимося з прикладами розв’ язування розрахунко­ вих задач з використанням кількісних відношень об’ ємів газів. ІІри клал 1. Обчислити, який о б ’єм х лор у необхідний для реакції повного приєднання галогену до 300 л ацетилену за умови постійного тиску і температури. Р о з в ’ язання Напишемо рівняння реакції: С 2Н 2 + 2С12 - » С 2Н 2С1.,

Розглянем о о б ’ємні відношення газів ацетилену С 2 Н 2 та хлору С12, про які йдеться в умові задачі: С 2 Н 2 + 2С12 - » С 2 Н 2 С1, IV

: 2V

Як бачимо, у реакцію вступає хлор, об’ єм якого вдвічі б іл ь ­ ший за об’ єм ацетилену. Це дає змогу легк о знайти відповідь на поставлене в умові задачі запитання: Г(С12) = 2 • 300 = 600 (л ). ІІр». клид 2. Внаслідок спалювання певної порції суміш і карбон(ІІ) оксиду і кисню о б ’ єм суміші зменшився на 8 мл. Визначити, який о б ’ єм карбон(ІІ) оксиду прореагував, якщо всі виміри зроблено за однакових умов. Р о з в ’ язання Запишемо рівняння реакції та розглянемо об’ ємні відно­ шення газів: 2СО + 0 2 = 2С 0 2 2У

: IV :

Вони свідчать, що в реакцію вступає 3 о б ’ єми газуватих речовин (2 об’ єми СО і 1 о б ’єм 0 2), натомість утворюються 2 об’ єми газуватого продукту реакції С 0 2. Тобто, внаслідок реакції відбувається зменшення о б ’ єму: З V — 2 У = I V . Згідно з умовою задачі зменшення об’ єму дорівнює 8 мл. Таким чином, за умовою цієї задачі 1 У = 8 мл. Тепер можемо відповісти на поставлене в умові задачі запи­ тання: Г(СО ) = 2 • У = 2 •

8

мл = 16 мл.

Приклад 3. Який об’ єм амоніаку утворився, якщо початко­ ва суміш азоту та водню мала об’ єм 90 л, а після закінчення ре­ акції залиш илося 10 л азоту. Всі виміри зроблено за однакових умов. Р о з в ’ язання Напишемо рівняння реакції та розглянемо об’ ємні відно­ шення газів: N.,-1- ЗН., = 2ГШ I V : ЗК : 2 У 4У

З о б ’ємних відношень видно, що всього в реакцію вступає 4 о б ’ єми газуватих речовин. За даними, наведеними в умові 140

задачі, обчислимо, скільки це становить літрів. Д ля цього під загального об’єму початкової суміші азоту та водню віднімемо об’ єм азоту, що залишився після закінчення реакції: 90 л - 10 л = 80 л. Отже, ґрунтуючись на кількісних відношеннях газів, за умовою задачі 4 V = 80 л. Тоді 1V = 80 л : 4 = 20 л. Об’ єм утвореного амоніаку вдвічі більший: Г (Г Ш 3) = 2 У = 2 • 20 л = 40 л. Наведені приклади переконують у тому, що обов’ язковою дією при обчисленні об’ ємних відношень газів за хімічними рівняннями є встановлення за цим відношенням в еличини о дного о б' єм у відповідно до наведених в умові задачі об’ємів реагентів та продуктів реакції. У хім іч н ій промисловості доволі часто сировиною для виробництва продукції є газуваті речовини — метан, етилен, водень, амоніак, хлор тощо. Оскільки газуваті речовини зва­ жувати незручно, то вдаються до визначення їх об’ єму. При цьому обчислення здійснюють з дотриманням закону об’ ємних відношень газів. ______ ПІДІБ' ЄМО ПІДСУМКИ^

_______

• На основі проведених експериментів французьким учений Гей-Люссак встановив, що в хімічних реакціях об’ єми газуватих речовин (реагентів та продуктів реакції) відносяться між собою як невеликі цілі числа. Це відкриття увійшло в науку як закон Гей-Люссака. • Н евели кі ц ілі числа, що вказують на співвідношення об’ємів газуватих речовин у хімічних реакціях, збігаються з коефіцієнтами у рівнянні реакції. • Знання закону об’ ємних відношень газів дає змогу здійсню­ вати обчислення об’ єму газуватих реагентів та продуктів реакції.

т

СТОРІНКА ЕРУДИТА

Є задачі, під час розв'язування яких вдаються до розгляду відно­ шень об'ємів газів у двох хімічних реакціях. Розглянемо приклад. А Внаслідок спалювання 20 л суміші метану й етану утворилося 24 л вуглекислого газу. Чому дорівнював о б' єм кожного компонента суміші, якщо всі виміри здійснено за однакових умов? Р озв’язання Запишемо рівняння реакцій горіння метану та етану: 141

С Н 4 + 2 0 2 -> С 0 2 + 2НгО (1) 2С 2 Н 6 + 7 0 2 -* 4 С 0 2 + 6 Н 20 (2) Запишемо під формулами об'ємні відношення потрібних д л я розв'язання задачі речовин метану, етану, вуглекислого газу: С Н 4 + 2 0 2 -> С 0 2 + 2Н гО IV

:

2С 2 Н 6 + 7 0 2 -> 4 С 0 2 + 6Н20 : 4 У , або 1 V : 2 У Позначимо об’єми метану й етану за рівняннями реакцій. Приймемо о б ’єм метану в суміші за хл, тоді об'єм етану дорівнюва­ тиме (20 - х) л. Позначимо о б ’єми вуглекислого газу, що утворився під час спалю ­ вання метану й етану. З рівняння 1 бачимо, що об’єм метану дорівнює об'єму вуглекис­ лого газу. Звідси х л метану, згоряючи, утворює х л вуглекислого газу. З рівняння 2 бачимо, що о б ’єм утвореного вуглекислого газу вдвічі більший, ніж об'єм етану. Звідси (20 - х) л етану, згоряючи, утворює вуглекислий газ, о б ’єм якого дорівнює: 2 ■ (20 - х) = (40 - 2х) л В умові задачі сказано, що загальний о б ’єм утвореного в обох ре­ акціях вуглекислого газу становить 24 л. Це дає змогу записати та розв’язати таке алгебраїчне рівняння: х + (40 - 2х) = 24 х - 2х = 24 - 40 -х = - 16; х = 16( л ) Оскільки через х було позначено о б ’єм метану, то його о б ’єм у вихідній суміші становив 16 л. Решта суміші 20 - 16 = 4 (л ) припадає на етан. П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я 1. Я к и й закон відкрив у 1808 р. Г ей -Л ю с с а к ? С ф о р м у л ю й т е цей закон. 2. Н е ви кон ую чи м атем а тич н их о бч и сл ен ь, зр о б іт ь висновок, о д ­ накове чи різне ч и с л о м о л е к у л м іс титься у 22,4 л х л о р у та 44,8 л х л о ­ роводню за о днакових умов. 3. У зоні грозового розряду температура сягає понад 2000 СС. За та­ ких умов азот і кисень, що перебувають у складі повітря, взаємодіють м іж собою з утворенням нітроген(П) оксиду. Н апи ш іть рівняння цієї ре­ а кції та обчи сліть о б ’ єми азоту і кисню, необхідні д л я утворення 60 л продукту реакції, я к щ о всі виміри зроблено за однакових умов. 4. П ід час згорянн я су м іш і метану й ву гл ек и сл о г о газу о б ’ ємом 40 л витратилось 60 л кисню. О бчи сліть вміст в у г л е к и с л о г о газу у складі початкової с у м іш і, я к щ о всі виміри зроблено за однакових умов.

___ 142

5 * . На повне з г о р я н н я с у м і ш і м ета н у з е т и л е н о м о б ’ єм ом 60 л ви т р а т и л и к и се н ь о б ’ єм ом 1-Ю л . О б ч и с л іт ь о б ’ єм м ета н у та е т и л е н у в с у м іш і , я к щ о всі в и м ір и з р о б л е н о за о д н а к о в и х у м о в .

§ 25

П о л іе т и л е н . П о н я ття про по лім ери

М о л е к у л и етилену м ож уть не ли ш е приєднувати м олек ули інш их речовин, а й багаторазово сполучатися м іж собою, утво­ рюючи одну велику м о л е к у л у — м а к р о м о л е к у л у . Така реакція відбувається за певних умов (нагрівання, збільш ення тиску, наявності каталізатора), ї ї називають реакцією полім ер и зац ії (від грец. полі ме ре с — утворений з багатьох частин). Реакц ія п о лім ер и за ц ії — це реакція сполучення однако­ вих м о л е к у л в одну м акром олекулу. Продукт реакції полімеризації етилену — поліетилен — уперше було добуто в 30-ті роки X X століття. Спочатку реакцію проводили за високого тиску і нагрівання. Згодом німецький учений К. Ц и глер та італійський учений Д ж . Натта розробили метод каталітичної полімеризації етилену і пропілену, за що їм обом у 1963 р. було присуджено Н обелівську премію. С х ем а п о л ім е р и з а ц ії ет и лен у . У р еак ц ії п о л ім е р и з а ц ії с п о л у ч е н н я м о л е к у л в ід б ув а ється за р а х ун о к розриву подвійного з в ’ я зк у м іж атомами Карбону в м о л е к у л а х ненасичених сп олук. Р о згл я н е м о це на прикладі схеми п о л ім е р и ­ зації ети лен у: ->•

С Н 2 - С Н 2 + СН2 - С Н 2 + СН2 - С Н 2 + ...-»■ СН2 - С Н 2 + СН2 - С Н 2 + СН2 - С Н 2 + ... - » - С Н 2 - С Н 2 - С Н 2 - С Н 2 - С Н 2 - С Н 2 - + ...

На схемі показано, як з ’ являються дві вільні одиниці вале­ нтності, завдяки яким утворена частинка сполучається з двома такими самим частинками. У такий спосіб сполучаються від к ільк о х десятків до сотень тисяч м о л е к у л етилену. В р е з у л ь ­ таті багаторазового приєднання утворюється нова речовина із загальною назвою п олім ер, а в р озгля н утом у прикладі — п оліетилен. Вироби з нього вам добре відомі (м ал. 47). Вихідна речовина, взята для проведення будь-якої реакції полімеризації, називається мономером (з грец. мо но — один), а ланка, на яку перетворився мономер і яка багаторазово повто­ рюється у складі полімеру, — структурною ланкою. Отже, число мономерів дорівнює числу структурних ланок. Певна к ільк іст ь м о л е к у л мономера, що сп олуч и ли ся між со­ бою та утворили одну м ак р ом олек улу полімера, позначається літерою п і дістала назву ступеня полім еризації.

М а л . 47. В и р о б и з п о л і е т и л е н у

Записуючи схему реакції полімеризації, структурну л а н к у беруть у к р у г л і дуж ки. Ч и сло, записане у схемі до реакції, вка­ зує на число м олек ул мономеру, що прореагували, а записане після реакції — на число структурних ланок у м акр ом олек улі полімеру. Скорочено схему полім еризації етилену записують так:

,*сн2 = с н 2 Етилен

( - с н 2 - с н 2- ) „ Поліетилен

В одну полімерну м о л е к у л у м ож уть об’ єднатися десятки і навіть сотні тисяч мономерів, тому повністю хімічним рівнян­ ням це не записують, а пиш уть схеми на зразок наведеної сх е ­ ми реакції полімеризації поліетилену. А н а ло гіч н о записують схему полімеризації інш их речовин. О скільки утворюються макромолекули з різною к ільк істю структурних ланок, віднос­ на м олекулярна маса полімерів — число приблизне. Так, у поліетилену вона може бути від 2 0 тис. до 3 млн, що залеж ить від ступеня полімеризації. Ступінь п олім ер и за ц ії (п ) етилену е числом змінним. Т о м у може йтися ли ш е про середню відносну м о лек у ля р н у масу м акр ом олек ули поліетилену. Властивості та застосування поліетилену. Коротко ознайоми­ мося з фізичними та хімічними властивостями поліетилену. Це тверда, легша за воду, жирна на дотик речовина, що зовні нагадує парафін. Поліетилен непрозорий (це не стосується виготовлених з нього тонких плівок), нетоксичний, термопластичний, тобто під час нагрівання розм’ якшується. Заводи з виробництва поліетиле­ ну випускають його у вигляді гранул (крихти) білуватого кольору (мал. 48). З поліетилену виготовляють найрізноманітніші вироби, в тому числі іі кольорові (додають барвники). Поліетилен не про­ 144

в о д и т ь електричного струму, тому незамінний при виготовленні ІЗ О Л Я ­ Ц І Ї для електродротів. Пригадайте, як швидко етилен знебарвлював розчини калій пер­ манганату, бромної води, згоряв на повітрі. Повторимо ці досліди з поліетиленом. Д о с л і д І. Виготовимо розчин ка­ лій перманганату слабко-рожевого кольору та зануримо в нього шма­ точки поліетиленової плівки або гранули поліетилену. Вміст колби перемішаємо скляною паличкою чи збовтаємо струшуванням. Колір розчину калій перманганату не змінив свого забарвлення. Отже, робимо висновок, що поліети­ лен, на відміну від етилену, стійкий проти дії окисників. Д о с л і д 2. Перевіримо, чи реагує поліетилен з розчином лугу та кислоти. Для цього в одну колбу наллємо розчину натрій гідроксиду та додамо поліетилен, а в другу — хлоридну чи якусь іншу кислоту і теж помістимо полі��тилен. Спостереження пока­ зують, що взаємодії речовин в обох пробірках не відбувається. Отже, за хімічними властивостями поліетилен схожий з насиченими вуглеводнями. ▲ Р о з г л я н ь т е схему полімеризаці ї етилену, порі вняйте будову

мономера і с тр ук ту рн ої ланки та поясніть, чому п о л і е т и ­ лен вия вл яє х і м і ч н і в л а с ти в ос т і наси че ни х вуглеводнів. Д о с л і д 3. Ш маточок п оліети лен у внесемо ти гельн и м и

щипцями у п о л у м ’ я і спостерігатимемо, як він горить світлим голубим п олум ’ ям. ▲ Н а п і д с т а в і п р о в е д е н и х д о с л і д і в з ро бі ть в и с н о в о к про доцільність використ ання поліетилену для зберігання х і м і ч н о а к т и в н и х речовин і в и г о т о в л е н н я п о с у ду , в як о му н аг рі в аю ть або к и п ' я т я т ь речовини.

Д ля детальнішого ознайомлення з фізичними властивостя­ ми поліетилену виконайте л або раторний д осл ід 7. СТОРІНКА ПРИРОДОДОСЛІ ДНИКА Лабораторний

д о с л ід

7. Ознайомлення зі зразками виробів з

поліетилену. О б л а д н а н н я т а р е ч о в и н и : одноразовий поліетиленовий посуд, поліетиленові пакети, кришки, ємкості д л я рідин, інші вироби з поліетилену, терези, мірний циліндр, пробірки, хімічні стакани, вода.

Завдання /. Переконайтеся у фізичних властивостях поліетилену, описаних у тексті параграфа. Д ля цього ознайомтеся з виданими вам поліетиленовими виробами. Поясніть, на яких властивостях поліетилену ґрунтується його використання для виготовлення різноманітних виробів. Завдання 2. Розробіть план експерименту з визначення густини поліетилену. За розробленим планом виконайте дослід. Сформ улю й­ те і запишіть висновки.

_____ ПІДІБ' ЄМО ПІДСУМКИ ____________________________________ • Ненасиченим органічним речовинам властива реакція спо­ лучення. У практичному відношенні найбільш важливою реакцією ненасичених органічних сполук є полімеризація. П о л і м ер из ац ія — сполучення багатьох молекул ненасиченого вуглеводню в одну макромолекулу. • Характеризуючи реакцію полімеризації, використовують поняття мономер, с т р ук т ур на л а н к а, полімер, с т у п і н ь полімеризац її.

• Мономер — це вихідна речовина, молекули якої багаторазо­ во сполучилися між собою та утворили макромолекулу (велику м олекулу) полімеру. • Структурна ланка — ділянка полімеру, що багаторазово повторюється у його структурі. • Ступінь п о л ім е р и за ц ії ( л ) — це число, яке вказує на кількість молекул мономеру, що прореагували, і кількість структурних ланок у макромолекулі. • Відносна молекулярна маса полімеру (таку загальну назву має продукт реакції полімеризації) — число приблизне, оскільки в одну макромолекулу можуть сполучатися від кількох десятків до кількох сотень тисяч молекул мономеру. • Завдяки фізичним і хімічним властивостям поліетилен став широковживаним матеріалом. СТОРІНКА ЕРУДИТА Сировиною д ля добування полімеру політетрафлуороетилену (теф лону; є газуеата, без кольору і запаху, малотоксична речовина тетрафлуороетилен (тетрафлуороетен) С 2 Р4, у якої, як і в етилену, між атомами Карбону наявний подвійний зв’язок. Полімеризація відбу­ вається за схемою: і. Р. кат.

пСР2 = С Р 2

----- >

( — С Р 2 — С Р 2 — )п

Подібно етилену, в тетрафлуороетену подвійний зв’язок розри­ вається і з ’являються вільні одиниці валентності, за рахунок яких ви­ будовується ланцюг макромолекули політетрафлуороетилену:

146

— СР2 — СР2 — СР2 — СР2 — Відсутність у складі макромолекули утвореного полімеру атомів Гідрогену, наявність чотирьох атомів Ф луору, які надійно захищають карбоновий ланцюг від зовнішніх впливів хімічно агресивних се р е до ­ вищ, д о да ю ть йому в ла сти в о сте й , відмінних від в ласти во сте й поліетилену. Так, на відміну від поліетилену політетраф луороетилен витримує нагрівання д о 300 °С, негорючий, є однією з найміцніших органічних сполук. Додаванням д о цього полімеру наповнювачів — графіту, скловати тощ о — добуваю ть матеріали з високою зно­ состійкістю, теплопровідністю та температурою плавлення. Такі влас­ тивості полімеру забезпечили його застосування у виробництві те ф ­ лонового посуду, підшипників, різних дета лей тощо (мал. 49).

М а л . 49. Вироби з т е ф л о н у

ПЕРЕВІРТЕ С ВО Ї ЗНАННЯ 1. Д а й т е в и зн ач е н н я р е а к ц ії п о л ім е р и з а ц ії, п о я с н іт ь , ч о м у д л я е т и л е н у вона ха р а к те р н а , а д л я ета н у — ні. 2. Н а й б л и ж ч и й г о м о л о г е т и л е н у п р о п іл е н п о л ім е р и з у є т ь с я з у т в о ­ ренням п о л іп р о п іл е н у — п о л ім е р у з п о д іб н и м и до п о л і е т и л е н у в л а с ­ ти в о с т я м и , а л е б іл ь ш м іц н о г о і т е р м іч н о в и т р и в а л о го . Р е а к ц ія в ід б у ­ вається за с х ем о ю : 4 7

„ с н 2 = СН —► (— с н 2— СН— )„ І І СН3

С Н :,

Зазначте у цій сх ем і моном ер, с т р у к т у р н у л а н к у , с т у п ін ь п о л ім е р и ­ з а ц ії та п о я сн іть, за р а ху н ок чого від бу ла ся ця реакція. 3. Іноді п о л іе т и л е н та п о л і п р о п іл е н на зива ю ть н а с и ч ен и м и висок о м о л е к у л я р н и м и в у г л е в о д н я м и . Ч и м , на ваш у д у м к у , з у м о в л е н а така назва? 4 * . Завдання для виконання у ма ли х навчальних групах. К о р и с т у ­ ю ч и сь р із н и м и ін ф о р м а ц ій н и м и д ж е р е л а м и , в т о м у ч и с л і й м е р е ж е ю Ін т е р н е т , р о з р о б і т ь п р о е к т на т е м у « С ь о г о д е н н я і м а й б у т н є п о л і м е р і в * , в и с в іт л и в ш и п и т а н н я с и р о в и н н о ї б а з и , е к о л о г і ч н о ї б е зп ек и , п р а к т и ч н о го в и к ор и ст ан н я в и г о т о в л е н о ї з них п р о д у к ц ії.

§ 26 М е та н о л , е та н о л, гліцерин як представники оксигеновмісних органічних с полук. Поняття про функціо нальну гідроксильну групу Ознайомлення з представниками насичених і ненасичених вуглеводнів та гомологічним рядом метану дає змогу перейти до розгляду іншої великої і різноманітної групи органічних сполук, що дістала назву оксигеновмісні сполуки. За назвою легк о зрозуміти, що до складу їх м о лек у л входять атоми Оксигену. Я к і вуглеводні, оксигеновмісні органічні речовини утво­ рюють гомологічні ряди. Одним із таких рядів є гомологічний ряд насичених одноатомних спиртів. Ф о р м у л и окремих представників насичених одноатомних спиртів. Перший представник цього ряду — м е т а н о л С Н ,0 , другий — е т а н о л С 2 Н 6 0. Як бачимо, назви речовин походять від назви насиченого вуглеводню, до якої додається суфікс -ол, а м олекули містять таку саму к ільк ість атомів Карбону і Гідро­ гену, що й відповідний насичений вуглеводень, та один атом Оксигену. ▲ С а м о с т і й н о с к л а д і т ь м о л е к у л я р н у формулу пропанолу. Н а п р и к л а д і р о з г л я н у т и х формул м е та но л у, е т а н о л у та проп а н о л у п ер ек он ай те сь , що в г о м о л о г і ч н о м у р я д і н а с и ч е н и х одноатом них спиртів аитримино гомологічну різницю.

Напишемо структурну ф ормулу метанолу: Н

Н

І с— І н

О — Н , або СН.. — ОН

М олек уля р н ій формулі С 2 Н(іО відповідають 2 структурні формули: 148

1)

Н

н

2)

Н

н —с —о — с —н

н — с — с — О— н н

Н

н

н

н

І л и ш е одна з них є структурною ф орм улою етан олу (про це вже йш лося в параграфі). Експериментально встановлено, що порядок сполучення атомів у м о л е к у л і етан олу відображає перша ф ормула. Тобто, як і в м о л е к у л і метанолу, атом О кси ге­ ну сполучається однією валентністю з атомом Карбону, а д р у ­ гою — з атомом Гідрогену. ▲ Н а п и ш і т ь е л е к т р о н н і фо рму ли м е т а н о л у т а е т а н о л у с а ­ мостійно.

П о н яття про ф ун кц іон альн у групу. Щ о б підкреслити на­ явність у спиртів гідрокси льн и х груп, замість м о л е к у л я р н и х ф ормул СН ,0 , С 2 Н (іО, С 3 Н 8 0 , пиш уть ф орм ули так: СНдОН

С 2 Н 5 О Н,

с 3н7он

З в е р н і т ь у в а г у : в цій формі запису дві складові частини — перш а, що м істи ть на один атом Г ід р о г е н у м ен ш е, н іж відповідний насичений вуглеводень, називається радикалом (позначається К ), та друга — гідроксильна група ОН. Саме т а ­ ка форма запису відображає наявність у м о л е к у л а х спиртів гід р ок си льн ої групи атомів О Н і дає зм огу розглядати насичені одноатомні спирти як п о х і д н і г о м о л о г і в м е т а н у , в м о л е к у л а х я к и х о д и н а т о м Г і д р о г е н у з а м і щ е н и й на г і д р о к с и л ь н у г р упу.

Отже, мож емо записати загальн у ф ор м улу спиртів: К — ОН. Напівструктурні ф орм ули етан олу та пропанолу мають такий вигляд:

сн 3 —сн 2 —

ОН

і

сн 3 — сн 2 — сн2 — он

Із р о згля н у т и х ф ормул видно, що одновалентний радикал порівняно з відповідним насиченим вуглеводнем має на один атом Гідрогену менше. Т о ж за га льн у ф ор м улу насичених одно­ атомних спиртів можемо записати так: Гідроксильна группа — це ф ун кц іон альн а група спиртів, що визначає характерні (ф у н к ц іо н а ль н і) властивості речовин гом ологічн ого ряду насичених одноатомних спиртів. Г р у п и а т о м ів , щ о в х о д я т ь д о с к л а д у м о л е к у л у с іх п редставників одного г о м о л о г іч н о г о ряду і ви зн ачаю ть ї х с п іл ь н і в л а с т и в о с т і, н а з и в а ю т ь ф у н к ц іо н а л ь н и м и групами.

У р о згл я н у т и х ф орм улах до ск ла д у м о л е к у л спиртів вхо­ дить одна гідроксильна група. Звідси й походж ення назви — о дн о а т о м н і с п и р т и . Проте існують спирти з двома та більш е гідроксильними групами в молекулі. їх загальна назва — б а г а т о ­ а т о м н і с п и р т и . Представником багатоатомних спиртів є г л іц е ­ рин (г л іц е р �� л ) С 3 Н 8 0 3. Він належ ить до трьохатомних спиртів, тому що до складу м о ле к у ли входять три гідроксильні групи: Н

І

н — с — О— н

СН 2 — ОН

І Н— С — О — Н

І

н — с — о —н

І

.а б о

сн — он І

сн2 — он

І

н З наведених ф ормул видно, що гідрокси льн і групи розм і­ щені по одній б іл я кож ного атома Карбону і можна написати ф ор м улу як С 3 Н 5 (О Н )я. Відомі вам глю коза, цукор, о л ія , оцтова кислота теж н але­ ж ать до ок с и ге н о в м іс н и х речовин. З в ласного досвіду ви знаєте, н аск ільк и це різні речовини. Ч о м у ? П ри чи н ою є те, що крім різної к іл ь к о с т і атомів Карбону в м о л е к у л а х та різних х ім іч н и х зв’ язків м іж ними, до ск лад у цих речовин входять різні ф ун кц іон альн і групи, до того ж їх може бути в одній м о л е к у л і к ільк а . Ф із и ч н і в ла ст и в о ст і м е т а н о л у , е т а н о л у , г л іц е р и н у . Н а ­ явність гід р ок си льн ої групи позначається на за га ль н и х влас­ тивостях спиртів. Так, серед спиртів відсутні газуваті речови­ ни. Перш і представники го м о ло гіч н и х рядів одноатомних та багатоатомних спиртів — рідини, спирти з б іль ш и м вмістом атомів Карбону в м о л е к у л і — тверді речовини. Відсутність у спиртів газуватого агрегатного стану пояснюється наявністю між їх м о л е к у л а м и водневого зв’ язку. ▲ П о в т о р и в ш и § 3. с. 2 0 — 22. п р и г а д а й т е , я к и й .ів’я . ю к н а з и ­ вається водневим і як він утворюється.

М е т а н о л — л е г к о к и п л я ч а безбарвна рідина (температура ки п ін н я +6 4 ,5 °С) зі специф ічним запахом , л е г ш и й за воду, з м іш у ється з нею у б у д ь -я к и х сп іввідн ош ен н ях. М е т а н о л н а д з в и ч а й н о о т р у й н и й ! П о т р а п л я н н я в організм лю д и н и навіть к іл ь к о х к р а п ель ц іє ї речовини призводить до т я ж к о г о о труєння всього о р га н ізм у , 1 0 — 2 0 мл — до п а р а ліч у зорового нерва та н ев и лік о в н о ї с л іп о т и , а 3 0 — 50 м л м ож уть с п р и ч и н и ­ ти навіть смерть. 150

Етанол за фізичними властивостями в усьому схожий з мета­ нолом, проте має дещо вищу температуру кипіння ( + 78,4 °С). Етанол, як і метанол, не ли ш е здатний розчинятися у будьякій к ількості води, а й сам є розчинником багатьох органіч­ них сполук. Згубна дія етанолу на організм людини. Ц е отруйна речовина, що згубно впливає на організм лю ди н и і виявляє наркотичну дію, тобто викликає залеж ність, що призводить до захворю ­ вання на а лк о го лізм (у давнину спирти називали а л к о г о я я м и ) . Етанол руйнує нервову систему, робить організм вразливим до серц ево-суди н н и х захворю вань, сп ричиню є захворю вання органів травлення, порушує пам ’ ять. К оли людина вперше виявила етанол, а б у ло це за к ільк а століть до наших днів у Стародавньому Єгипті, ніхто й гадки не мав, що ця речовина буде «ч у м о ю X X с т о л іт т я ♦ і стане найпоширенішим наркотиком. П о т я г до спиртних напоїв при частому і надмірному їх вж и ­ ванні розвивається досить швидко і важко піддається л ік у в а н ­ ню. Боротися зі згубною пристрастю до спиртного пробували у багатьох країнах світу, в том у числі й у нашій державі, вводя­ чи суворі заборони на виробництво, продаж та споживання а л к о го л ь н и х напоїв. Та це не давало очікуваних результатів. Надмірне вживання а л к о г о л ь н и х напоїв виявилося доволі складною соціальною проблемою, для подолання я к о ї лю дина особисто мусить прийняти рішення про відмову від їх вживан­ ня, виявити с и л у волі, погоджуватися на л ік ув а н н я від а л к о ­ гольної залеж ності. Г л іц е р и н . На п р и к л а д і ц іє ї речовини ви маєте зм о гу п ереконатися, як зм ін и у к іл ь к іс н о м у ск л а д і речовин сп р и ­ чинюють їх якісні зміни. Так, гліцерин — це безбарвна, в’ язка, сиропоподібна, без за п а ху, важча за воду і неотруйна рідина, що має зд атн ість п огли н а ти в о л о гу з повітря та утрим увати її. О тж е, з б іл ь ш е н н я к іл ь к о с т і гід р о к с и л ь н и х груп у м о л е ­ к у л і г л іц е р и н у с т а ло причиною появи нових властивостей сполуки. С Т О Р ІН К А П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А Завдання. Збагатіть свої знання про застосування спиртів. Д л я цього ознайомтеся з текстом етикеток, що є на продуктах побутової хімії, ли с тк а х-в к ла дк а х д о лікарських пр епа ратів, косм етичних засобів, написами на етикетках склянок з лікувальними настоянками і запишіть у зошит, які з них містять у своєму складі спирти.

П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И

.

• П рикладом оксигеновміснпх органічних сполук є спирти. Спирти можна розглядати як похідні вуглеводнів, у м о л е к у ­ л а х яки х один чи к ільк а атомів Гідрогену заміщ ені на одну чи кілька одновалентних гідроксильних груп ОН. • Гідроксильна група ОН дістала назву ф у н к ц і о н а л ь н о ї г р упи с п и р т і в . Вона є обов’ язковою у складі м олек ул спиртів і зумовлю є їх с п ільн і властивості. • Ч и с л о гідроксильних груп у м о л е к у л і спирту визначає його а т о м н і с т ь . Спирти, в м о л е к у л а х я к и х міститься одна гідроксильна група, називаються о д н о а т о м н и м и , б іль ш е однієї — б а г а т о а т о м н и м и . • Метанол С Н 3ОН та етанол С 2 Н -ОН — представники одно­ атомних насичених спиртів, оск ільк и їх м о ле к у ли ск лад а­ ються із за л и ш к у насиченого вуглеводню, що дістав з а га л ь ­ ну назву в у г л е в о д н е в и й р а д и к а л , іі однієї гідроксильної групи. • Гліцерин, або гліцерол С 3 Н 5 (О Н ) 3 — представник багатоатом­ них спиртів, оскільки у його м олекулі вуглеводневий радикал насиченого вуглеводню сполучений з трьома гідроксильними групами, що містяться біля різних атомів Карбону. • Метанол та етанол — д у ж е отруйні й небезпечні для здо­ ров’ я лю дини речовини у разі їх внутрішнього вживання.

ш

С Т О Р ІН К А Е Р У Д И Т А

З біології вам відомо, яке значення має жовч д л я нормального обміну речовин в організмі лю дини. О дним із компонентів жовчі є холестерин, або х о ле с те р о л. У другій назві наявність суфікса - о л невипадкова, оскільки ця речовина належ и ть д о о дн о а то м н и х спиртів. Х о ле сте р о л в організмі лю дини і тварин є реагентом, з якого утворю ються біологічно важливі речовини. Оскільки на їх утворення холестерол витрачається неповністю, то з часом він відкладається на стінках кровоносних судин і призводить д о захворювання на а те р о ­ склероз або спричиняє жовчнокам'яну хворобу. Щ об уникнути цих захворювань, лікарі радять не палити, не вживати спиртних напоїв, збільш ити в раціоні вміст продуктів, багатих на вітаміни, уникати стресових ситуацій. Прикладом насиченого ш естиатом ного спирту є сорбіт, ф ормула якого С 6Н 8(О Н )6. Його ще називають цукром д л я діабетиків. Якісний склад цього сп ирту однаковий з якісним складом глюкози, ф орм ула якої С 6Н ) 2 0 6. Кількісний скла д відрізняється числом атомів Гідрогену. Відмінним є також розташування атомів Оксигену в молекулі: у сорбіті всі 6 атомів Оксигену перебуваю ть у складі гідроксильних груп, 152.

а у глюкозі лиш е 5 атомів Оксигену входять до груп ОН, а шостий є складовою іншої функціональної групи: альдегідної —

С

Н Ця, здавалося б, незначна відмінність у будові молекул відіграє важливу роль в обміні речовин у лю дей, хворих на діабет. Через не­ достатнє вироблення підшлунковою залозою ферменту інсуліну роз­ щеплення глюкози в організмі утруднюється, а це призводить д о підвищення вмісту цієї речовини у крові. Перевірити це можна, зро­ бивши спеціальний аналіз крові. Тому люди із захворюванням на діабет замість цукру вживають сорбіт. ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. З а п и ш іт ь м о л е к у л я р н і , е л е к т р о н н і та с т р у к т у р н і ф о р м у л и м е ­ т а н о л у , е т а н о л у , г л іц е р и н у . О б ч и с л іт ь , у я к ій із с п о л у к масова ча ст­ ка О к с и г е н у н а й б іл ьш а . 2. С х а р а к т е р и з у й т е ф ізи чн і властивості ви вчени х вами спиртів. Завдяки я к и м з них спирти з н а х о д я т ь пр актичне з астосув анн я? 3. Ч и м небезпечне вж иван ня напоїв, що м іс тя ть ета н о л ? 4 * . С п р обу й те п о ясн и ти , чом у спирти м аю ть в и щ у т е м п е р а ту р у к и п ін н я , ніж рідкі за зв и ч а й н и х умов від повідні в угл ев од н і з о д н а к о ­ вою к іл ь к іс т ю атомів К а р б о н у в м о л е к у л і. 5 *. С к ор и с та в ш и сь з н а н н я м и з х і м і ї і б іо л о г ії л ю д и н и , а т а к о ж д о ­ д атк овим и від ом о стям и з ін ф ор м а ц ій н и х д ж е р е л , зокр ем а м ереж і Інтернет, о б г р у н т у й т е о с о б л и в у н ебезп еку вж иван ня с п и р т н и х напоїв у ю н а ц ьк о м у віці та п ід го т у й т е реферат чи к о м п ’ ю терну пр езен тац ію а н т и а л к о г о л ь н о ї пропаганди серед учнів.

§ 27 Хімічні власти вості та застосування спиртів Спирти належать до хімічно активних органічних сполук, що вступають у різні типи хім ічних реакцій. Переконаємося в цьому, виконавши деякі досліди. Д о с л і д 1. Взаємодія етанолу з натрієм. Н аллєм о у пробірку 2 мл етанолу й помістимо в неї невеликий, завбільшки з сірни­ кову головку, шматочок натрію (мал. 50, а). Спостерігається активна взаємодія спирту з натрієм, що супроводжується виділенням безбарвної газуватої речовини. Зберемо газ, що виділяється, у пробірку, тримаючи її догори дном (мал. 50, в), та піднесемо до отвору пробірки запалений сірник (мал. 50, г) . Чутно характерний для згоряння водню звук. К ількісним дослідом, описаним у рубриці «Сторінка ерудита*, встановле­ но, що атоми Натрію заміщують лиш е атоми Гідрогену гідро­ ксильних груп: 2С 2 Н дО - Н * 2 ^ - » 2С2 Н Г)0 - N3 - І І 2Т 153

«

У

" 1

в

1

Мал. 50. Взаємодія етанолу з натрієм: а — пробірка з етанолом і натрієм; б — лійка; « — пробірка для зби­ рання водню; г — перевірка наявності водню запаленою скіпкою

Утворена складна речовина має назву н а тр і й е т а н о л я т . Д о с л і д 2. Взаємодія гліцерину з натрієм. Проведемо дослід, аналогічний попередньому, але з гліцерином. Р езультат буде подібним — атоми Натрію замістять атоми Гідрогену в гідро­ ксильних групах, внаслідок чого утворяться складна речови­ на, що має назву на трі й г л і к о л я т , та водень: Н Н — С— О— Н 2Н — С — О — Н + Н — С — О— Н

СН 2 — О — N 8 6

^

2СН — О — N 8

+ ЗН 2

СН 2 — О — N 8

Н ▲ Зр о бі т ь в и с н о в о к , до я к о г о т и п у х і м і ч н и х реакцій н а ле ­ ж и т ь в з а є м о д і я с п и р т і в із натрієм.

Хоча обидві реакції проведені в однакових умовах, етанол взаємодіє з натрієм активніше, ніж із гліцерином. Д о с л і д 3. Повне окиснення етанолу. Етанол — легк озай ­ миста речовина. Переконаємося в цьому дослідним ш ляхом . Візьмемо ватну к у ль к у діаметром приблизно 3 см, змочимо її водою так, щоб уся к ульк а була зволожена, але вода з неї не капала і розмістимо на фарфоровій чашці (м ал. 51). П ісля цього змочимо вату 0,5 мл етанолу та піднесемо запалений 154

сірник. Спирт відразу ж загоряється й горить яскравим блакитним п о л у м ’ ям. С 2 Н5ОН +

зо2 -> 2 С 0

2

+

зн2о

Горіння припиняється, як тільки весь спирт повністю окисниться. Ця реакція, як і всі реакції горіння, екзотермічна. П ід час д ослід у вата не загорілася, бо теплота, що ви ділялась, витратилася на нагрівання та випарову_ „ __ _ Мал. з і . Горіння вання„ „води. к „ „ етанолу Використання етанолу. Здатність ета­ нолу бути добрим розчинником неорганічних та органічних сполук знаходить практичне використання у фармацевтичній промисловості, виробництві парфумів, лаків, фарб та розчин­ ників, що використовуються для видалення фарби й інших забруднювачів з тканин. Згубною дією етанолу на живі організми користуються в ме­ дицині для дезінфекції. З цією метою, коли готуються зробити укол або взяти кров на аналіз, шкіру протирають ватою, змоче­ ною в етанолі. Її ще деякий час тримають на місці уколу. Ці та інші приклади застосування етанолу відображено на малюнку 52.

М а л . 52. З а с то с у в а н н я е т а н о л у

155

Застосування гліцерину (мал. 53). Здатність гліцерину по­ глинати вологу використовують у парфумерії для виготовлен­ ня мазей, зволож увальних кремів, під час виробництва мила тощо. Д л я пом’ якшення пряжі й шкіри у промислових масш­ табах теж використовують гліцерин. Із гліцерину добувають нітрогліцерин — речовину, що вибухає навіть при легком у натисканні. Цю дуже вибухонебезпечну речовину використо­ вують для виготовлення динаміту — вибухівки, що є не­ замінною при прокладанні тунелів, доріг у горах. П ігу лк и з вмістом нітрогліцерину чи спиртовий розчин цієї речовини використовують як лік и для людей із серцевими захворюван­ нями.

М ол. 53. Схема застосування гліцерину

Метанол використовують у хімічній промисловості як сиро­ вину для виробництва інших речовин — різних полімерів, роз­ чинників для лаків і фарб тощо. — ^

С Т О Р ІН К А П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А

Лабораторний д о с л ід 8. Досліди з гліцерином: розчинність гліцерину у воді, взаємодія з купрум(ІІ) гідроксидом. Виконання цього лабораторного до сліду допоможе вам краще вивчити властивості гліцерину, продовжити формування експеримен­ тальних умінь, навчитися розпізнавати гліцерин серед інших сполук. О б л а д н а н н я т а р е ч о в и н и : гліцерин, вода, розчини купрум(ІІ) сульфату і лугу, пробірки і мірний посуд, скляна паличка для перемішування речовин. Завдання 1. Дослідіть розчинність гліцерину у воді. Скориставшись мірним посудом, відміряйте 1 мл води і помістіть у пробірку. Д о неї додайте відміряний таким же чином 1 мл гліцерину та перемішайте речовини. Чи розчинився гліцерин у воді? 156

Д о утвореної суміші гліцерину й води додайте ще 1 мл гліцерину і перемішайте речовини. Спостерігайте, чи розчинився гліцерин цього разу. Зробіть висновок про розчинність гліцерину у воді. Завдання 2. Проведіть якісну реакцію на гліцерин.

Гліцерин та інші багатоатомні спирти можна розпізнати за допомогою якісної реакції, яка полягає у взаємодії багато­ атом ного спирту із свіжодобутим о с а д о м купрум(ІІ) гідроксиду. Д ля проведення якісної реакції на гліцерин у пробірку налийте 2 мл розчину лугу і д о нього додай те кілька крапель розчину купрум(ІІ) сульфату. Ви побачите, що утворився блакитний осад. ▲ Запишіть у зошиті м олекулярне та йонне рівняння цієї реакції і ско­ ристайтеся таблицею розчинності, щ об переконатися, що в осад випадає Си(ОН)2. Д о утвореного осаду до да й те краплями гліцерин і суміш п е ­ ремішайте. О са д розчиниться, натомість утвориться розчин інтенсив­ но синього кольору. ▲ Сф орм улю йте та запишіть у зош иті висновок про те, як можна д о ­ вести наявність багатоатомних спиртів у розчині. .______ П ІД ІБ 'Є М О П ІД С УМ К И ._________ • У хімічному відношенні спирти — активні речовини, що

взаємодіють з різними реагентами, в тому числі й луж ним и металами, киснем. • Х арактерні хім ічн і властивості спиртів зум овлен і на­ явністю функціональної гідроксильної групи ОН, а також загальною властивістю багатьох органічних сполук вступа­ ти з киснем у реакцію повного окиснення (горіння). • Спирти — цінна сировина для виробництва багатьох речовин. • Щ о б розпізнати гліцерин, проводять якісну реакцію зі свіжодобутим осадом к у п р у м (ІІ) гідроксиду блакитного кольору. За наявності гліцерину осад розчиняється, а роз­ чин набуває інтенсивно синього кольору. С Т О Р ІН К А Е Р У Д И Т А

^

У тексті параграфа сказано про те, що завдяки проведенню хімічного експерименту було підтверджено структурну будову етано­ лу і наявність у його молекулі однієї гідроксильної групи. Розглянемо хід проведення цього експерименту. На малюнку 54 зображено прилад, у якому проводиться взаємодія натрію з етанолом. Д ля проведення експерименту потрібно у прилад (мал. 54, а) помістити натрій та етанол. Коли взяти 0,05 моль, або 2,3 г етанолу і 0,05 моль, або 1.15 г натрію, а весь водень, що виділяється

, 157.,

н2о

с 2н5он щ

в б

£

М а л . 54. П р и л а д д л я встан овленн я с т р у к т у р н о ї буд ови е т а н о л у

внаслідок бурхливої реакції цих речовин (н.у.), пропустити через двогорлу посудину (мал. 54, б), сполучену з мірним циліндром (мал. 54, в), то об’єм води, витісненої воднем у циліндр, становитиме 0,56 л. Обчислимо, який о б ’єм водню виділиться з 1 моль спирту, склавши таку пропорцію: 0,05 моль : 1 моль = 0,56 л : х п .

Аналізуючи дві можливі структурні формули для молекули складу С 2Н 60 . робимо висновок, що якби спирт мав структурну формулу С Н 3 — О — С Н 3, то з 1 моль спирту виділялося б 3 моль водню, адже всі 6 атомів Гідрогену в цій формулі рівноцінні. Але розрахунки свідчать про те, що з 1 моль спирту виділяється 11,2 л, або 0,5 моль водню. Таким чином, з 1 моль спирту виділяється 1 моль атомів Гідро­ гену. Отже, структурною формулою спирту є формула, у якій один атом Гідрогену відрізняється від реш ти атомів цього хімічного елемента тим, що він сполучений з карбоновим ланцюгом не безпо­ середньо, а через атом Оксигену: С Н 3 — С Н 2 — ОН. Кількісні до сліди на встановлення формул сполук є доси ть пош и­ реними в органічній хімії. П Е Р Е В ІР Т Е С В О Ї' З Н А Н Н Я 1. Схарактеризуйте відомі вам хімічні властивості спиртів і пр оілю ст­ руйте їх записом рівнянь х ім іч н и х реакцій на прикладі метанолу. 2. Н а п и ш іт ь р івн ян н я р е а к ц ії горіння п р о п а н о л у С.,НтО Н та о б ­ ч и с л іт ь , я к и й о б ’ см кисню ( н . у . ) потрібн ий д л я сп илю ван ня сп ир ту масою 90 г. 3. За д о п о м о го ю я к о ї я к іс н о ї реак ц ії можна виявити г л іц е р и н ? 4. В п с л о в іт ь с у д ж е н н я про з н а ч ен н я сп и р тів у с у с п іл ь н о м у го с п о ­ дарстві. побуті, м едици ні.

158

5. У я к о г о із с п и р т ів — м е т а н о л у чи г л і ц е р и н у — масова частка О к с и г е н у б іл ь ш а ? 6. Ч и в и ст а ч и т ь н а т р ію м а с о ю 9,2 г, щ о б із д о с т а т н ь о ї к іл ь к о с т і е т а н о л у в и т іс н и т и водень о б ’ є м о м 2,24 л ( н . у . ) ? 7 * . Я к д о с л ід н и м ш л я х о м р о зп ізн а т и р о зч и н и е т а н о л у , г л і ц е р и н у , сульф атної кислоти?

§ 28

Оцтов а к и с л о т а , ї ї с к л а д та в ла с ти во с ті

П оняття про карбоксильну групу. Оцтова (історична назва), або етанова (сучасна назва), кислота, як і спирти, належ ить до о к с и г е н о в м і с н и х о р г а н і ч н и х с п о л у к і є представником го м о л о г іч н о г о ряду н а си ч ен и х од н о о сн о в н и х к а р б о н о в и х кислот. С клад м о л е к у л цих речовин передає загальна формула К — СООН, у якій літерою К позначено, як і в насичених одноатомних спиртів, радикал насиченого вуглеводню (за винятком метанової кислоти, де замість радикала є атом Гідро­ ген у ). О дновалентна група атомів — СООН д іста ла назву к арбокси льн ої групи. К а р б о к с и л ь н а груп а — це ф у н к ц іо н а л ь н а група органічних сполук, щ о маю ть за га л ь н у назву к а р б о н о в і кислоти.

М о л е к у л а оцтової (етанової) кислоти складається з радика­ ла СН.} — та карбоксильної групи. Ї ї склад передається м о л е к у ­ лярною ф орм улою СН.}СООН, а структурна формула така:

7

^

Н— с — с І \ Н он ▲ С к л а д і т ь е л е к т р о н н у фо рмулу с т а н о в о ї к и с л о т и с а м о ­ стійно.

Те, що оцтова кислота належ ить до одноосновних насиче­ них карбонових к ислот, означає, що в ї ї м о л е к у л і м іж атомами Карбону наявний ли ш е одинарний з в ’ язок, а назва е т а н о в а підкреслює, що м о ле к у ла кислоти, як і м о лек у ла етану, має 2 атоми Карбону — один входить до складу карбоксильної гр у ­ пи, другий міститься в радикалі. Тобто радикал має на один атом Карбону менше, ніж відповідний насичений вуглеводень. А П о м і р к у й т е і н а п и ш і т ь формулу п р о п а н о в о ї к и с л о т и . З назв етанова та пропанова кислота неважко зрозуміти, що назви кислот утворені з двох слів — н а з в и в і д п о в і д н о г о н а ­ с и ч е н о г о в у г л е в о д н ю з д о д а н и м су фі ксо м -ов- та с ло ва к и с л о т а .

159

Ф ізи ч н і властивості оцтової кислоти. Оцтова кислота — безбарвна рідина з різким запахом, добре розчинна у воді. Оцет, якиіі ми використовуємо в побуті, — це її розбавленні! розчин. Розчин оцтової кислоти відомий лю дині з глибокої давнини. Концентровану оцтову кислоту у 1537 р. вперше добув німецький учений 'Геофраст Парацельс. Х ім іч н і властивості оцтової кислоти. Я к вам відомо, неор­ ганічні кислоти дисоціюють на катіон Гідрогену та аніон кис­ лотного зали ш к у. А на які йони дисоціює і чи дисоціює взагалі оцтова кислота? З її структурної формули видно, що в м о л е к у л і наявні і гідроксильна група (у складі карбоксильної групи), і 3 атоми Гідрогену в складі вуглеводневого радикала. М ож на передба­ чити, що у водному середовищі дисоціація відбуватиметься з утворенням гідроксид-аніона О Н - , а можна прогнозувати по­ яву катіонів Гідрогену Н *. ▲ З д о б у д ь т е в і д п о в і д ь на п о с т а в л е н е а п оп ере дн ьо му аб.шці з а п и т а н н я , в и к о н а в ш и л а б о р а т о р н и й д о с л і д .9 .і р у б р ик и « С т о р і н к а п р и р о д о д о с л і д и ика *. 1. Е лектроліти чн а дисоціація оцтової кислоти. Лабор атор ­ ний дослід свідчить, що оцтова кислота, подібно до розчинних неорганічних кислот, дисоціює з утворенням к ислого середо­ вища. І знову виникає запитання: с к іл ь к и катіонів Гідрогену утворюється та з яких саме атомів Гідрогену — тих, що у вуг­ леводневому радикалі, чи того, що у ф ункціональній групі? Д ослідж ен н я вчених показали, що катіон Гідрогену відщ еп­ лю ється від гідроксильної групи. Запишемо рівняння е лек тр о­ л іти ч н о ї дисоціації оцтової кислоти: С Н 3 - СООН

СН3 - СОО' + Н '

З в е р н іт ь у ва гу: п ід час д и с о ц іа ц ії цієі, а т а к о ж ін ш и х к а р б о н о в и х к и с л о т першим, з а п и с у ю т ь а н і о н к и с л о т н о г о за л иш к у, д р у г и м — катіон Г ід р о ге н у .

Оцтова кислота є слабким електролітом і виявляє загальні властивості кислот щодо взаємодії з металами, лугам и , солями. 2. В за єм од ія о ц т о в о ї к и с л о т и з м е т а л а м и . М е т а л и , розміщені у витискувальному ряді до водню, витісняють його з оцтової кислоти, наприклад: 2СН 3 - СООН - М г — (С Н 3 СОО) 2 М£ + Н 2Т Магній стаиоат Утворену с іл ь називають м а г н і й е т а н о а т (історична на­ зва — а ц ет а т м а г н і ю ) . Я к і в назвах солей неорганічних кислот (наприклад, сульфат, нітрат), корінь із назви кислоти і суфікс •ат після нього зберігаються. ,160

▲ В и к о н а й т е з а в д а н н я і л а б о р а т о р н о г о досліді/ 10, щ о д а с т ь ва м з м о г у з а к р і п и т и з н а н н я про в л а с т и в і с т ь спій поп ої к и с л о т и іі з а с м о д і я т и з м е т и л а м и .

3. Взаємодія оцтової кислоти :$ основами. Оцтова кислота вступає в реакцію нейтралізації з основами та утворює с іл ь і воду, наприклад: СН., - СООН » КОН ^ СН.}СООК Н 2() Калііі ртаноат А В и к о н а й т е з а в д а н н я 2 л а б о р а т о р н о г о досліді/ 10 та п ереко п и й т е с я в цій в л а с т и в о с т і .

4. Взаємодія оцтової кислоти із соля м и . Оцтова кислота взаємодіє із солям и с ла б к іш и х за неї кислот, наприклад карбо­ натами, силікатами: 2С Н 3 - СООН + №

28

іО;{ -» 2СИ;, - СООіЧа ♦ Н 2 8 іО;|і

▲ П р о д у к т и р е и к ц і ї н а з в і т ь си м п с т і й н о . В и к о н а й т е з а в д а н н я 3 л а б о р а т о р н о г о досліді/ 10 та переко ч а й т е с я у з д а т н о с т і е т а н о в о ї к и с л о т и в з а є м о д і я т и із со л ям и. 5. Взаємодія оцтової кислоти зі спиртами. Оцтова кислота за слабкого нагрівання та наявності концентрованої с ульф а т­ ної кислоти як каталізатора і водопоглпнаю чої речовини всту­ пає в реакцію зі спиртами: у р у-----------СН 3 — С — ОН + ЦО — С 2 Н 5

/, И230, ----- ►

---- ► с н :, — С — о — С2Н5 - н2о Органічнії сп олука, щ о утворилася в цій реакції, належ ить до класу оксигенов.місних с п о лу к естерів, представниками яки х є також ж и р и . Р о згл я н у т а реакція належ ить до каталітичних та оборотних реакцій, її прискорює та допомагає зміщ увати рівновагу в бік прямої реакції концентрована сульфатна кислота. А П о м і р к у й т е , я к и м ч ино м к о н ц е н т р о в а н а к и с л о т и з а б е з п е ­ чуй з м і щ е н н я р і в н о в а г и в б і к у т в о р е н н я п р о д у к т і в р е и к ц і ї .

Особливістю цієї реакції є те. що в утворенні води бере участь не гідроксильна група спирту, тобто його ф у н к ц іо н а ль­ на група, а гідроксильна група кислоти. Етанова кислота в реакціях виявляє також певні хімічні властивості завдяки вуглеводневому радикалу. З ними ви ознайомитесь у старшій ш к олі.

аіір://5Щ(піурй[ж. исог. ги

іб .і

Застосування оцтової кислоти. За обсягами виробництва і застосуванням їй належ и ть першість серед карбоновнх кислот. Розчин етанової кислоти використовують як смакову п р и п р а ­ ву та консервант продуктів харчування. Консервувальна дія полягає у тому, що к исле середовище пригнічує розвиток гн и льн и х бактерій і пліснявих грибів. У промисловості етано­ ва кислота використовується д ля виробництва ш тучних в оло­ кон, естерів, які знаходять застосування у медицині, а також д ля виготовлення лак ів і фарб. СТОРІНКА П Р И Р О Д О Д О С Л І Д Н И К А Лабораторний д о сл ід 9. Дія оцтової кислоти на індикатори. Завдання. В ипробуйте дію розчину оцтової кислоти на індикатори луж ного та кислого середовищ . Д л я цього налийте у 2 пробірки по 1 мл розчину оцтової кислоти та д о д а й те в одну пробірку кілька кра­ пель ф енолф талеїну, а в іншу — лакмусу чи м етилового оранжевого. Щ о спостерігаєте? На підставі здо бутих результатів зробіть висновок, чи можна етанову кислоту, в молекулі якої наявна гідроксильна група, вважати органічною основою. Лабораторний д о с л і д 10. Взаємодія оцтової кислоти з м е т а л а ­

ми, лугами, солями. Завдання 1. Проведіть реакцію між оцтовою кислотою та цинком. Д л я цього у пробірку покладіть 1 гранулу цинку та налийте близько 2 мл розчину оцтової кислоти. Стеж те за змінами, що відбуваються у пробірці. Трохи підігрійте пробірку з наявними у ній речовинами. Чи вдалося вам вплинути на ш видкість хімічної реакції? Ре зультати сп остер еж ення та м о лек улярне рівняння реакції запишіть у робочому зошиті. Завдання 2. Проведіть реакцію між оцтовою кислотою і натрій гідроксидом . Д л я цього налийте у пробірку близько 1 мл лугу, д о д а й ­ те д о нього кілька крапель ф енолф талеїну. Як змінився колір розчину в пробірці і чому? Д о вмісту пробірки до ли в ай те малими порціями розчин оцтової кислоти, доки розчин не стане безбарвним. Поясніть, яка хімічна реакція відбулася та які продукти реакції утворилися. Результати спостереж ення та м олекулярне і йонні хімічні рівняння реакції запишіть у робочому зошиті. Завдання 3. Проведіть реакцію між оцтовою кислотою і натрій кар­ бонатом. Д л я цього налийте у пробірку близько 1 мл розчину натрій карбонату та д о ли й те стільки само розчину етанової кислоти. Що спостерігаєте? Результати спостереж ення та м олекулярне і йонні хімічні рівняння проведених реакцій запишіть у робочому зошиті.

Чи підтверджують результати виконаних вами дослідів зазначені у тексті параграф а власти во сті етанової к и сло ти ? С ф о р м улю й те загальний висновок про хімічні властивості цієї органічної сполуки. ^______ П ІД ІБ 'Є М О П І Д С У М К И _____________________________________

• Оцтова (етанова) кислота — типовий представник карбоно­ вих кислот. Т а к у загальну назву мають органічні кислоти. • Ф о р м у ла етанової кислоти С Н 3 СООН. Її м олек ула с к л а ­ дається з вуглеводневого радикала С Н 3— і ф ункціональної к а р б о к с и л ь н о ї г рупи карбонових кислот — СООН. • Етанова к ислота виявляє за га л ь н і властивості к ислот: дисоціює на катіон Гідрогену Н~ та аніон кислотного за л и ш ­ ку С Н 3 СОО~, діє на індикатори, взаємодіє з металами, осно­ вами, солям и сла б к іш и х кислот. Вона реагує також зі спиртами.

т

СТОРІНКА ЕРУДИТА

Нині відомо понад 300 карбонових кислот, молекули яких різняться за складом вуглеводневого радикала та кількістю функціональних груп. Так, поширеною у природі є метанова, або мурашина, кислота Н С О О Н . Вона має таку структурну формулу:

н - с '° \

ОН

Саме її дію ми відчуваємо при укусах мурашок чи коли нас жалить кропива. А Порівняйте склад м олекул м етанової та етанової ки слот і зробіть висновок, чи належать вони д о одного гом ологічного ряду. К ислий присмак щавлю надає щавлева кислота. її молекула ціка­ ва тим. що не містить вуглеводневого радикала, а утворилася з двох карбоксильних груп: Н О О С — С О О Н . Усі молочнокислі продукти (кефір, ряжанка, йогурт тощ о) містять мол��чну кислоту. М олекула цієї речовини містить дві функціональні групи — гідроксильну та карбоксильну:

С Н 3 — СН — СООН

І он Ця кислота є серед продуктів окиснення речовин у м'язах лю дини. Вам знайомий стан, коли після напруженої фізичної праці чи три ва ло ­ го бігу болять м'язи (з часом біль минає). Його спричинює накопичен­ ня у м'язових клітинах надлиш ку молочної кислоти.

У плодах яблук, винограду, малини міститься яблучна кислота. її особливість полягає в тому, що молекула має дві карбоксильні групи та одну гідроксильну:

н оос — сн — СН2— СООН І он Лимонам надає смак лимонна кислота. її вміст у них досягає 10 % . Структурна формула цієї сполуки така:

СООН І НООС — сн2 — с — СН2— СООН І ОН ПЕРЕВІ РТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Нл:шіті> ф у н к ц і о н а л ь н у г р у п у к а р б о н о в и х к и с л о т , н а в е д іть п р и к л а д и ф о р м у л с п о л у к , д о с к л а д у я к и х в ход и ть ця ф у н к ц іо н а л ь н а група. 2. С к л а д іт ь е л е к т р о н н у та с т р у к т у р н у ф о р м у л и ста н о в о ї (о ц т о в о ї) к и с л о т и . С х а р а к т е р и з у й т е ф із и ч н і властив ості ц іє ї с п о л у к и . 'і. П р о і л ю с т р у й т е х ім іч н і властивості с т а н о в о ї к и с л о т и р ів н я н н я ­ ми х ім іч н и х р е а к ц ій , я к и х п о б у л о наведено у т ек ст і параграфа. 4. О б ч и с л іт ь масу та об'*:м водню ( н . у . ) , яким в и д іл и т ь с я в н а с л і­ док взаєм од ії р о зч и н у ст а н о в о ї к и с л о т и м асою 50 г з м асовою ч а с т к о ю р о зч и н е н о ї речовини 12 ’Ч. і д о с т а т н ь о ї к і л ь к о с т і ц и н к у . 5. Я к в и л и н е на стан х і м і ч н о ї рівноваги р е а к ц ії ета н о в о ї к и с л о т и з е т а н о л о м у в ед ен н я д о д а т к о в о ї к іл ь к о с т і о д н о го з п р о д у к т ів р е а к ц ії? в * . Водень, щ о утворився вн аслідок повної взаємодії р о зч и н у ста н о­ вої ки слоти масок» (500 г і м агн ію , без з а л и ш к у прореагував із киснем о б ’ гм ом 22,4 л ( н .у .). О б ч и с л іт ь м асову частку к и с л о т и в розчині.

§ 29

Експ ер им ентальне до с л ід ж е н н я в л а с ти в о с те й о цтової кислоти. Практична робота 4

У 8 класі ви з ’ ясували значення експериментального методу д о слід ж ен н я в х ім ії, а під час виконання лабораторн и х дослідів і практичних робіт набували вмінь застосовувати його самостійно. Розглянутий у попередньому параграфі матеріал про склад, будову та властивості етанової кислоти дає змогу кожному з вас продовжити формування експериментальних умінь, ви­ явити самостійність у плануванні експерименту та його прове­ денні, висунути гіпотези та завдяки експ ери м ен тальн ом у 164

методу довести їх достовірність. Д л я цього вам необхідно ознайомитися зі змістом завдань практичної роботи 4 із рубри­ ки «Сторінка природодослідника'» та здійснити хімічний ек с­ перимент.

СІ

С Т О Р ІН К А П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А

Практична робота 4. Властивості оцтової кислоти. Завдання 1. Дослідним шляхом виявіть оцтову кислоту в пробірці без етикетки, якщо в двох інших пробірках, що теж не мають етикеток, містяться розчин натрій гідроксиду та вода. Завдання 2. Д ослідіть, з яким металом — магнієм чи міддю — відбуватиметься взаємодія оцтової кислоти. Завдання 3. З ’ясуйте, що є якісною реакцією на солі оцтової кисло­ ти, які перебувають у розчині. Д л я цього проведіть повну нейтралізацію оцтової кислоти лугом (використовуйте індикатори, щ об переконатися в цьому). Напишіть рівняння реакції та з'ясуйте, яка сіль утворилася, після чого до дай те 2— 3 краплі розчину ферум(ІІІ) хлориду. За результатами сп остер е­ ження зробіть висновок щ одо якісного доведення наявності солей оцтової кислоти в розчині. Завдання 4. Експериментальним шляхом встановіть, чи взаємодіє оцтова кислота з нерозчинною основою кулрум(ІІ) гідроксидом. Д л я проведення до сліду використовуйте свіжовиготовлений осад основи. Завдання 5. Здійсніть перетворення за схемою: С Н 3СО О М а - » С Н 3С О О Н - » С 0 2 - » С а С 0 3 Завдання 6". Запропонуйте експеримент, за допомогою якого можна перевірити, яка з кислот — карбонатна чи хлоридна — є сильнішим електролітом, ніж оцтова кислота. Хід та результати виконання експерименту по кожному із завдань опишіть у зошитах д ля практичних робіт. Зробіть загальний висновок щ одо використання експериментального м етоду в хімії і зокрема д л я вивчення властивостей оцтової кислоти. С Т О Р ІН К А Е Р У Д И Т А

^

Солі етанової кислоти можна виявити в розчині за допомогою якісної реакції з розчином ферум(ІІІ) хлориду. Так, якщо д о без­ барвного розчину натрій етаноату до дати розчин ферум(ІІІ) хлориду з масовою часткою солі 1 % , що має ле дь жовтий колір, то розчин набу­ де ж овто-червоного забарвлення внаслідок утворення ф е р у м ( І І І ) етаноату. Нагріванням утвореної суміші речовин до кипіння, дістаю ть червоно-бурий о сад нерозчинної у воді основної солі Р еО Н (СН 3С О О )2, а розчин стає безбарвним. 165

§ ЗО П он я ття про вищі карбонові к и с ло ти та жири Характеризуючи етанову кислоту як насичену одноосновну карбонову кислоту, слід зазначити, що за однією з к ла си ­ фікацій вона належ ить до нижчих карбонових кислот. Так називають органічні кислоти з невеликою кількістю атомів Карбону в м олек улі. Вищі карбонові к и сло ти . К и с ло т и , у м о л е к у л а х яких міститься 10 і б іль ш е атомів Карбону, дістали назву вищих карбонових кислот. Поширеними у природі є вищі карбонові кислоти, що містять від 10 до 22 атомів Карбону. Ч и сло атомів Карбону у м о лек у ла х вищих карбонових кислот, як правило, парне, а карбоновий лан ц ю г нерозгалужений. Вищі карбонові кислоти бувають н а с и ч е н і та н е н ис и че ні . тобто перші у вуглеводневому радикалі мають ли ш е одинарні зв’ язки, тоді як у радикалах других між атомами Карбо­ ну існують подвійні зв’ язки. Радикали ненасиченнх кислот найчастіше містять від одного до трьох подвійних зв ’ язків. Прикладом в и щ и х н а с и че н и х к а р бо н о ви х кислот є пальмітинова і стеаринова кислоти. М о л е к у л а пальмітинової кислоти містить 16 атомів Карбо­ ну, 15 з яких перебувають у складі радикала, а один — у карбоксильнії! групі. Її хімічна формула С , 5 Н 3 1 СООН. Карбо­ новий лан ц ю г нерозгалужений, тому можемо записати таку напівструктурну формулу: СН., — (С Н 2) , , — СООН У м о л е к у л і стеаринової кислоти порівняно з п альм ітино­ вою на два атоми Карбону більш е, тому її хімічна формула С , 7 Н.,5 СООІ1, або СНа — (С Н 2) 1б — СООН. За фізичними властивостями це тверді, білого кольору, не­ розчинні у воді, але розчинні в органічних розчинниках, жирні на дотик речовини. Із суміші цих кислот виготовлені стеаринові свічки. Вінці карбонові кислоти — дуж е слабкі електроліти, проте вступають у реакцію нейтралізації з лугам и (в розчині): С , . Н 31СООН + МаОН — С , - Н 3 ] С О О ^ + Н 20 с І 7 н 33с о о н * КОН ^ с 1 7 н 35с о о к + н 2о Утворені внаслідок нейтралізації натрієві та калієві солі, на відміну від самих кислот, добре розчинні у воді, мильні на д о ­ тик, виявляють мийну дію і є основною складовою мила: натрієві солі — твердого, калієві — рідкого. Олеїнова кислота С , 7 Н а;1СООН належить до вищих иен аси ч е н и х к а р б о н о в и х кислот. М олек ула цієї сполуки подібно до 166

кислоти н алічує 18 атомів Карбону. Проте по­ середині карбон-карбонового лан ц ю га м іж 9 та 10 атомами Карбону є подвійний зв ’ язок:

стеаринової

СІЇ., - (С Н 2 ) 7 - СН = СН - (СІ І 2) 7СООН Ч е р е з н а я в н іс т ь у р а д и к а л і п о д в ій н о го з в ’ я з к у о л е їн о в а та ін ш і нен аси чен і к арбонові к и с л о т и в и я в л я ю т ь х ім іч н і в ласти в ості не л и ш е к а р б о н о в и х к и с л о т , а й н ен а си ч ен и х в у г л е в о д н ів . Т а к , о л е їн о в а к и с л о т а (у в и г л я д і в о д н о -сп и р т о ­ вого р о з ч и н у ) зн е б а р в л ю є б р о м н у воду та к а л ій п е р м а н га ­ нат. П а льм іти н ов а , стеаринова, олеїнова та інш і вищі карбонові кислоти — досить поширені у природі, щоправда не у в ільн ом у стані, а в складі жирів. С к л а д ж ирів, ї х ут в о р е н н я . Вивчаю чи оцтову к и с л о т у , ви ознайомилися з естерами — о к с и ге н о в м іс н и м и о р га н іч н и м и с п о л у к а м и , що у т в о р ю ю т ь с я в н а с л ід о к в з а є м о д і ї к а р б о н о ­ в и х к и с л о т т и с п и р т і в . За з а г а л ь н о ю н а зв о ю д о б у т и х

о р га н іч н и х с п о л у к р еа к ц ія ї х у тв о р ен н я д іс т а л а назву р е ­ а к ц ії е с т е р и ф ік а ц ії. ▲ П о в т о р іт ь , за я к и х умов цю р еак ц ію зд ій с н ю ю т ь в л абора­ то р і ї .

У непереверш ених природних х ім іч н и х л а б о р а то р ія х — ж ивих організм ах — реагентами р еак ц ії естериф ікації є г л іц е ­ рин (трьохатом ний спирт г л іц е р о л ) і вищі карбонові к и с л о ­ ти — пальмітинова, стеаринова, олеїнова та деякі інш і. Есте­ ри, я кі утворю ю ться при цьом у, д істали за га л ь н у назву жири. Ж и р и — це естери тр ь о х а т о м н о го спирту г л іц е р и н у та ви­ щ и х к ар бон ов и х кислот. С к ла д ж ирів можна передати такою загальн ою ф орм улою :

СН2— О— с — к, 1 СН —П о — с — к2

І

сн2— о — с — К Л Т р и в а л и й час вчені не м о гл и відтворити реа к ц ію е сте­ р иф ікації у лабораторних умовах. Вперше це вдалося зд ій сн и ­ ти ф р ан ц узьк ом у вченому І Г є р у Б ертло в 1854 році. Р о з г л я н е м о на прикладі гліц е р и н у та стеаринової кислоти схем у утворення жиру: .

167

,-------- \

'у ''

СН2— О Н + НО;— С — С,7Нзз і

!

1

/ °

СІІ — ОН+ НО1— с — С,7Н;Г> — І

і

:

СН2— О Н + НО;— С — СІ7Н 35

С Н ,— О — С — С,7Н:,Г> І

/ °

СН ��� О— С — СІ7Н;,г, + зн.,о І

СН2— о — С — С,7Н за Тр исте ар ат

Ж и р и у природі. Від свійських тварин лю дина одерж ує жири тваринного походж ення (свинячий, я лови чи й , бараня­ чий, вершкове масло тощ о), з о л ій н и х к у л ь т у р — жири рос­ л и н н о го походж ення (соняш никова, к ук ур уд зя н а , маслинова о л ії та ін.). З ж иттєвого досвіду вам відомо, що перелічені ж и ­ ри тваринного походж ення — це тверді речовини, тоді як рос­ л и н н о го — рідини ( їх називають о л ія м и ). Р о с л и н н і жири відрізняю ться від тваринних тим, що їх утворю ю ть з д е б іл ь ш о ­ го ненаспчені вищі карбонові к ислоти, зокрема олеїнова. Р о з гл я н е м о , як утворюється естер т р и о л е а т з гліц е р и н у та олеїн ов ої кислоти: I ---------^/ ° СН2— ОН + НО;— С — С17Н 33 І 1

' .

' 1

^

І

і

:

^ °

СН — О Н + Н О ' — с — С,7Нзч —-

СН2— ОН+ НО;— С — С,7Нзз

#у ° СН2— О — С — С,7Нзз

І 1

/ °

СН — О — С — С17Нчз + ЗН.,0

І

с н 2— о — с — с І7н 33 Тр и о ле а т

Н а я в н іс т ь у м о л е к у л а х естерів р о с л и н н о го п о ход ж ен н я подвійних з в ’ язків зум ов лю є ї х здатність до окиснення киснем повітря. Т о м у о л ія швидше, ніж см а лец ь (твердий ж ир, у м о л е ­ к у л а х якого немає подвійних зв’ я зк ів ), псується, гіркне. Щ е швидше за о л ію псується вершкове масло — ж ир тваринного п оходж ення, до ск л а д у м о л е к у л якого входять з а ли ш к и не л и ­ ше ви щ и х карбонових кислот, а й бутанової, або м асляної, к и с ­ лоти С 3 Н 7СООН — представника н и ж ч и х карбонових кислот, що доволі ш видко окисню ється. Ц іл к о м очевидно, що немає потреби н алагодж увати про­ мислові способи добування жирів ш л я х о м проведення реакції естериф ікації, том у щ о «п риродні ла б о р а то р ії» успіш но справ­ ля ю ться з цим завданням. П р ом и слов ість потребує значної к іль к о ст і ж ирів д л я того, щоб добувати з них гліц ери н та вищі 168

карбонові кислоти (їх ще називають жирними кислотами), а також д ля виробництва харчового продукту — м а р га р ин у . Г ід р оліз та гідрування жирів. Я к зазначалося на с. 70, х і ­ мічну реакцію обміну між водою і різними складними речови­ нами (солям и , естерами тощ о) називають гідролізом (від грец. Нусіог — вода, Іуяі.ч — розкладання). Ж и р и внаслідок гідролізу розкладаються на гліцерин та вищі карбонові кислоти, яких може бути не одна, а к ільк а (з а ­ леж н о від того, залиш ки ск іл ь к о х кислот входили до складу жиру):

СН2— О—С — С17Н;,3 І

сн — о — с — с 17н г, + зн2о І

сн2— о —с — с І7н35 сн2— он І

сн — ОН + С17Н3:}СООН + 2С17Н35СООН сн2— он Проведення гідролізу ж иру за наявності л у г у дає змогу д о ­ бувати не ли ш е гліцерин, а іі натрієві чи калієві солі вищих карбонових кислот, тобто мило: С І 7 Н 33СООН + МаОН -> С 1 7 Н з;}С О О Ш + Н 20

с17н35соон ■+кон -»с 17н3'г>соок +‘ н2о В оборотній реакції гідролізу жирів л у г використовують для того, щоб зміщувати рівновагу в бік утворення гліцерину та жирних кислот. Кислоти, що утворюються, відразу ж реагу­ ють з лугом , тому продуктами цієї реакції є гліцерин та мило. Так добувають м ило з натуральної сировини. Виробництво 1 т о л ії є значно дешевшим, ніж виробництво 1 т тваринного жиру. Щ о б збільш ити кільк ість твердих жирів і при цьому не вдаватися до збільш ення поголів’ я тварин, рідкі жири піддають гідрогенізації ( п р и г а д а й т е , що т и к у н а з в у мас р е ак ц і я п р и є д н а н н я в о д н ю ) , внаслідок чого рідкі жири пере­ творюються на тверді. Ц ю реакцію здійснюють у спеціальних установках, де водень під тиском пропускають крізь нагріту суміш о л ії і порошкоподібного нікелю як каталізатора:

/ °

/ °

сн2—

С ІІ 2 — О — С — С 17Нзз 1

ж.,

О —

с

— С 1 7 Н ;|5

1

сн — о — с — с,7нг, + зн2 ----► с н — о —с — сІ7н,5 І

сн2— о — с — с17н33 Триолеат

І

сн2— о —с — с|7н35 Тристеарат

Таким способом із олій , що значно дешевші, добувають д о ­ даткові к іл ь к о с т і д о р о ж ч и х твердих ж ирів. Утворена внаслідок гідрогенізації тверда маса називається саломасом. Її очищають від нік елю і використовують у виробництві мила, маргарину та деяких інш их речовин. Ц і та інші галузі застосу­ вання жирів показано на м алю нку 55. Біологічна р оль жирів. У ж ивих клітинах жири виконують к ілька важ ливих функцій. По-перше, е н е р г е т и ч н у . При роз­ щ епленні й окисненні ж ирів вивільнюється удвічі б іль ш е енергії порівняно з білкам и та вуглеводами. По-друге, жири добрі т е п л о і з о л я т о р и — підшкірний шар ж иру рятує багатьох тварин від замерзання взимку. По-третє, харчові жири т р а н с ­ п о р т у ю т ь ж иророзчинні вітаміни. По-четверте, жири не­ обхідні для с и н т е з у г о р м о н і в , що беруть участь у проведенні

М а л . 55. П р и к л а д и п р о д у к ц ії, в и г о т о в л е н о ї з ж и р ів

— 1.7:Р,

нервових імпульсів. І якщ о організм лю дини не отримує на­ л е ж н о ї кількості жирів, то це загрожує порушенню роботи нервової системи, знижує імунітет. Н езваж аю чи на ж иттєво важ ливі ф у н к ц ії ж ирів, с л ід пам’ ятати, що їх надмірне вживання небажане, оскільки жири відкладаються «про запас», через це спочатку збільш ую ться маса та розміри тіла, а згодом настає розлад в обміні речовин.

А I I р и г а д а і л т е з о с н о в з д о р о в ' я та б і о л о г і ї л ю д и н и . я к р о з р а х о ­ в у є т ь с я доб ова норма х а р ч у в а н н я та о б ч и с л і т ь , я к и м мас б у т и в а ш е добове с п о ж и в а н н я ж и р і в .

С ТО Р ІН К А П Р И Р О Д О Д О С Л ІД Н И К А Завдання. Д о с лід іть властивості жирів, виявіть їх у насінні. О б л а д н а н н я т а р е ч о в и н и : твердий жир (наприклад, см а­ ле ц ь ) та рідкий жир (наприклад, соняшникова олія), вода, ядро во­ лоського горіха та очищене насіння соняшнику, слабкий розчин мар­ ганцівки, невеликий аркуш паперу (краще ф ільтрувального), пластм а­ сові або скляні стакани, невелика керамічна чи металева посудина, яку можна поставити в каструлю, на третину наповнену водою, щоб нагріти вміст посудини на «водяній бані» (так називають нагрівання не на прямому вогні, а від тепла нагрітої води; у цей спосіб часто готую ть відвари лікарських трав). Д ослід 1. З 'ясуйте, більша чи менша за 1 г/см3 густина жирів та яка їх розчинність у воді. Д л я цього самостійно розробіть план до слідж е н ­ ня та проведіть за ним експеримент. Дослід 2. Переконайтеся, що насіння соняшнику та волоського горіха багате на олію. Д ля цього загорніть у папір кілька насінин соняшнику, вивільнених від шкаралупи, та розітріть їх качалкою д л я тіста чи подрібніть молотком. Після цього розгорніть папір і подивіться, чи залишилася на ньому жирна пляма. Д о слід повторіть з ядром волоського горіха. Д ослід 3. Доведіть, що тверді жири — легкоплавкі речовини з тем ­ пературою плавлення менше 100 °С. Д л я цього помістіть твердий жир у невелику керамічну чи металеву посудину і нагрійте його на водяній бані. Д о слід 4. Д оведіть ненасичений характер соняшниково» олії. Д л я проведення досліду використайте 1— 2 мл олії і стільки ж розчину калій перманганату (марганцівки). Як змінився колір розчину марганцівки після доливання його до олії та перемішування? Про що це свідчить? _______П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И _____________________

• Вищі карбонові кислоти — це кислоти, м олек ули яких містять понад 10 атомів Карбону. • Ж и р и є естерами гліц ер и н у і вищих карбонових кислот, зокрема, насичених п а л ь м і т и н о в о ї С,-Н.,|СООН і с т е а р и ­ н о в о ї С, 7 Н Ч5СООН та ненасиченої о л е ї н о в о ї С, -Н.,;іСООН. . 171.

• За агрегатним станом жири бувають тверді — до їх складу вхо­ дять вищі насичені карбонові кислоти і рідкі, або о л ії — до їх складу входять вищі ненаспчені карбонові кислоти. Ж ири тва­ ринного походження переважно тверді, а рослинного — рідкі. • Т и п о в о ю реакцією ж ирів є г ід р о л із (обм ін н а х ім іч н а реакція з водою), внаслідок як ої утворюються гліцерин і вищі карбонові кислоти. • Рідкі жири перетворюються на тверді завдяки реакції гідру­ вання — приєднання Гідрогену за місцем розриву подвій­ них карбон-карбонових зв’ язків. • Біологічна роль жирів настільки важлива, що вони є обов’ я з ­ ковим компонентом збалансованого харчування людини. СТОРІНКА ЕРУДИТА

^

У природі утворюються не лиш е жири, а й інші естери. Поширеними є естери одноатомних спиртів та нижчих карбонових кислот. Ці естери* надають плодам аромат, за яким ніколи не сплутати грушу з яблуком, ананас з вишнею тощо. Так, наприклад, естер, утворений з етанової кислоти й одного з ізомерів пентанолу, має запах груші, естер, утворе­ ний з бутанової кислоти й бутанолу, — прозора рідина із запахом ана­ наса. Вони застосовуються у харчовій промисловості у вигляді грушової та ананасової есенцій д л я ароматизації напоїв, цукерок тощо. Бдж олиний віск — це суміш естерів вищих карбонових кислот і ви­ щих одноатомних спиртів, серед яких переважає естер пальмітинової кислоти і насиченого одноатом ного мірицилового спирту С 3 1 Н63ОН. Олія волоських горіхів відрізняється високим вмістом лінолевої С , 7Н3,С О О Н і ліноленової С 17Н 29С О О Н ненасиченнх вищих карбоно­ вих кислот. У радикалі лінолевої кислоти є два подвійних зв'язки, а в радикалі ліноленової — три. Ці сполуки забезпечують нормальний ріст і розвиток організму, нормалізують еластичність судин, обмін хо­ ле сте р и н у, попередж аю ть розвиток а те р о ск ле р о зу й ожиріння печінки. Із них синтезуються ф ерм енти, які регулю ю ть кров'яний тиск і скорочення м ’язів. ПЕРЕ В�� РТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Н а зв і ть ф о р м у л и в і д о м и х вам вищих к а рб он о ви х к и с л о т . У ч о ­ м у п о л я г а є в і д мі н ні с т ь м і ж н а с и ч е н им и п нсміаспченими в и щ и м и ка р б он о ви м и к и с л о т а м и та я к ї х р о зп і зн а т и ? 2. Д о я к о г о к л а с у о р г а н і ч н и х с п о л у к н а л е ж а т ь ж и р и та з я к и х р е ­ човин вони у т в о р ю ю т ь с я ? 3. Н а п и ш і т ь р і в н я н ня р е а к ц і ї е с т е р и ф і к а ц і ї м і ж г л і ц е р и н о м і п а л ь м і т и н о в о ю к и с л о т о ю к і л ь к і с т ю ре чов ини 1 м о л ь та с т е ар и н о в о ю к и с л о т о ю к і л ь к і с т ю р еч ови ни 2 м о л ь . 4. З я к о ю м е то ю з д і й с н ю ю т ь г і д р о л і з твер д их ж и р і в та гі др у ва нн я о л і ї ? В і дп ов і д ь с у п р о в о д ж у й т е з ап ис о м рі в ня н ь х і м і ч н и х р е ак ці й.

-17.2.

5. О б ч и с л і т ь м ас у о л е ї н о в о ї к и с л о т и та о б ’ єм п о дшо ( н . у . ) , н е ­ о б х і д н и х д л я д о б у н а н н н с т е а р ин о в о ї к и с л о т и м а с о ю 28.1 г . 6 * . Я к а маса ж и р у т р н с т е а р а т у та р о з ч и н у натрім г і д р о к с и д у з м а ­ с о в о ю ч а с т к о ю р о з ч и н е н о ї р е чо в и ни 2-1 в и т р а ч а є ть с я на д о б у в а н н я г л і ц е р и н у к і л ь к і с т ю ре ч овими 20 0 м о л ь ?

§ 31

В у гл е в о д и : глю коза, сахароза, крохм аль, ц е л ю л о з а

В углеводи (сахар и д и ) є доволі поширеним у природі класом речовин, що за якісним складом н алеж и ть до окснгеновмісних органічних сп о лук . У переважної більш ості вуглеводів відно­ шення числа атомів Карбону, Гідрогену іі О ксигену відповідає формулі СГ|( Н 2 0 ) /;І, де п та т м ож уть збігатися або не збігатися за значенням. ▲ Зяажсіючи на к о л и ш н ю н а з в у Карбоні/ ( в у гл е ц ь ) . .{робіть в и ­ с н о в о к про п о х о д ж е н н я н а з в и цього к л а с у о р г а н і ч н и х с п о л у к .

К ласиф ікація вуглеводів. Вуглеводи класифікують на три групи: моносахариди, дисахариди, полісахариди (м а л. 56). До моносахаридів відносять вуглеводи, що не вступають в реакцію гідролізу ( м о н о означає один). Дисахариди під час гідролізу роз­ кладаються на м олекули двох моносахаридів ( д и означає два). П о ліса х а р и д и гід р о л ізу ю т ь с я , утворюючи значну к іл ь к іс т ь м олекул моносахаридів. Представником моносахаридів є г лю к о. іа С(}Н ,.,0 (;, ди са ха ­ ридів — с а х а р о з а (ц у к о р ) полісахаридів — кр их м а л ь і ц е л ю л о з а , я к і м а ю ть од н а к ов у з а г а л ь н у ф о р м у л у (С 6 Н 1 0 О.-)П, а л е різну будову стр ук тур н ої лан к и .

М а л . 56. К л а с и ф і к а ц і я в у г л е в о д і в

Окремі представники вуглеводів, ї х ф ізичні властивості і поширення у природі. Моносахарид глю к о за СвН , 2 0 (; — біла кристалічна, солодка на смак і добре розчинна у воді речовина. Вона входить до с к ла д у к л іт и н н о го соку рослин. О с о б л и в о б а ­ гаті на гл ю к о з у плоди винограду (звідси іі друга назва цієї р е­ човини — в и н о г р а д н и й ц у к о р ) , великий вміст глю кози в меду. 173

нектарі квітів. Глю коза — обов’ язковий компонент крові та лімф и. Сахароза ( б у р я к о в и й ц у к о р . т р о с т и н н и й ц у к о р ) С ^ Н ^ О п має фізичні властивості, схож і з ф ізичними властивостями глю к ози , і є найпош иреніш им дисахаридом у природі. Висо­ кий вміст сахарози мають коренеплоди цукрового б у р я к у (від 16 до 27 % ) та стебла цукрової тростини (до 25 '%>). Сахароза — це продукт харчування і сировина для кондитерської, консерв­ ної, молочної, хлібопекарської промисловості. Тож потреба у цін речовині значно більш а, ніж у моносахаридах, її виробництво здііісню ю ть на цукрових заводах. Загальна схема виробництва цукру. Хоча цукор добували з цукрової тростини та споживали в їж у здавна, виробництво цукру із цукрового буряку розпочали ли ш е у X V I I I столітті. К л і ­ матичні умови У країни доволі сприятливі д ля вирощування цієї рослини. Так, в урожайні роки збирають бли зьк о 500 центнерів коренеплодів з 1 гектара. Незважаючи на закриття частини ц у к ­ рових заводів, станом на 2006 рік в Україні д ія ли 119 цукрових заводів, що виробляли бли зьк о 2 , 6 млн тони цукру. Основу виробництва ц ук р у становлять не х ім іч н і, а фізичні явища, тобто на цукрових заводах цю органічну с п о л у к у д о б у­ вають із природної сировини — цукрових бур як ів чи цукрової тростини ф ізичними методами. Р о згл я н е м о схем у виробниц­ тва ц ук р у із цукрового б у р я к у (м а л. 57). Спочатку очищені від ґрунту і помиті коренеплоди цукрового буряку подрібнюють та багаторазово промивають гарячою водою (температура близько 80 °С) у спеціальних чанах, що мають наз­ ву дифузори. Добутий розчин містить, крім сахарози, чимало іншнх речовин, що також розчинилися у воді. Том у подальшим у виробництві цукру є процес обробки розчину вапняним м оло­ ком (водною суспензією кальцій гідроксиду). Розчинені речови­ ни взаємодіють з ним, утворюючи нерозчинні сполуки, що випа­ дають в осад. Сахароза теж взаємодіє з кальцій гідроксидом, але утворена сполука — кальцій сахарат — перебуває у розчиненому стані навіть у холодній воді. Цей розчин відокремлюють від оса­ ду та піддають обробці вуглекислим газом. Внаслідок взаємодії кальцій сахарату з вуглекислим газом утворюється нерозчинний кальцій карбонат та сахароза. Осад кальцій карбонату відокрем­ лю ю ть фільтрацією. Ф ільтрат, до складу якого входить цукор, після додаткового очищення (зокрема, вибілювання с у льф у р (ІУ ) оксидом) випарюють у вакуумі до кашоподібної маси, з якої у центрифузі добувають кристали сахарози. Добута сахароза має жовтуватий к олір. Ц е цукор-сирець. Й ого продовжують рафінувати (оч и щ ати ) і добувають готову до вживання продукцію. -ла к

п

Цукровий буряк

Подрібнювач Сік буряків Фільтр Додавання вапна

Додавання СО?

Випарювання розчину Кристали цукру

С

Мал. 57. Схема виробництва цукру Ін к о л и цукор називають «со ло д к о ю с м ер т ю ». Ц е, звичайно, перебільш ення, однак надмірне вживання цукру чи інш их солодощ ів небезпечне д л я організму зб ільш ен н я м вмісту г л ю ­ кози у крові (сахароза у процесі обм ін у речовин р о зщ еп лю єть­ ся з утворенням двох моносахаридів, один з яки х — глю коза). Д оки підш лункова залоза виробляє достатню к іл ь к іс т ь фер­ менту інсуліні/, організм справляється з «у т и л із а ц іє ю * над­ л и ш к у глю кози . Однак, якщ о ц укру споживати забагато, а ін с у л ін у в організмі вироблятиметься недостатньо, то є ризик захворювання на ц у к р о в и и д іа бе т. П о л іс а х а р и д и . Із полісахаридів найпош иреніш ими є к р о х ­ м а л ь і ц е л ю л о з а . Це природні полімери, склад я к и х передаєть­ ся однією загальною ф орм улою (С 6 Н , ()0 5)п. На к р о х м а л ь багаті бульби картоплі, зерна злакови х рослин. Із ц елю лози утворені оболонки к л іт и н , вона є своєрідним скелетом рослин, надає їх тканинам механічну міцність. Т о м у целю лоза становить осно­ ву стовбурів дерев (50 % і б іл ь ш е ), рослинних волокон. Понад 90 % вмісту коробочок рослини бавовнику припадає на ц е л ю ­ л о з у . В ели ки м є вміст ц елю лози у стеблах к онопель, тому наші предки здавна вирощ ували коноплі, а потім :кі спеціальною

М і і . і . оН. Схема Гіуловп крохмалю та целюлози: а. б — л і н і й н і ї та розгалужена молекули крохмалю: « — лініі'ші молекули целюлози

т е х н о ло гіє ю о б р о б ля ли їх та виготовляли пряж у, а вже з неї ш или полотнянпіі одяг, вітрила кораблів тощо. Невдовзі після завезення з американського континенту кар­ топ лі ( X I X с т о л іт т я ) українці навчилися виділяти з неї к р о х ­ м аль та вживати його в їж у у вигляді м олочн и х чи фруктових киселів, застосовувати д ля підкрохмалю вання тканин (п ід к р о ­ хмалена тканина не л и ш е цупкіш а, а й краще захищ ена від гли бок ого проникнення в неї бруду, її л е г ш е прати). Порівняння порош ку крохм алю і вати, яка майже на 98 % складається з целю лози , переконливо доводить, що це різні речовини, хоча вони мають однакову за га льн у ф орм улу. Чим .зумовлена ї х в ід м ін н іст ь ? П о-п ер ш е, ступ ен ем п о л ім е р и ­ зації — у ц елю лози він значно вищип. Т о м у відносна м о л е к у ­ ляр н а маса ц елю лози значно більш а. По-друге, просторовою будовою структурної ланки. По-третє, будовою п о лім ер н о го ла н ц ю га — у ц е л ю л о зи він л и ш е л ін ій н и й , тоді як у к р охм а ­ л ю є дві форми ланцю га — пряма ( 1 0 — 2 0 % м а к р о м о л е к у л ) та розгалуж ена (80 — 90 "А, м а к р о м о л е к у л ). Схематично це зобра­ ж ено на м алю н к у 58. Така будова к рохм алю не дає змоги виготовляти з нього нитки, тоді як целю лоза піддається скручуванню та згинанню. Тобто з неї л е г к о виготовити п ряж у, а з пряжі — тканини. Б іологіч н а р о ль вуглеводів. Вуглеводи — обов’ язкова с к л а ­ дова їж і лю ди н и . Добова потреба організму дорослої лю дини у вуглеводах становить бли зьк о -400— 500 г. На три чверті вона задовольняється за рахунок споживання полісахариду к р о х ­ малю . решта — за рахунок різних моно- і дисахаридів. Н езва­ жаючи на те, що під час повного розщ еплення 1 г глю кози виділяється вдвічі менше енергії, ніж під час розщ еплення 1 г ж ирів, частка вуглеводів у забезпеченні організм у лю дини і тварин енергією найбільш а. Д л я живих організмів глю коза — основне дж ер ело енергії. У окладі крові та лім ф атичної рідини завжди є б л и зь к о 0,1 “л.

ЦЕЛЮЛОЗА КРОХМАЛЬ

Мал. 59. Схема, що ілюструє явище фотосинтезу глю кози . Дисахариди та полісахариди в органах травлення лю дини перетворюються на г л ю к о зу , яка потоком кров�� транс­ портується до кожної клітини тіла, де виконує функцію джерела енергії. Енергія виділяється в результаті окиснення глю к ози , продуктами я к ого є С 0 2 і Н 2 0 . При цьому виділяється енергія ( в середньому 17,5 кД ж на 1 г глю к ози ). Звідки у рослин вуглеводи. Наявності великої кількості г л ю ­ кози, сахарози, крохмалю та целюлози на Землі ми завдячуємо зеленим рослинам. Саме у рослинних організмах з легкодоступ­ них та достатніх у навколишньому середовищі вуглекислого газу і води за участі хлороф ілу на світлі утворюється глюкоза та виділяється життєво необхідний кисень. Подальші перетворення глюкози завершуються утворенням дн- і полісахаридів (мал. 59).

СТОРІНКА П Р И Р О Д О Д О С Л І Д Н И К А Виробництво крохмалю схоже на виробництво цукру. Відмінність полягає лиш е у тому, що воду використовую ть не підігріту, а кімнатної тем ператури, а подрібнену картоплю не обробляю ть вапняним м о ло­ ком і вуглекислим газом. Завдання. Сам остійно розробіть план добування крохмалю з бульб картоплі у домашніх умовах та реалізуйте його практично. О б л а д н а н н я т а р е ч о в и н и : 2 — 3 великі картоплини, те р туш ­ ка, м арля, 2 — 3 миски, вода.

-Щ -

П І Д І В ' Є М О ПІ ДСУМКИ • Вуглеводи — найпош иреніш ий у природі клас оксигеновмісних органічних с п о лу к , представниками я кого є г л ю к о ­ за, сахароза, крохмаль, целюлоза.

• Вуглеводи класи ф ік ую ть на моносахариди, дисахариди і п олісахариди. • П ром ислове добування сахарози полягає у виділенні її з природної сировини за допомогою води з подальш им о ч и ­ щ енням та кристалізацією . • Вуглеводи — основне д ж ер ело ен ер гії д л я лю дини.

Е З І

СТОРІ НКА ЕРУДИТА

У тексті параграф а йш лося про вуглеводи, що синтезую ться р о с ­ линним и організмами. А чи утворю ю ться вуглеводи в організмах інших представників живої п р и р о ди ? В ідпо відь на це запитання ствер дн а. Так, вивчаючи у 8 класі на уроках біології ро зділ «Тва р и н и », ви дізн али ся, що структурним матеріалом зовнішнього скелета ч л е ­ нистоногих, зокрема представників комах і ракоподібних (ж ук а -о ле ня, рака, краба), є хітин. Ця речовина подібна д о целю лози, однак відрізняється від неї тим , що, крім атомів Карбону, Гідроге ну та О к с и ­ гену, структурна ланка цього пр и ро дно го полім еру м істить ще й Нітроген. Гарні різнобарвні та ажурні крила комах також побудовані з хітину. З нього ж складаю ться оболонки клітин грибів. В організмі лю дини глюкоза відкладається «п р о запас» у вигляді глікогену. Ц ей полісахарид має з крохмалем та целю лозою о днако­ ву загальну ф орм улу, проте у нього своя, відмінна від крохмалю, р о з­ галужена будова. Глікоген називають енергетичним резервом тому, що у разі потреби організму, ця сполука під дією ф ерм ентів ро зщ еп­ лю ється д о глюкози. П Е Р Е ВІ Р Т Е С В О Ї ЗНАННЯ 1. О б ч и с л і т ь м а с ов у ч а с т к у К а р б о н у та в ід н о ш е н н я мас е л е м е н т і в у с а х а р о з і. 2. Х в о р и м в в о д я т ь в н у т р іш н ь о в е н н о г л ю к о з у у в и г л я д і во д н о го р о з ч и н у з м а с ов ою ч а с т к о ю р о з ч и н е н о ї р е ч о в и н и 5 % , 10 % , а в о к р е ­ м и х в и п а д к а х і 40 % . Я к у м а с у г л ю к о з и о т р и м у є о р г а н із м х в о р о г о за 10 д н ів л і к у в а н н я , я к щ о щ о д о б и к р а п е л ь н и ц е ю в о р г а н із м в в о д я т ь 200 г р о з ч и н у з м а с о в о ю ч а с т к о ю г л ю к о з и 10 % ? 3. С к л а д і т ь п е р е л ік ф із и ч н и х т а х і м і ч н и х я в и щ , щ о м а ю т ь м іс ц е у в и р о б н и ц тв і ц у к р у . 4. Ч и п о д і л я є т е в и д у м к у , щ о л ю д и н а ж м в е з а в д я к и е н е р г і ї С о н ц я ? В ід п о в ід ь о б ґ р у н т у й т е . 5. О б ч и с л і т ь м а с у ц у к р у , я к и й м о ж н а в и р о б и ти з ц у к р о в и х б у ­ р я к ів , в и р о щ е н и х на д і л я н ц і п л о щ е ю 1 га. за у м о в и , щ о в р о ж а й н іс т ь

178

ц у к р о в о г о б у р я к у ста н о в и ть -100 ц ' г а , а вміст са ха рози у к о р е н е п л о ­ дах д орівню є 20 % . 6 * . Завдання для тіпони пня у малих навчальних групах. С к о р и с ­ тав ш и сь різни м и ін ф ор м а ц ій н и м и д ж е р е л а м и , у ск л а д і м а л и х груп р о з р о б іт ь п р оект на т е м у « П е р е т в о р е н н я в у г л е в о д ів у л а н ц ю г а х ж и в л е н н я * та проілюструйте* свої напрацювання.

§ 32 Хімічні властивості та застосування вуглеводів Щ об схарактеризувати хімічні властивості глюкози, м оле­ кула якої містить 6 атомів Оксигену, чи сахарози, у м олекулі якої вдвічі більш е атомів цього хімічного елемента, треба зна­ ти, до складу яких функціональних груп вони входять, які хім іч н і зв ’ язки м іж атомами Карбону в м о л е к у л а х цих речовин існують. Ви вже знаєте функціональну групу спиртів — гідроксиль­ ну групу — ОН та ф ункціональну групу карбонових кислот —

V

карбоксильну групу — С

х он Ф у н к ц іо н а л ь н і групи глю кози . Виходячи з к ільк існ ого с к ла д у м о л е к у л вуглеводів СГ)Н 1 2 Об і С 1 2 Н 2 2 О и , можна припустити, що в них наявні ці групи. Скориставшись експе­ рим ентальним методом, з ’ ясуємо достовірність такого припущення. Насамперед перевіримо наявність подвійного чи потрійного зв’ язку між атомами Карбону в молекулі глюкози. При доли­ ванні бромної води чи розчину калій перманганату знебарвлення розчинів глюкози не відбувається. Отже, робимо висновок, що всі зв’ язки між атомами Карбону в молекулах глюкози одинарні. Я к вам відомо, розчинні у воді карбонові кислоти дисоцію­ ють з утворенням катіонів Н ‘ , тому їх розчини мають кисле середовище. Випробуємо розчин глюкози індикатором кислого середовища та переконаємося, що зміни кольору не відбуваєть­ ся, а це означає, що катіонів Гідрогену в розчині немає і дово­ дить відсутність у глюкози функціональної групи карбонових кислот — карбоксильної групи. А чи належить глюкоза до багатоатомних спиртів? Щ об дістати відповідь на це запитання, виконайте з а в д а н н я І л а б о ­ р а т о р н о г о д ос л і д у 11 , описаного у рубриці «Сторінка природо­ дослідника* . П ід час виконання цього завдання ви здобули ствердну відповідь — глюкоза є б а г а т о а т о м н и м с п и р т о м : 179

Н

II І

II І

н н І І н — 6С — 5С — 'с — :,с — 2С — 'с ОН

ОН

ОН

ОН

ОН

Із стр ук тур н о ї ф орм ули глю кози видно, що 5 атомів Оксигену входять до складу гідроксильних груп. Шостий атом Оксигену сполучається подвійним зв’ язком з атомом Карбону, розміщеним на початку карбонового ланцюга. У структурній формулі глюкози з ’ явилася нова для вас гру­ па атомів:

яку називають альдегідною групою. Порівняйте її склад з кар­ боксильною групою і ви побачите, що вона містить на 1 атом Оксигену менше, тому можливе її подальше перетворення у карбоксильну групу. Зауважимо, що розглянута структурна формула глюкози дістала назву в і д к р и т о ї ф ор м и , тоді як існують дві циклічні форми глюкози (вони домінують у природі). їх вивчення перед­ бачено у старшій школі, але за власним бажанням ви можете дізнатися про них, скориставшись рекомендованою літерату­ рою (с. 218). Х ім іч н і властивості глюкози. Одну з властивостей г л ю к о ­ зи — її взаємодію як багатоатомного спирту з к у п р у м (ІІ) гідроксидом ви вже р озглянули, виконавши завдання 1 л а б о ­ раторного досліду 1 1 . Якісною реакцією на глю козу як багатоатомний спирт є її взаємодія з к у п р у м (ІІ) гідроксидом. Видимі ознаки цієї взаємодії — зникнення блакитного осаду і поява розчину інтенсивно синього кольору. Іншою характерною хімічною властивістю глюкози є окис­ нення. У цій реа к ц ії бере участь альдегідн а група, яка внаслідок реакції перетворюється на карбоксильну групу. Окиснення глюкози к уп р ум (ІІ) гідроксидом при нагріванні супроводж ується утворенням осаду ц егляно-червоного кольору купрум (І) оксиду Си 2 0 . Ц ю реакцію також використо­ вують для розпізнавання глюкози. Скористайтеся вмістом пробірки після виконання завдання 1 лабораторного досліду 1 1 та проведіть окиснення глюкози за завданням 2. 180

Крім розглянутих хімічних властивосте», глюкоза має й інші властивості. Внаслідок обміну речовин у клітинах орга­ нізмів відбувається повне окиснення глюкози з утворенням води, вуглекислого газу та вивільненням енергії: СвН І 2 Ов 6 0 2 = 6 С 0 2 + 6 Н 2 0 ; А Н = —2870 кДж/моль Хім ічн і властивості інших вуглеводів. Сахароза С 1 2 Н 2 2 О п взаємодіє з купрум(ТІ) гідроксидом подібно до багатоатомних спиртів. При подальшому нагріванні утвореного синього роз­ чину оранжево-жовте забарвлення не з ’ являється. Ц е свідчить про відсутність альдегідної групи у складі м олек ули сахарози і доводить, що сахароза — ли ш е багатоатомний спирт. Загальною властивістю ди- та полісахаридів є гідроліз. Молекула сахарози піддається гідролізу з утворенням двох моносахаридів — глюк оз и та її ізомеру фруктози. Реакція відбу­ вається під час нагрівання за наявності сульфатної кислоти: І. 11.,80, ( 1) С1 2 Н 2 2 ° П + Н 2 ° Крохм аль у гарячій воді перетворюється на крохмальний клейстер — в’ язку однорідну масу, що, як і чистий крохмаль, утворює з йодом органічну сп олук у складної будови темносинього кольору. Під час нагрівання вона руйнується і синє за­ барвлення зникає, а під час охолодження утворюється знову. Перевірте це, виконавши лабораторні досліди 12 і 13. В організмі людини чи тварин за наявності ферментів (таку назву мають каталізатори, які є в живих організмах), а в л а ­ бораторії під час нагрівання к р о х м а л ь н о го к лей стер у за наявності сульфатної кислоти крохмаль гідролізується с т у п і н ­ часто. Спочатку утворюються полімерні м олекули з меншою довжиною карбонового ланцюга, а потім г л ю к о з а — кінцевий продукт гідролізу. Схематично це можна записати так: І. Н.,80 /гС 0 Н І2 Об (2 ) Глюкоза Так само відбувається гідроліз целюлози: Целюлоза

пСвН |2 0о Глюкоза

(3 )

А л е оскільки целюлоза не розчиняється у воді і не утворює, як крохмаль, клейстеру, то її спочатку розчиняють у концент­ рованій сульфатній кислоті, а потім добуту масу розбавляють водою і тривалий час кип’ ятять. Дисахариди та полісахариди під час нагрівання з водою за наявності сульф атної кислоти гідролізую ться з утво­ ренням моносахаридів.

Подібно до всіх спиртів вуглеводи за місцем гідроксильних груп здатні реагувати з кислотами та утворювати естери. Це використовують практично. Застосування вуглеводів. Такі моносахариди, як глюкоза та її ізомер фруктоза, дисахарид сахароза та полісахарид крох­ маль у складі рослинної їж і є цінними компонентами харчу­ вання людини і травоїдних та всеїдних тварин. Борошно, хліб, картопля, крупи належать до основних джерел вуглеводів у нашому харчуванні. Ц елю лоза в організмі лю дини не розщеплюється, а у ш л у н ­ ку ж уйних тварин, зайців, кролів відбувається її гідроліз. Окрім цього, вуглеводи застосовують у медицині, про що вже йшлося раніше. Слід додати, що крохмаль є основним наповню­ вачем пігулок. Прочитайте анотацію до будь-яких ліків у вигляді пігулок і побачите, що вміст лікувальної речовини зазначається у міліграмах, тоді як сама пігулка може важити кілька грамів. Крохм аль застосовують також у паперовій, текстильній, поліграфічній, косметичній та харчовій промисловості. Деревина, що на 50 і більш е відсотків складається з целю ло­ зи, є джерелом тепла і матеріалом для виготовлення різно­ манітних виробів. Гідроліз деревини здійснюють у промислових масштабах з метою добування глюкози, з якої потім виробляють технічний етанол: С6Н 12°6 2С2Н 5О Н * 2 С 0 2Т Глюкозу, добуту за цією схемою із харчових продуктів, вико­ ристовують у виробництві етанолу для фармацевтичної та харчо­ вої промисловості. Здатність целюлози як багатоатомного спир­ ту утворювати з кислотами естери застосовують у виробництві вибухівки, целулоїду, целофану, таких тканин, як ацетатний шовк, віскоза, штапель. Та найбільше целюлози використовує паперова промисловість (мал. 60). Наприклад, сторінки цього підручника виготовлено з офсетного паперу, обкладинку — із картону, вироблених на целюлозно-паперовому комбінаті. ^ 2

СТОРІНКА П Р И Р О Д ОД О СЛ І ДН И КА

Л а б о р а то р н и й д о с л ід

**

11. В заєм одія глюкози з купрум(ІІ)

гідроксидом. О б л а д н а н н я та р е ч о в и н и : 1 мл розчину глю­ кози, 1 мл розчину натрій гідроксиду, кілька крапель розчину купрум(ІІ) сульф ату, пробірка, скляна паличка д л я переміш ування, пробірка з до б уто ю у попередньом у до сліді сумішшю речовин, нагрівальний прилад, тримач для пробірки, вода.

Мал. 60. Застосування целюлози Завдання /.Д ослідним шляхом встановіть, чи належить глюкоза до багатоатомних спиртів. Налийте у пробірку розчину глюкози та долийте туди розчину лугу. До добутої суміші додайте 5—6 крапель купрум(ІІ) сульфату і вміст пробірки струсніть. Спочатку утвориться блакитний осад, який відразу ж розчи­ ниться, а розчин у пробірці стане прозорим та набуде синього кольору. А Д а й те пояснення явищам, що спостерігалися під час виконання цього завдання. Завдання 2. Проведіть окиснення глюкози купрум(ІІ) гідроксидом. Д о до б уто го у попередньому до сліді розчину додайте близько 1 мл води, після чого вміст пробірки нагрійте над полум ’ям, тримаючи пробірку похило та нагріваючи обережно лиш е верхню частину розчи­ ну. Спостерігайте, як нагріта частина синього розчину забарвлюється в жовто-оранжевий колір, а при подальшому нагріванні утворюється цегляно-червоний осад купрум(І) оксиду. Це є відмінною властивістю глюкози від гліцерину, що дає змогу розпізнавати дані речовини. с бн і2 °б + 2 С и (О Н )г —

С 6Н ігО ? + С и гО + 2Н г О

Глюкоза

Глюконова кислота

Лабораторний д о с л ід 12. Віднош ення крохмалю д о води. О б л а д н а н н я та р е ч о в и н и : п о л о в и н а чайної ложки крохмалю, скибка білого хліба, сира картоплина, близько 1 0 мл води кімнатної температури, хімічний стакан, скляна паличка.

183 „

Завдання 1. Д ослідіть розчинність крохмалю у воді кімнатної тем­ ператури. Крохмаль помістіть на дно хімічного стакана, вилийте в нього воду та перемішайте речовини скляною паличкою. Після перемішування за­ лиш те суміш речовин на кілька хвилин. Що спостерігаєте? Про що це свідчить? Завдання 2. Виготовте крохмальний клейстер. Доведіть 50 мл води д о кипіння та обережно вилийте її в суміш речовин, що залиш илася від першого досліду, весь час помішуючи речовини в хімічному стакані. Що спостерігаєте? Вміст стакана збережіть для проведення лабораторного досліду 13. Лабораторний д о с л ід 13. Взаємодія крохмалю з йодом. Завдання 1. Проведіть взаємодію крохмального клейстеру з йодом. Д о виготовленого у попередньому досліді крохмального клейстеру додай те кілька крапель йодної настоянки. Що ви спостерігаєте? Завдання 2. Проведіть взаємодію порошку крохмалю з йодом. Візьміть чверть чайної ложки крохмалю, помістіть на дно прозоро­ го скляного посуду та додайте д о нього кілька крапель йодної насто­ янки. Щ о ви спостерігаєте? З авдання 3. Розробіть план виявлення у білом у хлібі та сирій картоплині крохмалю. За цим планом проведіть до слідж ення. ґ

„______ ПІДІБ’Є М О ПІДСУМКИ. _____________________________ ______

л • Завдяки наявності у м олекулі глюкози гідроксильних груп вона, як і багатоатомні спирти, взаємодіє з к у п р у м (ІІ) гідроксидом. • На відміну від багатоатомних спиртів глюкоза окиснюється к уп р ум (ІІ) гідроксидом. Цим користуються для якісного розпізнавання розчинів глюкози та багатоатомних спиртів. • Реакція гідролізу є характерною для ди- та полісахаридів. ^

СТОРІНКА ЕРУДИТА

Крім глюкози є й інші моносахариди, наприклад фруктоза. Назва пов'язана з тим, що цієї речовини багато у стиглих фруктах. Ще більше її у меду, який наполовину складається з фруктози, що робить його на­ багато солодш им за глюкозу чи сахарозу. Як ви дізналися, молекулярні формули у глюкози та фруктози однакові, тобто С бН 12О е. Спільним д ля будови молекул цих ізомерів є те, що карбоновий ланцюг містить лише одинарні зв’язки і що обидві речовини належать до п'ятиатомних спир­ тів. Відмінність полягає у розташуванні шостого атома Оксигену. У глю­ кози він входить д о складу одновалентної альдегідної групи, яка завж­ д и розміщена в кінці карбонового ланцю га, у ф руктози — до о

II двовалентної кетонної групи — , завдяки чому група завжди розміщена всередині карбонового ланцюга:

ОН

І Н —

І

С —

І

н

ОН

С —

І

н

ОН

он

І С —

І

н

І С —

о

II С —

І

н

он

І С —

Н

І

н

Це структурна формула відкритої форми фруктози. Молекулам фруктози властива і циклічна форма. Д л я фруктози як багатоатомного спирту характерною є реакція з купрум(ІІ) гідроксидом. Проте фруктоза не вступає у реакцію окиснен­ ня з купрум(ІІ) гідроксидом під час нагрівання, що свідчить про відсутність у її молекулі альдегідної групи. Відтепер ви знаєте не лише молекулярні, а й структурні формули речовин, що утворюються внаслідок реакції гідролізу сахарози. ПЕРЕВІРТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Н а звіть відомі вам х ім іч н і властивості г л ю к о з и , сахарози, к р о х ­ м а л ю та ц е л ю л о з и . 2. За д оп о м о го ю я к и х я к існ и х реакцій можна розпізнати гл ю к о з у ? 3. Я к л ю д и н а використовує в у гл ев од и ? Я к і їх властивості при ц ьо м у враховую ть? 4. С к л а д іт ь план ви готовлен н я р о зч и н у г л ю к о з и масою 100 г з масовою чисткою розчи неної речовини 10 ... я к щ о є 200 г розчи ну з масовою часткою ц іє ї речовини 20 % . 5 .* Завдання для виконання у малих навчальних групах. В и к о р и с ­ тавши різні інф орм аційн і д ж е р е л а , дізн ай тесь, яка вартість в и робн и­ цтв»! 1 т г л ю к о з и з деревини. Застосувавш и набуті знання з х ім ії, б іо л о г ії, географ ії, ф ізи ки, о ц ін іт ь значення деревини у природі та господарській д ія л ь н о с т і л ю д и н и .

§ 33

А м ін о к и с л о т и т а б іл к и

На початку теми ви довідалися, що Нітроген належить до еле­ ментів-органогенів. Органічні речовини, молекули яких містять атоми Нітрогену, називають нітрогеновічісними сполуками. Як видно зі схеми 9, це амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти. Схема

9

Класифікація нітрогеновмісних сполук НІтрогеноаміснІ сполуки

Амінокислоти

Білки

Нуклеїнові кислоти

Амінооцтова кислота як представник амінокислот. З м оле­ кулярної формули цієї речовини С 2 Н^>0 2 N можна довідатися

лиш е про її кількісний та якісніш склад, зробити висновок, що це складна нітрогеновмісна органічна сполука. ІІапівструктурна та структурна формули дають змогу уявити порядок сполучення атомів у карбоновому ланцю гу і вказують на наявність двох одновалентних грч'п атомів — карбоксильної — СООН та аміногрупи — ІЧН./ СН 2 — СООН

І Ї^Н2 Амінооцтова кислота

Амінооцтову кислоту можна розглядати як оцтову, у вугле­ водневому радикалі якої один атом Гідрогену заміщений на аміногрупу. Вона є функціональною груп��ю деяких класів органічних сполук, у тому числі й амінокислот. Ф у н к ц іо н а л ь н и м и групами ам ін о оц тов ої кислоти аміногрупа — N 4 2 та карбоксильна група — СООН.

є

Амінооцтова кислота — перший і найпростіший представ­ ник а м і н о к и с л о т . П одовж ую чи карбоновий л а н ц ю г та розміщуючи аміногрупу біля різних атомів Карбону або запи­ суючи кілька аміногруп чи карбоксильних груп, дістанемо формули різних амінокислот. Амінокислоти — це органічні кислоти, у складі м олекул яких є одна чи кілька аміногруп — N 4 2 . У живій природі найбільше значення мають амінокислоти, у яких аміногрупа і карбоксильна група розміщені біля першого після карбоксильної групи атома Карбону. Кислоти з таким розміщенням функціональних груп у молекулі дістали назву альфа-амінокислот (позначається «-амінокислота), наприклад: NН2 N112 « 'С — С Н 3С —и

І н

—« 'с — с^ ° ' І чон н

НдС — н,с

он

а-Амінопропанова кислота

а-Амінобутанова кислота

Ф ізичні властивості амінооцтової кислоти. Це кристалічна, білого кольору, добре розчинна у воді та солодка на смак речо­ вина. На фізичних властивостях цієї сполуки позначився взаємний вплив функціональних груп. Так, амінооцтова кис­ лота краще розчиняється у воді, ніж в органічних розчинни­ ках, мас вищу температуру плавлення порівняно з нижчими карбоновими кислотами. 186

Ам ф отерні властивості амінооцтової кислоти. Здатність карбонових кислот взаємодіяти з лугами за рахунок карбо­ ксильної групи та утворювати солі вам відома. Щ о ж до аміно­ групи, то вона наділена основними властивостями, типовою серед яких с реакція нейтралізації. Завдяки наявності двох різних за хімічним характером функціональних груп амінооцто­ ва та інші амінокислоти взаємодіють і з лугами, і з кислотами. Амінооцтова кислота та інші амінокислоти поєднують у собі властивості і кислоти, і основи, тобто виявляю ть амфотерні властивості. ▲ П р и г а д а й т е .і н е о р г а н і ч н о ї х і м і ї с у т ь а м ф о т е р н о с т і та я к д о с л і д н и м ш л я х о м д о в е с т и а мфо те р ни й х а р а к т е р ц и н к г ід ро кс ид у.

На відміну від амфотерних неорганічних сполук амінокис­ лоти взаємодіють між собою. Р о згля н е м о це на прикладі амінооцтової кислоти: Н

Н

Н — N — С Н 2— ССУОН + Н|— N — С Н 2— СООН —

Н — N — СН 2 — І Н

О

Н

II

І N — С Н 2— СООН + Н 2 0

с—

пептидна група О

Н

_ П _ і_ За рахунок п е п т и д н о ї г рупи ^ N одна м олекула амінокислоти приєдналася до іншої, і при цьому утворилися дипептид і вода. О н і_ За допомогою пептидної групи С N можуть спо­ лучатися не дві, а багато м олек ул різних амінокислот. Ця унікальна властивість амінокислот забезпечила існування у природі найскладніш их і най важ ли віш и х біоп олім ер ів — б і л к і в . Я к і в розглянутііі вище взаємодії двох м олек ул ам іно­ кислоти, процес утворення білк ов и х м акром олекул суп р о ­ воджується утворенням води. Склад і будова білків. М акромолекули білків утворюються у нандовершенішій хімічній лабораторії — клітині організму з «-ам інокислот. Білки різноманітні за складом і властивостями.

_п_

187

Так, білки шерсті, нігтів, рогів, пір'я, шовку — нерозчинні у воді волокна. Білки крові, лімфи та інші — колоїдні розчини. Мономерами б ілк ів є 20 а-амінокислот, що в неоднаковій кількості та різній послідовності сполучаються між собою пептпднимп групами, чим зумовлю ю ть існування великої к іл ь ­ кості різних білкових макромолекул. Розміри м олекул бува­ ють настільки великими, що їх можна побачити в електронний мікроскоп.

Білки — це природні полімери, мономерами яких є а-амінокислоти. Структурні ланки у білковій м олекулі з ’єднані пептидними групами у поліпептидний ланцюг. Є й інша причина різноманітності б ілк ів — чотирнрівнева організація структури білкових м олек ул (мал. 61). П е р в и н н а структура білкових м о лек у л — це послідовність чергування зали ш к ів ам інокислот у м акр ом олек улі б іл к ів (м ал. 61, а). В то р и н н а структура білкових молекул — це форма поліпептидного ланцюга, що може бути ниткоподібною, спіралеподібною (мал. 61, б) та іншої форми. Спіралеподібна форма підтримується завдяки утворенню водневих зв’ язків між пептидними групами, розміщеними на різних витках спіралі. Т р е ти н н а структура білкових молекул — це їх розміщення у просторі, що набуває певної конфігурації (мал. 61, а) завдяки взаємодії різних функціональних груп, які не брали участі в утво­ ренні первинної структури, та підтримці вторинної структури. Ч е т в е р т и н н а структура білкових м о л е к у л — своєрідне поєднання у просторі к ільк ох макром олекул, що дістало назву г лобула (мал. 61, г). Я к щ о такі природні полімери, як крохмаль та целюлоза, ма­ ють приблизну відносну молекулярну масу, тому що ступінь

М а л . 61. С т р у к т у р и б іл к о в и х м о л е к у л :

а — первинна; 6 — вторинна: « — тр е ти н н а : г — четвертинна

188

полімеризації їх молекул буває різним, то молекулярні маси білків чітко визначені. Так, відносна молекулярна маса гемо­ глобіну дорослої людини дорівнює 64 900, оскільки ного молеку­ ла містить 3032 атоми Карбону, 4816 атомів Гідрогену, 780 атомів Нітрогену, 872 атоми Оксигену, 8 атомів Сульфуру та 4 атоми Феруму. Його макромолекули здатні до подальшого сполучення з утворенням вторинної, третинної та четвертинної структур гемо­ глобіну. З ’ ясування будови білків — визначне досягнення хімічної науки. Серед перших учених, хто висловлював думку про утворен­ ня білкових макромолекул із «-амінокислот, був наш співвітчиз­ ник — академік Іван Якович Горбачевськнй (1854 — 1942). Німецький вченим Еміль Герман Ф іш ер у 1902 р. отримав Нобелівську премію за дослідження здатності амінокислот спо­ лучатися між собою та проведення синтезу пептиду із 18 «-а м ін о­ кислот (сполуки з вмістом від 1 0 до 1 0 0 «-ам ін оки слотн и х залишків умовно назвали пептидами, а понад 1 0 0 — білками). Х ім іч н і властивості білків. Найваж ливіш ою хімічною влас­ тивістю білків є гідроліз. У клітинах організмів він відбувається за участю ферментів, більш ість з яких білкового походження. У лабораторних умовах — під час нагрівання білків із с и л ь н и ­ ми кислотами або лугам и . Пептидні зв’ язки руйнуються й утворюються вільні амінокислоти: білок + //Н2 0 —» сум іш а-амінокислот. Г ід р о ліз б іл к а призводить до повної втрати всіх його структур. Другою властивістю білк ів є денатурація (зсідання, втрата природних властивостей). Пригадайте приготування яєчні, сма­ ження м ’ яса чи риби. Це приклади денатурації. Під час денату­ рації первинна структура білкових макромолекул зберігається, але зміни, що відбулися з іншими структурами, — незворотні. Проведемо дослід з денатурації білка. Д л я цього візьмемо білок курячого яйця та виготовимо його колоїдний водний розчин. Наповнимо пробірку цим розчином на третину та нагріємо його. Досить швидко у пробірці відбудуться зміни. Білок зсядеться (денатурує), і прозорий колоїдний водний розчин набуде білуватого забарвлення. Більш ість білків не витримує високого нагрівання. Ось чому під час різних захворювань лю дини температура тіла, що пе­ ревищує 40 градусів, небезпечна для життя. Крім температури денатурацію спричинюють л у ги , сильні кислоти. Д л я якісного визначення б ілк ів користуються к о л ь о р о в и м и реакціями. 189

Ф іо л е т о в е з а б а р в л е н н я к о л о їд н о го розчину б іл к а в результаті д ії свіж овиготовленого к у п р у м (ІІ) гідроксиду та жовте забарвлення внаслідок д ії на б іло к концентрова­ ної нітратної кислоти — кольорові реакції білків. Проведіть досліди, описані у рубриці «Сторінка природо­ д о с л ід н и к а », та опануйте вміннями проводити р озглян уті кольорові реакції білків. СТОРІНКА П Р И Р О Д О Д ОС Л І ДН И КА Лабораторний д осл ід 14. Кольорові реакції білків. О б л а д н а н н я т а р е ч о в и н и : водний розчин білка курячого яйця, клаптики вовняної чи шовкової тканин, пір'їна, розчин лугу, розчин купрум(ІІ) сульфату, концентрована нітратна кислота, м'ясний бульйон, пробірки, тримач д ля пробірок, спиртівка чи сухе пальне, сірники. Завдання 1. Проведіть якісне визначення білкових молекул у розчині білка курячого яйця за допомогою розчину купрум(ІІ) сульф ату та лугу. Налийте у пробірку 1 мл розчину білка курячого яйця, до дай те стільки ж розчину лугу і кілька крапель розчину купрум(ІІ) сульфату. Спостерігайте за появою ф іолетового забарвлення розчину. Завдання 2. Проведіть якісне визначення білкових молекул у роз­ чині за допомогою концентрованої нітратної кислоти. Налийте у пробірку 1 мл розчину білка курячого яйця, додайте кілька крапель концентрованої нітратної кислоти. Злегка нагрійте білий осад, що відразу з’являється у пробірці, доки колір осаду не стане жовтим. Завдання 3. Перевірте наявність білків у м’ясному бульйоні за д о ­ помогою однієї з кольорових реакцій на білок за розробленим о со ­ бисто планом дослідж ення. Завдання 4. Визначте се ре д виданих вам клаптиків тканин ті, що мають білкове походження. Виконуючи завдання, пам’ятайте, що під час спалювання матеріа­ лів білкового походження відчувається запах паленого пір'я. Передусім спаліть пір’їну в полум ’ї сірника та відчуйте характерний запах, після чого проведіть спалювання клаптиків тканин чи ниток во­ локон різного походження та знайдіть серед них ті, що мають білковий склад. Спалювання здійсню йте на підставці з вогнетривкого матеріалу або тримаючи пір'їну чи клаптик тканини у тримачі д л я пробірок чи металевих щипцях. Сф орм улю йте загальний висновок про те. як можна довести наявність білкових молекул у розчині чи у складі якогось матеріалу.

, ______ ПІ Д І Б 'Є М О ПІДСУМКИ. • А м ін о о ц т о в а к и сло та — це нітрогеновм існа органічна с п о л у к а , в м о л е к у л і я к о ї є дві ф у н к ц іо н а л ь н і групи: карбоксильна — СООН та аміногрупа — МН.,. 190

• Завдяки наявності в м о л е к у л і амінооцтової кислоти двох ф у н к ц іо н а л ь н и х гр уп , щ о в и я в л я ю т ь р ізн и й х ім іч н и й характер (к ар бок си льн а — к и слотний, ам іногрупа — основ­ ний), ця речовина є амфотерною органічною сп олукою . • Існує понад 1 0 0 ам ін ок и слот, серед я к и х най більш е зн а ч ен ­ ня д л я ж ивої природи мають 20. Обидві ф ун к ц іон альн і групи розм іщ ені б іл я першого п ісля к арбокси льн ої групи атома Карбону. Це так звані «-а м ін о к и с л о т и . • Б ілки — природні п олім ер и , мономерами я к и х є 20 « - а м і н о ­ к ислот. У б іл к о в и х м о л е к у л а х стр ук тур н і ла н к и сп олучен і пептидними групами. • Б ілк а м властивий г і д р о л і з (взаємодія з водою). Він відбу­ вається під час нагрівання за наявності ки слоти чи л у г у іі заверш ується утворенням с у м іш і «-а м ін о к и с л о т . П Е Р Е В І Р Т Е С В О Ї З НАН НЯ 1. У ч о м у п о л я г а є о с о б л и в і с т ь с к л а д у м о л е к у л и а м ін о о ц т о в о ї та ін ш и х а м ін о к и сл о т? Ч о м у їх ще називаю ть ам ф отерним и о р га н іч н и ­ ми с п о л у к а м и ? 2. О б г р у н т у й т е , я к у р о л ь в у т в о р е н н і б і л к о в и х м о л е к у л в і д іг р а ю т ь амф отерні властивості а м ін о к и с л о т . С х а р а к тер и зу й те стр ук тур и б іл к о в и х м о л е к у л . 3. Я к і п р и р о д н і п о л і м е р и м а ю т ь с т а л у в і д н о с н у м о л е к у л я р н у м асу, а я к і — п р и б ли зн у ? Ч и м це з ум о в л ен о ? 4. Я к д о с л і д н и м ш л я х о м м о ж н а в и з н а ч и т и б і л к и ?

§ 3 4 Р о з в ’язування е к с п е р и м е н та л ь н и х за да ч із в и к о р и ста н н я м знань про найваж ливіш і органічні с п о л у к и . П рактична р о б о та 5 Вивчаючи тему 3 , ви переконалися у різноманітності органіч­ них речовин, зробили висновок, що, порівняно з неорганічними, вони представлені б ільш ою к ільк істю класів сполук. Представники к ож н ого к ла су органічних с п о л у к різняться будовою та властивостями. Д е я к і ї х хім іч н і реакції супровод­ ж ую ться фізичними явищ ам и, які л е г к о виявити органами чуттів. Ц е зокрема зміна к о л ь о р у , утворення чи зникнення осаду, виділення газу. Є відмінності й у ф ізичних властивостях органічних с п о лу к . У м ін н я проводити х а р а к тер н і р еа к ц ії, а також знання ін д и в ід у а л ь н и х властивостей речовин ви кори стовую ться у р озв’ я зуван н і е к с п е р и м е н т а л ь н и х з а д а ч , тобто задач, я кі ґрунтую ться не на математичних обч и с лен н я х, а на проведенні х ім іч н и х д ослід ів та ан алізі їх результатів. 191

Повторіть вивчені в темі 3 способи ек сперим ентального ви­ значення органічних речовин із подвійним з в ’ язком атомів Карбону в м о л е к у л а х , гліц ер и н у, глю к ози , сахарози, к р о х м а ­ л ю , б ілк ів , а також склад їх м о л е к у л і впевнено приступайте до виконання практичної роботи. СТОРІ НКА П Р И Р О Д О Д О С Л І Д Н И К А Практична робота 5. Р о з в ’ язування експериментальних задач. Завдання 1. Д о с лід н и м ш ляхом встановіть: а) в якій із двох пробірок міститься розчин багатоатом ного спирту; б) в якій із двох пробірок м іститься колоїдний розчин білка курячого яйця; в) який клаптик тканини має білкове походження. Завдання 2. Д о с лід н и м ш ляхом з ’ясуйте: а) чи входять атоми К ар­ бону д о складу м олекул целю лози; б) насиченою чи ненасиченою органічною сполукою є поліетилен; в) чи входять д о складу соняш ни­ кової олії ненасичені сполуки. Завдання 3. Як до слідн и м шляхом розпізнати: а) крохмаль і цукор, якщо вони перебуваю ть у твердом у стані; б ) крохмаль у вигляді колоїдного розчину і цукор у вигляді водного розчину? Завдання 4. За допом огою характерних реакцій розпізнайте: а) о ц ­ тову й хлоридну кислоти; б) цукор і глюкозу; в) гліцерин і глюкозу. Завдання 5. Встановіть, у яких із трьох пробірок без етикеток м істяться у вигляді розчинів: а) оцтова кислота, натрій гідроксид, с а ­ хароза; б ) крохмаль, гліцерин, глюкоза; в) білок, глюкоза, сахароза. Завдання 6. Д о слідн и м шляхом з'ясуй те, що: а) сти глі ф рукти (я б ­ луко, виноград тощ о) містять глюкозу; б ) картопля та білий хліб містять крохмаль. Хід розв'язання експерим ентальних задач та здобуті результати запишіть у зошиті д л я практичних робіт. Сф о рм улю йте висновок, де зазначте: • як використання експерим ентального м етоду допом агає у вияв­ ленні речовин та доведенні їх власти во стей; • які характерні в ластивості вивчених речовин були вами викорис­ тані у процесі розв'язування експерим ентальних задач; • у достовірності яких теоретичних знань ви пересвідчилися; • знання характерних реакцій яких класів органічних сполук д а ло вам змогу виконати практичну роботу.

§ 35

Б іологічна р о ль а м ін о к и с ло т і білків. П о н я т тя про нуклеїнові к и с л о т и , їх б іо ло гіч н у р о ль

У загальн ом у розумінні біологіч н а роль а м ін о к и с ло т п о л я ­ гає в тому, що це — «будівельнш 'і м а т ер іа л» д л я н ай склад­ ніш их у природі речовин — б іл к ів . І справді, 2 0 «-а м ін о к и с л о т утворюють сотні тисяч різних м о л е к у л б ілк ів , до того ж к о ж ­

ний організм на нашій планеті має особистий неповторний їх набір. Хоча в організмі лю дини на білк и припадає ли ш е 1/4 маси тіла, а добова потреба у дорослої лю дини в цих сп олуках стано­ вить б ли зьк о 70 — 80 г, значення б іл к ів надзвичайно важливе. Складність і різноманітність білк ов и х м акром олекул забез­ печили цій групі речовин порівняно з іншими органічними сполуками найбільш е число функцій. Структурна (б у д ів ель н а ) функція б ілк ів . Б ілк и є основним будівельним матеріалом організмів лю дини і тварин. Білки тіла лю дини складаються з амінокислот, що надходять в її ор ­ ганізм з їж ею. Білкова їжа в органах травлення піддається гідролізу, потім утворені амінокислоти всмоктуються через стінки тонкого киш ечнику в кров та розносяться по всьому т іл у . У кліти н ах тканин, що мають різне призначення, з ам іно­ кислот, які надійш ли, синтезуються властиві їм білки. Структурні б ілк и є основним матеріалом цитоплазми та оболонки кож ної к літини, входять до ск лад у сп олучн ої та кісткової тканин, рогових покривів, нігтів, волосся тощо.

Структура і властивості шкіри, пір'я, рогових покривів, нігтів, волосся, м’язів зумовлені наявними у них білками. Мономери білк ов и х м ак р ом олек ул — а-амінокислоти — поділяю ть на з а м і н н і та н е з а м і н н і . Замінні а-ам інокислоти організми лю дини і тварин здатні синтезувати самі, тоді як 8 незамінних «-а м ін о к и с л о т надходять в організм ли ш е завдя­ ки споживанню білкової їж і. Відсутність незамінних ам іно­ кислот призводить до того, що організм припиняє ріст, втрачає у вазі та може загинути. Про це слід пам’ ятати та виважено ставитися до різних дієт, дотримуючись збалансованого різно­ манітного харчування і задовольняючи потребу організму в постійному відновленні запасів білків. Ознайомтеся з таблицею 3 «В м іс т білк ів у продуктах х а р ч у ­ вання» та зробіть висновок про те, як вам слід харчуватися, щоб задовольняти потребу власного організму в різноманітних амінокислотах і б ілк ах. К аталіти ч н а функція білків. Ураж аю чим є той факт, що за нормальної температури та атмосферного тиску в організмі о д ­ ночасно відбуваються тисячі реакцій. Я к це природі вдається? Справа в тому, що в кож ном у організмі є білкові м олек ули , які прискорюють хім ічні реакції в кліти н і. Ц е біокаталізатори, або ферменти. В організмі лю дини виробляється та діє б л и з ь к о 2 тис. видів ферментів. Завдяки їм відбувається б іль ш іст ь хім іч н и х реакцій, якими супроводжується обмін речовин та енергії. 193

Таблиця .?

Вміст б іл к ів у продуктах харчування у г на 100 г продукту ІІролуктн

В м іс т б і л к і в

Продукти

В м іс т б і л к і в

М ’ ясо

11— 20

Х ліб

5 — 10

Ри ба

12— 16

Картопля

1,7— 2

Я ііц я

12

Квасоля

19 — 20

С и р тпордші

ЗО

Соя

34

М олоко

2,8— 5

Горох

1 9 — 23

Транспортна функція білк ів . Прикладом білка, що виконує цю функцію у більш ості хребетних тварин і в організмі л ю д и ­ ни, є білок крові гем оглобін. Цей білок транспортує кисень і вуглекислий газ. Захисна функція білків. В організмі лю дини синтезуються та діють захисні б іл к и , які ще називають антитілам и. Завдяки їм організм захищає себе від впливу ш кідливих бактерій і вірусів, виробляє і м у н і т е т — несприйнятливість до збудни­ ків хвороб та деяких отрут. Запасна функція білків. Д л я багатьох рослин і тварин ця функція білк ів особливо важлива на початку розвитку нового організму. Наприклад, насіння бобових, яйця птахів, ікринки риб і земноводних наділені значним запасом білків, які на по­ чатковії! стадії розвитку нового організму с л у гу ю т ь джерелом енергії та поживних речовин. Енергетична функція білків. Білки, як жири та вуглеводи, �� джерелом енергії для організмів. Так, у результаті р озщ еплен­ ня в клітині 1 г білка вивільнюється б ли зько 17,2 кДж енергії. Скорочувальна функція білків. Т іл о лю дини і багаток літи н ­ них тварин приводять у рух м ’ язи завдяки наявним у м ’ язовій тканині білкам актині/ і міозині/. Н ук леїн ов і кислоти. Ознайомимося з такими природними полімерами, як нуклеїнові кислоти, що теж належать до нітрогеновмісних органічних сп олук. Я к і білки , вони є високомолекулярним и сполукам и з відносною м олек уля р н ою масою від сотень тисяч до к іл ь к о х м ільйонів. Це тверді речовини білого або світло-жовтого кольору, погано розчинні у воді. З а г а л ь н і у я в л е н н я про структуру н у к л е їн о в и х к и слот. Л ю д и н у здавна дивувала схож ість рис батьків і дітей, точність, з якою у природі відбувається відтворення організмами собі подібних. Пояснити це зм огли у X X ст., коли були відкриті нуклеїнові кислоти (Н К ). Назва цих полімерів походить від слова п и с іе их , яке у 194

перекладі з латини означає ядро. Справді, нуклеїнові кислоти перебувають у ядрі клітини. А П р и г а д а й т е , що п о р я д к о в и й номе р х і м і ч н о г о е ле ме нт и у п е р і о д и ч н і й с и с т е м і д і с т а в н а з в у н у к л о н н о г о числа, що т а к о ж п о в ' я з а н о з і с ло во м * я д р о *.

М о л е к у л и н уклеїнових кислот мають досить складну будо­ ву, її ви вивчатимете у старшій ш к олі. Нині ми обмежимося загальними уявленнями про склад і ф ункц ії двох нуклеїнових к и слот — р и б о н у к л е їн о в о ї (скорочено позначається Р Н К , читається ер-ен-ка) та д е з о к с и р и б о н у к л е їн о в о ї (скорочено позначається Д Н К , читається де-ен-ка). М а к р ом олек ули обох речовин побудовані зі структурних л а ­ нок, кожна з яких складається із залиш ків нітратної основи, моносахариду й ортофосфатної кислоти. Тобто одна структур­ на ланка нуклеїнової кислоти має складну будову, бо утворена поєднанням залиш ків цих трьох речовин: Нітратна основа

О

І

II

Моносахнрид — О — Р — О —

І ОН Вона дістала загальну назву нуклеотид. Н уклеотиди с п о л у ­ чаються між собою, утворюючи м а к р о м о лек улу нуклеїнової кислоти за схемою: Нітратна основа

О

Нітратна основа

О

Моносахарид — О — Р — О — Моносахирпд — О — Р — О —..

І

І

ОН Н укле о тид

ОН Нуклеотид

Н ук леїн ов і кислоти — це природні полім ери, структурни­ ми ла н к а м и яких є нуклеотиди. Н уклеоти д складається із залиш ків нітратної основи, моносахариду й ортофосфат­ н ої кислоти. Кожна м олек ула нуклеїнової кислоти утворена великою к іл ь к іс т ю н у к л е о т и д ів , с п о л у ч е н и х м іж собою в певній послідовності у полімерний ланцю г. М о л е к у л а Р Н К складаєть­ ся з одного п олін уклеоти дн ого ланцю га, тоді як м олекула Д Н К має вигляд подвійної спіралі (м а л . 62). Така будова макромо­ л е к у л цих полімерів забезпечує виконання ними біологічно 195

важливих функцій — збереження, передавання та відтворення спадкової інформації. Маючи схож ість в утворенні м о л е к у л , Р Н К та Д Н К відрізняються між собою складом нітратних основ та моносахаридами, наявними в нуклеотндах. Так, моносахаридом рибонуклеїнових к и с­ лот ( Р Н К ) є р иб оз а СГ)Н 1 0 Ог, а моносахаридом д е з о к с и р и б о н у к л е їн о в и х кислот (Д Н К ) — д е з о к с и р и б о з а С - Н , 0 О, Нітратні основи — це органічні сполуки з особ­ ливою будовою замкненого ланцю га, утвореного атомами Карбону і Нітрогену. Крім Карбону й Нітрогену нітратні основи містять атоми Гідроге­ ну, а деякі з них і Оксигену. Д л я ознайомлення (не зап ам ’ ятовування) наводимо приклад однієї з нітратних основ — г у а н і н у : Мал. 62. Спіраль ДНК

О НІЧ-" і

Г

Чсн

Н уклеотиди Д Н К та Р Н К різняться між собою нітратни­ ми основами та моносахаридами. Відмінностями складу нуклеотндів пояснюється різна роль Д Н К та Р Н К в організмах. Б іо ло гіч н а р о л ь н ук леїн ов и х к ислот. Незважаючи на схожість будови і хімічної природи, Д Н К та Р Н К виконують у живих організмах різні функції. Головна функція Д Н К — збере­ ження і передавання генетичної (спадкової) інформації від батьків до нащадків. Ї ї .можна порівняти з комп’ ютерною програ­ мою, що діє точно, злагоджено та безпомилково і стосується всієї інформації про організм, якому вона належить. Вам, очевидно, доводилося чути, що у випадках необхідності доведення родин­ них стосунків, встановлення особи в різного роду кримінальних справах або нещасних випадках вдаються до аналізу на Д Н К . Головна функція Р Н К — забезпечувати процес синтезу білка, властивого конкретному організму. Цей процес відбувається у р и б о с о м а х згідно з інформацією, що надійшла від Д Н К ( п р и г а ­ д а й т е будові/ к л і т и н и ) . Перестановка амінокислот місцями або втрата під час синтезу білка хоча б одного амінокислотного за ли ш к у практично не відбуваються. Рідкісні випадки, що трапляються, можуть негативно позначитися на організмі. 196

Окремі ділянки молекули Д Н К , що містять інформацію про послідовність амінокислот у певній білковій м олекулі, назива­ ють геном. Сьогодні можна з впевненістю сказати, що хімія у тісній співдружності з біологією досягла значних успіхів у вивченні біологічних явищ на молекулярному рівні, у розвит­ ку г е н н о ї і нженері ї. Ц і досягнення використовуються у виве­ денні сортів рослин і порід тварин, виявленні та лікуванні спадкових хвороб тощо. ______ ПІДІБ ' Є М О П І Д С У М К И • Білки виконують в організмі різноманітні функції і разом з

нуклеїновими кислотами є носіями життя. • Нуклеїнові кислоти — біополімери, мономерами яких є нуклеотнди. • У нуклеотиді розрізняють три складові частини. Це залишки н і т р а т н о ї основи, м о но с ах ари д у та ортофосфатної кислоти. • Біологічна роль Д Н К — збереження і передавання спадкової інформації, біологічна роль Р Н К — забезпечення синтезу білка. СТ ОР І НКА ЕРУДИТА

Учені продовжують працювати над вивченням будови молекул різних білків та штучним їх одержанням. Наскільки це копітка справа свідчить хоча б той факт, що англійський вчений Ф. Сенгер 10 років працював над встановленням послідовності амінокислотних залишків та вивченням структури інсуліну — білкової сполуки, через нестачу якої розвивається тяжка недуга — цукровий діабет, оскільки пору­ шується обмін вуглеводів в організмі людини. Учений встановив, що до складу молекули інсуліну входить 51 амінокислотний залишок, що розміщується у двох поліпептидних ланцюгах, з'єднаних між собою дисульфідними містками — 3 — 5 — (мал. 63). У 1958 р. за наукові досягнення у вивченні білків Ф. Сенгер був удостоєний Нобелівської премії. Для того щоб синтезувати інсулін, знадобилося ще 3 роки, а його добування лабораторним способом ґрунтується на проведенні 223 хімічних реакцій. Нині в Києві працює завод із виробництва штуч­ ного інсуліну, і його продукція дає змогу рятувати життя багатьом хво­ рим на цукровий діабет. ПЕР Е ВІ Р Т Е С В О Ї З Н А Н Н Я 1. У ч о м у п о л я г а є б і о л о г і ч н а р о л ь б і л к і в ? 2. Я к і пр одук ти х а р ч у в а н н я т в а р и н н о г о та р о с л и н н о г о п о х о д ж е н н я є г о л о в н и м и і п ай ц і ни і ілл.мн /ш№пмля>мн «іг.іків л.ін о о г я н із м у л ю д и н и ?

.197

і

б

—зси з

Мал. 63. Схематичне зображення молекули інсуліну ЕЗ (

— умовне позначення структурних ланок)

3. Поясніть, чому дітям рекомендується споживати багато білка. 4. Чому нуклеїнові кислоти належать до біополімерів? З яких мо­ номерів вони утворюються? ІЦо входить до складу структурної ланки нуклеїнових кислот? 5. Схарактеризуйте біологічну роль нуклеїнових кислот. 6 *. Підготуйте матеріали для проведення конференції на тему: • Білки та нуклеїнові кислоти — носії життя*.

.198

З А В Д А Н Н Я Д Л Я П ІД ГО Т О В К И ДО К О Н Т Р О Л Ю З Н А Н Ь ІЗ т к м и з (для виконання в робочих зошитах) 1. У с т а н о в і т ь в і д п о в і д н і с т ь м і ж на зва ми та формулами вуглеводнів. 1 . 2. 3. 4. 2.

Метан. Етен. Етан. Етин.

А. С 2 Н 2 Б. С 2Н , В. С 2 Нс Г. СН ,

В с т а н о в і т ь в і д п о в і д н і с т ь м і ж видом формули речовини та наведеними к о н к р е т н и м и п р ик ла да ми .

А. СН.} — с н ,

1. М олекулярна

Н 2. Електронна

н

Б. Н : С : С : Н

н

Н і

Н і

1

1

в. н — с — с —

3. Структурна

1 1

4. Напівструктурна

н Г. С 2 НГ)

1 1

Н

3. У к а ж і т ь х а р а к т е р и с т и к и гомологів. A . Мають однаковий кількісний склад. Б. Мають однаковий якісний склад. B. Мають різний кількісний склад. Г. Подібні за хімічною будовою. Д. Виявляють схож і хімічні властивості. 4. Н а з в і т ь р е чо ви н и, формули я к и х наведено, у к а ж і т ь серед н и х формули гомологів.

А. СН2 = С Н

Б. С Н 2 — С Н 2 — С Н 2 — С Н 2

2

І СИз

в.сн2— сн2— сн2

І

СН3

СН3

г. сн3— сн3

І СН 3 5. У к а ж і т ь о р га н і чн у спо лу ку, яка не з н еб ир вл ює бромну воду.

А. Етен.

Б. Етин.

В. Етан.

Г. Олеїнова кислота.

Узагальнення знань з хімії Ця тем а є за в е р ш а л ь н о ю у навчанні хім ії в о с н о в н ій ш колі. У пр о д о в ж трьох р о ків ви о зн а й о м л ю в а л и ся з р ізн о м а н іт н іс тю хім ічних е л е м ен тів, вивчали в л а сти в о сті речовин та їх п е р е тв о ­ рення, р о зви ва л и св о ї е ксп е р и м е н та л ьн і вм іння, ф орм ували та вд о ско н а л ю в а л и на вички п о с та н о в ки та пр о ве д е н н я хім іч н о го е ксп е р и м е н ту, вчилися р о б и ти в и с н о в ки , ви сл о в л ю ва ти с у д ­ ж ення, в ста н о вл ю ва ти п р и ч и н о в о -н а с л ід ко в і з в ’я з��и . В се це зб агати л о ваш і знан ня з хім ії, підготувало д о б е зп е ч н о го п о в о д ­ ж ення з б а га тьм а р еч ови н ам и у п о в с я кд е н н о м у ж и тті, п о гл и б и ­ ло е р у д и ц ію й, м о ж л и во , впли нуло на ви б ір п р оф іл ю п о д а л ь ш о ­ го навчання в ста р ш ій ш колі тих із вас, хто п о в ’я зує с в о є м а й б утн є з хім ією . Т е п е р с л ід у з а га л ь н и ти на буті з н а н н я . З а в д я ки у з а га л ь н е н ­ ню р о з кр и в а ю т ь с я суть і з в ’я з к и я в и щ п р и р о д и , м іс ц е і р ол ь л ю д и н и у їх п із н а н н і, п е р с п е к т и в и п р а к т и ч н о го їх в и к о р и с т а н ­ ня; з н а н н я з х ім ії н а б ув а ю ть ц іл іс н о с т і; п р о ц е с п ізн а н н я п е ­ р е х о д и ть на я к іс н о н о в и й р ів е н ь , щ о д а є з м о г у на о с н о в і конкретних фактів п е р е х о д и ти д о загального. У з а г а л ь н е н н я з н а н ь на д а н о м у е та п і ви в ч ен н я х ім ії стосується: • о б ґр у н ту в а н н я м ісц я хім ії с е р е д п р и р о д н и ч и х наук; • ви зн а ч е н н я ролі хім ічних знан ь у п ізн анн і п р и р о д и ; • з ’ясування знач енн я хім ічни х п р о ц е с ів (го р ін н я ,, д иха ння , ф о то с и н те зу то щ о ) у п р и р о д і; • ви зн а ч е н н я ролі хім ії в ж и тті суспіл ьства ; • вп ли ву хім ії на д о вкіл л я та її ролі в р о з в ’ язан ні е ко л о гіч н и х пр о б л е м .

§ 36

М ісце хімії с е р е д наук про п р и р о д у та р оль хімічних знань у їїп із н а н н і

Взаємозв'язок наук про природу. Я к вам відомо, до наук, що вивчають природу, належ ать астрономія, біологія, гео­ графія, е к о л о г ія , ф ізика, х ім ія . М аю чи с п іл ь н и й о б ’ єкт дослідж ення, ці науки розвиваються в тісному взаємозв’ язку, досить часто використовують однакові методи дослідження. Знання одн ієї науки доповню ю ть та р озш ирю ю ть знання інш их, допомагають з ’ ясувати причини різноманітних явищ. Наприклад, х ім ік у зі світовим і м ’ ям — Дмитру Івановичу М ен д елєєв у — н а л е ж и т ь обґр у н ту в а н н я у формі за к он у періодичної залеж н ості м іж властивостями х ім іч н и х е л е ­ ментів та їх н іх сп олук і місцем розміщення елементів у ство­ реній ним періодичній системі. Проте його відкриттю к ільк а десятків років бракувало теоретичного пояснення, аж поки фізики не з ’ ясували складної будови атома, не встановили на­ явності в ньому ядра та електронної оболонки. Це дало змогу сф орм улю вати сучасне визначення п еріодичного за к он у, згідно з яким усі елементи у періодичній системі розміщені за єдиним принципом. ▲ Пр и га д а й т е сучасне формулювання періодичного закону. Відтепер фізики використовують періодичний закон для відкриття нових хім ічн и х елементів, прогнозування власти­ востей їх сполук. Інш им прикладом взаємозв’ язку хім іч н и х знань про приро­ ду може бути відкриття хіміками кисню у складі повітря. П р и ­ гадайте, що це зробили майже одночасно К ар л-В ільгем Ш еєле, Антуан Лоран Лавуазьє, Джозеф П р істлі. їхн є відкриття дало змогу біологам дослідити процес ж ивлення рослин, а фізикам відкрити газові закони. А б о ще такий приклад. Х ім іч н и й елем ент Гелій був відкри­ тий раніше на Сонці, ніж на З ем лі (звідси й походження наз­ ви — с о н я ч н и й , бо Г е л і о с означає Сонце). Передбачувальний харак тер п еріоди чн ого зак он у був підтвердж ений і цим відкриттям, оск ільк и Гелію та всій родині інертних хім ічн и х елементів знайш лося місце у періодичній системі. Ф із и к и вивчили властивості гелію як простої речовини. Біологи дослідили вплив цієї речовини на живі організми, а лікарі використали з л ік у в а льн о ю метою властивість повітря, у якому значну частину азоту замінено гелієм. Т а к у суміш да­ ють вдихати хворим при розладах дихання і деяких операціях, тому що вона активніше за повітря постачає кисень і відводить вуглеки сли й газ, тобто прискорює газообмін. 203

Освоєння Космосу с я гн у ло такого рівня, що космічні апара­ ти побували на поверхні природного супутника Землі — М іс я ­ ця — та сусідніх з ним планетах, завдяки чому земляни отри­ мали зразки порід небесних тіл. Дізнатися про їх склад — це вже робота хім іків. А щоб сконструювати космічні ракети, кораблі, штучні супутники, космічні станції, знадобилися знання і з фізики, і з х ім ії. Всього ли ш е к іл ь к о х прикладів вистачає аби переконатися, що розвиток однієї науки про природу примнож ую ть досягнен­ ня інш их природничих наук. У науці усталеною є думка, що серед природничих наук фізиці належ ить першість, хоча б тому, що вона має три­ валіший період розвитку. Перш ніж стати самостійною наукою, хім ія була частиною ф ізичних знань. Без ф ізичних знань н ем ож ли в е вивчення ін ш и х природничих наук, зокрема, фізичні величини та одиниці їх вимірювання — те, без чого жодна з природничих наук не обходиться. Та й різноманітність явищ природи виявляється насамперед у фізичних явищ ах — механічних, звукових, світлових, електричних тощо. Ц е вони супроводжують хім ічн і явища та біологічні процеси. І щоб зробити висновок, чи відбулося хім ічне явище, ми акцентуємо увагу на фізичних явищ ах, я кі його супроводжують. Н апри­ клад, на появі світла під час горіння магнію, на випаданні осаду при взаємодії к ухон н ої с о лі з розчином арген тум (І) нітрату, на виділенні в углек и слого газу при взаємодії питної соди з оцтовою кислотою тощо. Отже, ґрунтую чись на фізичних законах, хім ія успішно здійснює дослідж ення хім ічн и х явищ, пояснює відмінності в будові речовин, встановлює склад небесних тіл та є наступною після фізики сходинкою у пізнанні природи. Р о л ь х ім іч н и х знань у пізнанні природи. Не менш в аж ливи­ ми є хім ічні знання д ля фізики. Н априклад, коли йдеться про поширення звук у в різних середовищах, звертаються до будо­ ви речовин, наявних в середовищі. Пригадайте, як на уроках природознавства ви д із н а л и с я , що в ідсутн ість на М іс я ц і повітряної оболонки є причиною того, що звук не пош ирю єть­ ся, а тому астронавти, рухаючись місячною поверхнею, корис­ тувалися радіозв’ язком. Струм у металах, електри чн у провід­ ність речовин та їх розчинів, роботу гальванічних елементів й а к ум уляторів тощ о у фізиці вивчають, спираючись на хім ічні знання про елек т р о літи ч н у дисоціацію речовин у розчинах та розплавах, металічний хімічний з в ’ язок, процеси відновлення та окиснення. У науці цікавим є той факт, що до відкриття х ім ік ом Сванте Арреніусом елек тр оліти чн ої дисоціації серед фізиків перева­ 204

ж ала думка, висловлена відомим ученим М айклом Фарадеєм (її знають у науці під назвою «пом илка Ф арадея*), що речовини дисоціюють на ііони під впливом електричного струму, тоді як на початку навчального року на уроках фізики ви з ’ ясували, що електричний струм є н а с л і д к о м , а не п р и ч и н о ю появи заряджених частинок у розчині чи розплаві. Спостерігаючи демонстраційні досліди вчителя х ім ії під час вивчення е л е к ­ тролітичної дисоціації, ви переконалися, що тверда кухонна с іл ь струму не проводить і лампочка не загоряється, тоді як розчинена у воді сіл ь проводила струм. А П р и г а д а й т е , я к у роль а і д іг ра ю ть у процесі е л е к т р о л і т и ч н о ї д и с о ц і а ц і ї моле кул и води.

Тож у цьому випадку фізиці при служ и ли ся х ім іч н і знання. Із будовою атома та його електронної оболонки пов’ язано вивчення хіміками хімічного зв’язку, окисно-відновних реакцій. У 10 класі на уроках фізики ви вивчатимете тему «В л а с т и ­ вості газів, рідин, твердих т і л * , де знадобляться знання з х ім ії про к ільк ість речовини, будову речовин та їх хім ічні власти­ вості, про полімери тощо. Спираючись на розглянуті факти, можемо зробити висно­ вок, що:

між хім ією і фізикою існує тісний взаємозв’язок, а во­ лодіння хімічними знаннями допомагає здобувати нові фізичні знання і навпаки. Н ині знання з фізики та х ім ії настільки поєднані, що виникла окрема наукова га лузь — фі з ич н а х і м і я . Однак і ф ізика, і х ім ія стосую ться передусім т іл н еж и вої природи, тоді як б іо л о г ія вивчає ж и ву природу, з а к о н о ­ м ір н о с т і іс н у в а н н я я к о ї з н а ч н о с к л а д н і ш і . Щ о й н о ви заверш и ли о зн а й о м ле н н я з н а й в а ж л и в іш и м и ор ган ічн и м и с п о л у к а м и , з б іо л о г іч н о ю р о л л ю ж ирів, б іл к ів , в углеводів. Ц іл к о м очевидно, що вчені в г а л у з і б і о л о г ії не м о ж у т ь нині здійсню вати д о с л ід ж е н н я , робити нові відк р и ття, не с к о ­ риставш ись х ім іч н и м и зн ан н ям и про елем ен ти -ор га н оген и , жири та естери, вуглеводи, вищ і карбонові к и с л о т и , к р о х ­ м аль, ц е л ю л о з у , б іл к и , н у к л е їн о в і к и с ло т и тощ о. П о я с н ю ­ ється це двома ч и н н и к ам и . П о - п е р ш е , орган ізм и ж и в ­ л я т ь с я речовинами, які є своєрідним б у д ів е л ь н и м м а тер і­ алом д л я створення нових к л іт и н . П о - д р у г е, у ж и вій природі б езуп и н н о відбувається обмін речовин та ен ер гії. Д ося гн ен н я х і м і ї у вивченні б іо к а т а л іза т о р ів — ф ерм ен­ тів — дали з м о г у пізнати х ім ізм багатьох х ім іч н и х процесів, що відбуваються в ж ивих організмах, а відтак, навчитися впливати на їх перебіг. 205

Окремі галузі х ім ії д ослідж ую ть хімічний склад організмів і середовище їх існування, хімічні реакції, що відбуваються в клітинах, вплив різних чинників (наприклад, температури, радіаційного випромінювання, ш тучно створених речовин тощ о) на організм. Х ім іч н і та ф ізи ч н і методи доп ом агаю ть описувати й дослідж увати б іо ло гіч н і об’ єкти, як-от: будову та ф ункції біополімерів, м о лек у ля р н і механізми хім ічн и х процесів у ж и ­ вих організмах та їх р егуляц ію , вплив космічного простору на організми нашої планети, особливості дії різних речовин на ж иттєдіяльність живих істот, а також вплив речовин, виділе­ них з одних організмів, на інші. Зокрема, у складі гриба п е н і ц и л у за допомогою хім ічн и х методів б у ло виявлено речо­ вину п е н і ц и л і н , яка л ік у є різні хвороби, що раніше вважалися н еви ліковн и м и . О собливо ефективний п е н іц и л ін та інш і, добуті пізніш е речовини, у лікуванні запальних процесів, що виникають внаслідок поранення чи хірургічної операції, запа­ лен н я леген ь, грипу тощо. Ц е відкриття б у л о зроблено у 1943 р. (тривала Велика Вітчизняна війна, і багатьом поране­ ним відкриття п ен іц и лін у врятувало ж иття). Нині препарати на основі пеніциліну широко використовують д ля лікування різних хвороб. Досить молодою наукою є м о л е к у л я р н а б і о ло гі я . З її назви стає зрозум іло, що в ній тісно переплітаються х ім іч н і знання, які застосовують під час вивчення живої природи на м о л е к у ­ ля р н о м у рівні. У «С лов н и к у іншомовних с л і в » , опублікованому у 1955 р., уявлення про ген було названо витвором фантазії купки вче­ них, а передавання спадкових ознак від батьків до нащадків — ш к ід ли в и м намаганням ан ти н аук ово пояснити процеси розмноження організмів. З того часу м и н уло ли ш е півстоліття, і за такий короткий для розвитку науки час спільними з у с и л ­ лям и х ім ік ів та біологів, котрі у своїх дослідж еннях п ослуго­ вувалися найновішими і найсучаснішими на тон час ф ізични­ ми методами дослідж ень і приладами, б у ло здобуто підтверд­ ження законів спадковості. Д ещ о п ізніш е американський біохім ік Д. Уотсон та англійський біофізик Ф. Крік, ґр ун тую ­ чись на рентгеноструктурних даних, одержаних д ля Д Н К , довели існування нуклеїнових кислот, їх участь у процесах передавання й відтворення спадкових ознак організмів, за що були удостоєні найвищої наукової нагороди — Н обелівської премії. З ’ ясування стр ук тур и Д Н К стало р ев о лю ц ій н о ю подією у пізнанні природи. Гірські породи та мінерали — це сп олуки різних хім ічн и х елементів, а Світовий океан, що вкриває 2/3 поверхні нашої

планети, складається а водного розчину різноманітних речо­ вин. Відтак, географічна наука також використовує знання х ім ії у своїх дослідж еннях. А хім ія в свою чергу користується здобутками географії, коли необхідно визначитися із сировин­ ною базою, доцільністю розташування хім ічн и х виробництв на певних територіях тощо. Таким чином, хім ія разом з інш ими природничими наука­ ми здійснює вивчення ж ивої і неживої природи на рівні кількісного та якісного складу речовин, їх х ім ічн и х властивос­ тей, добування та застосування.

Ц ілісн ість досліджень, що їх здійснюють різні природничі науки, да€ змогу встановлювати причини та наслідки явищ у живій і неживій природі, є запорукою пізнання природи, збереження та примноження ї ї багатств. Держава приділяє увагу проведенню д ослідж ень, заснова­ них на хім іч н и х знаннях. В Україні дію ть науково-дослідні інститути, що вивчають речовнни і хім ічн і процеси: Інститут б іо к о л о їд н о ї х і м і ї ім . Ф . Д. Овчаренка, Ін с т и т у т б і о х і м і ї імені О. В. П а лла д ін а , Інститут за га льн о ї та неорганічної х ім ії ім. В. І. Вернадського, Інститут к олоїдн ої х ім ії та х ім ії води ім. А . В. Думанського, Інститут органічної х ім ії, Інсти­ тут фізичної х ім ії ім. Л . В. Писарж евського, Інститут х ім ії високомолекулярннх сполук, Ін с т и т у т х і м і ї поверхні ім. О. О .Ч уй к а та інші наукові установи. В них талановиті вітчизняні вчені здійснюють найрізноманітніш і дослідж ення для розвитку науки та су сп ільн ого виробництва. Результати цих дослідж ень знаходять застосування у виробництві чавуну, сталі, полімерів, скла, мінеральних добрив, лік ар ськ и х препа­ ратів тощо. ______ ПІ ДІ Б’Є М О ПІ ДС УМКИ

__ __________________________ .

• Х ім ія — одна з природничих наук, що дослідж ує речовнни і хім ічні явища. • У своїх дослідж ен н ях хім іки спираються на досягнення інш их природничих наук — фізики, астрономії, б іології, географії, а вони в свою чергу використовують хім ічні знання. • Завдяки хімічним знанням з ’ ясовано склад небесних тіл та організмів, що населяють нашу планету, розкрито таємниці збереження життя на Землі. • Сучасну науку — хім ію — представляють різні галузі знань (мал. 64): 207

ПЕРЕВІ РТЕ С В О Ї ЗНАННЯ 1. Н а в ед іт ь п р и к л а д и в и к о р и ст а н н я з н а н ь р із н и х п р и р о д н и ч и х наук д л я р о зв и т к у х і м і ї . 2. С к л а д іт ь с х е м у в з а є м о з в ’ я з к у п р и р о д н и ч и х н а у к у п із н а н н і природи. 3. Я к у р о л ь в ід іг р а ю т ь х ім іч н і зн а н н я в: а) а с т р о н о м ії; б ) б і о л о г і ї; в) ге о гр а ф ії; г ) ф із и ц і? 4. К о р и с т у ю ч и с ь р із н и м и ін ф о р м а ц ій н и м и д ж е р е л а м и , зок р ем а м ер е ж ею Інтернет, п ід го т у й т е п о в ід о м л е н н я про ж и т т є в и й ш л я х та внесок у н а у к у в ч ен и х , ч и ї імена пр исвоєн о н а у к о в о -д о сл ід н и м ін с т и ­ ту та м х ім іч н о г о с п р я м у в а н н я , про суч а сн і д о с я г н е н н я ци х ін сти ту тів. 5 * . В н с л о в іт ь та о б г р у н т у й т е св ою т о ч к у з о р у на р о л ь х і м і ч н и х з н а н ь у п із н а н н і пр ир од и.

§ 3 7 Значення хімії у пр и р о ді та с успіль стві У попередньому параграфі акцентувалася увага на х ім ії як одній з природничих наук, що дослідж ує речовини та їх пере­ творення, на взаємозв’ язку наук про природу. Завершальний параграф підручника присвячений узагальненню значення хім ічних явищ, що відбуваються у природі, а також тих, які людина навчилася відтворювати на підприємствах у великих масштабах. Тобто йтиметься п р оте, як природні хімічні явища та досягнення хім ічної науки забезпечують існування життя на нашій планеті, примножують суспільне виробництво, добробут людей, а також про екологічні проблеми, причиною яких є не­ продумане використання хім ічних знань та х ім ічної продукції, недотримання умов безпечного виробництва. Значення хім ічн и х процесів у природі. Варто пригадати, що організми ростуть, розмножуються, реагують на подразнення, 208

ж и вляться, дихають, тобто ви являю ть ознаки ж иття, о с н о в у я к о г о с т а н о в и т ь обм ін р е ч о в и н т а енерг ії. А обмін речовин та енергії в кож ній к літи н і живого організму здійснюється за певних умов та участю різних речовин, і обов’ язково — кисню, води, в углек и слого газу. З-поміж сотень тисяч хім ічних реакцій, що відбуваються у природі, наймасштабнішими є ф о т о с и н т е з , г о р і н н я , д и х а н н я . ▲ П р и г а д а й т е , що є р е а г е н т а м и , а щ о — п р о д у к т а м и ц и х р е а к ц і й , за я к и х у м о в в о н и в і д б у в а ю т ь с я .

Х ім іч н а суть і значення фотосинтезу. Ви вже знаєте, що фотосинтез відбувається у зелених листках рослнн завдяки х л о ­ рофілу за участю світла і полягає в тому, що з наявних у природі у великій кількості та доступних д ля рослин неорганічних речо­ вин в у г л е к и с л о г о г а з у і води утворюється г л ю к о з а , яка перетво­ рюється на природні полімери крохмаль та целю лозу. Цей про­ цес супроводжується багатьма хімічними реакціями, що деталь­ но дослідж ені у біохім ії. Окрім утворення органічної речовини глю кози, відбувається виділення неорганічної речовини к и с н ю . У загальном у вигляді процес фотосинтезу записують таким х ім іч н и м рівнянням:

6С02 + 6Н20 = с6н ,2о0 + 602Т Із цього запису видно, які речовини беруть участь у фото­ синтезі та які утворюються, проте він не відображає всіх х ім іч н и х перетворень, що відбуваю ться у довер ш ен ій природній хім іч н ій лабораторії — зелен ом у л и с т к у рослин та в деяки х бактеріях. Отж е, завдяки фотосинтезу рослини забезп ечую ть ж иві організми нашої планети киснем, а у складі продуктів ж и в л е н ­ ня — необхідними д ля організмів в уг л ев о да м и. Я к а ж роль фотосинтезу у підтриманні вмісту в у г л е к и с л о г о г а з у в повітрі, що становить бли зьк о 0,03 % ? Представники різних царств живої природи пристосувалися до існування з таким вмістом в углек и сло го газу в атмосфері З ем лі. Водночас ж и ттєд іяльн ість рослин, тварин, лю дини пов’ язана з д и х а н ­ ням, а виробнича д ія л ь н іс т ь лю дини — з горінням, під час я к и х виділяється значна к іл ь к іс т ь в углек и сло го газу. І якби рослини не перетворювали його на глю к о зу, одночасно збага­ чуючи повітря киснем, то вміст вуглек и слого газу в повітрі постійно зростав би і врешті сягнув меж, несумісних зі сп р и ят­ ли ви м и д ля організмів умовами ж иття на наш ій планеті. Завдяки фотосинтезу цього не трапляється. Окисно-відновні процеси дихання, горіння, аеробного гнит­ тя (у перекладі з грец. аеро означає повітря) відбуваються за участю к и с н ю . Без фотосинтезу його запаси на Зем лі давно вичерпалися б. 209

Ф о то си н тез — важ ливий і єдиний процес у природі, що підтримує вміст кисню в повітрі, завдяки йому неорга­ нічні речовини вуглек и сли й газ і вода перетворю ю ться на органічні сполуки. Х ім іч н а сутність та значення процесів гор��ння і дихання. З горінням лю д и н а стикається часто. Р о з г л я н ь м о окисновідновні процеси в реакції горіння палива на прикладі горіння вуглецю: 0

+

0

1 - 2

С + о 2 = со 2 0

+ 1

С - 4е = С — окиснення, відновник 0 2 0

+

2

• 2е =

" 2 2 0

— відновлення, окисник

Я к бачимо, горіння вуглец ю є окисно-відновною реакцією. Пригадаємо, що ця реакція, як і багато інш их, супроводж уєть­ ся виділенням світла та тепла. Горіння — це взаємодія речовин із в иділенням св ітла й теп ла. Одним із прикладів негативних наслідків реакції горіння є пож еж і, адже вони спричиню ю ть м атеріальні збитки с у с п іл ь ­ ному та приватному господарству, завдають шкоди здоров’ ю лю дей, створюють загрозу їх ж иттю , ш кодять природі. Я к щ о ж горять л іс и чи торфовища, то настають зміни в екосисте­ мах, зокрема зм енш ується к іл ь к іс т ь видів тварин і рослин, що їх н а селя ли , поруш ую ться ла н ц ю ги ж и в лен н я. Та коли реакції горіння проводяться в керованих лю д и н ою умовах, то вони приносять користь. Н априклад, нині елек тр и ч н у енер­ гію споживають у в ели к и х к іл ь к о с т я х . В У к р а їн і ї ї в и р обля ­ ють гідроелектростанції, теплові та атомні електростанції. Під час спалю вання палива на т еп ло в и х е л ек тр о ста н ц ія х енергія х ім іч н и х зв’ я зк ів перетворюється на теп лову, а потім в г е н е р а т о р а х відбувається перетворення теплової енергії на електричну. Ц іл к о м закономірно зробити висновок, що завдяки реакції горіння ми маємо змогу використовувати електроенергію в різ­ них приладах, освітлювати квартири, дивитися телепередачі тощо. А н а л ізу ю ч и глибш е, варто сказати, що електроенергія теплових електростанцій — це вивільнена енергія Сонця. ▲ П о м і р к у й т е т а с а м о с т і й н о р о я к р и й т е п і д с т а в и для т а к о ­ го висновку.

210

Сам терм ін « д и х а н н я » ви добре знаєте. П роте частіш е пов’ язуєте ного з процесами надходження повітря в л еген і (в д и х ) та видаленням повітря з л е ге н ь (в и д и х), що точніш е б у л о б назвати газообміном. Дихання — вин (б іл к ів , ви діляється росту, руху,

це р еа к ц ії окиснення різних пож ивних речо­ жирів, вуглеводів) у к літи н і, внаслідок яких енергія, що використовується к л іт и н о ю д л я здійснення ін ш и х процесів ж и ттєдіяльності.

Д и хан н я властиве кліти н ам організмів лю д и н и , тварин, рослин, грибів, а також багатьом м ікроорганізмам. На відміну від горіння, дихання — процес багатостадійний. Так, наприклад, вивільнення енергії окисненням глю кози, що відбувається у к літинах за таким сумарним рівнянням: С 6 И 1 2 Ов -Г 6

0

2 = е с о 2 + е н 2о ,

насправді о б ’ єднує к іл ь к а д еся тк ів х ім іч н и х р еакцій, що відбуваються з великою ш видкістю та високою ефективністю завдяки наявності багатьох ферментів. Так, унаслідок о к и с­ нення 1 м о л ь глю кози ( о б ч и с л і т ь . чому д о р і в н ю є й о г о м а с а ) вивільню ється б л и зь к о 3000 к Д ж теплоти. ♦ Зважте, що для життєдіяльності людини у вашому віці потрібно близько 10 000— 12 000 кДж на добу. Р о л ь хім ічн и х знань у житті суспільства. З курсу ек он о­ мічної і соц іальн ої географії У країни вам відомо, що виробничу сферу господарства У країни складаю ть будівництво, важка, л е гк а іі харчова промисловість, транспорт, сільське господар­ ство. Всі зазначені структурні складові економіки держави існую ть та розвиваються завдяки втіленню х ім іч н и х знань у практику, що дає змогу використовувати виготовлену в такий спосіб продукцію, виходячи з потреб суспільства. Нині важко знайти якийсь матеріал, прилад, конструкцію то щ о , виготовлення я к и х відбувалося б без використання х ім іч н и х знань. Завдяки д ослід ж ен н я м х ім ік ів багато х і м і ч ­ них заводів наш ої держави працюють на вітчизняній сирови­ ні — самородній сірці, к а л ій н и х с о л я х , б іл ій гли н і, вапняках, доломіті, вугіллі, природному газі, нафті, залізних, манганових рудах тощо. Це має важ ливе значення, о с к іл ь к и здобутки х ім іч н о ї промисловості, як і маш инобудування, визначають розвиток інш их галузей господарства. А П р и г а д а й т е з е к о н о м і ч н о ї г е о г р а ф і ї . де в У к р а ї н і д і ю т ь х ім іч н і заводи та як у продукцію вони виробляють.

Не менш важ ливі хім іч н і знання д л я харчової та фармацев­ ти чн ої промисловості. Удосконалення способів переробки та зберігання продуктів харчування, поліп ш ен н я ї х смакових та 211

енергетичних якостей м ож ли ві завдяки х ім ії. Б іл ь ш іс т ь сучас­ них лік а р с ь к и х препаратів мають синтетичне, а не природне походження. Н и н і різні види транспорту використовують так багато бен ­ зину та інш ого палива, яке добувають із нафти, що перед хім іч н ою наукою постало завдання п ош ук у ш л я х ів заміни його на альтернативні — дешевші та е к о ло гіч н о д о ц іль н іш і — види. У багатьох країнах світу, в том у числі й в У к р а їн і, вчені працюють над т е х н о л о г іч н и м втіленням ц ієї ідеї з метою перетворення біомаси (деревини, солом и , ли стя та стебел рос­ лин, луш пиння соняш нику тощо) на б іоп ал иво . У 2007 р. в Києві відбулася перша міжнародна конференція «Біопаливо-2007: Перспективи аграрного сектору У к р а їн и * , присвячена п р обле­ мам сировини д л я виготовлення біопалива, особливостям його використання. У виробництві біопалива, що дістало назву б і о г а з , хім ік и отрим али « п ід к а з к у » від самої природи. Пригадайте, що під час вивчення органічної сп олук и метану згадувалася така його назва, як «б о л о т н и й газ*. Так, метан справді ви діляється внаслідок розкладання росли н н и х решток мікроорганізмами на дні б о л іт без доступу повітря. Цей процес спеціально відтво­ рюють, щоб добувати біогаз. Основу біогазу складає _метан (б л и з ь к о 55 % — 75 % ) . Н ині відомі різні види біопалива. Щ о б одержувати з року в рік високі врожаї с ільськ о го сп о ­ д а р с ь к и х к у л ь т у р , мати в д о ста ль п р о д у к тів х а р ч ув а н н я тваринного походж ення, у с іль сь к о м у господарстві використо­ вують м ін ер альн і добрива, засоби боротьби із ш кідниками та б у р ’ янами, харчові добавки до кормів тварин, п оліетиленові плівки д л я теп ли ц ь тощо. Невиробнича сфера державного господарства, як-от гро­ мадське харчування, охорона здоров’ я, теж послуговується здобутками х ім ії. Р о л ь х ім ії в ж и тті суспільства полягає також у тому, що з появою х ім іч н и х заводів чи підприємств інш их галузей , де хім іч н і знання знаходять застосування, виникають великі міста, ц іл і промислові центри. А це оптим ізує систему розсе­ лен н я та розвиток поселень, покращ ує показники зайнятості працездатного населення, тобто сприяє працевлаш туванню у к р аїн ськ и х громадян у своїй країні, а не за кордоном. Значення х ім ії вбачається ще и у тому, щ о виробляються нові, відсутні у природі матеріали, які за своїми властивостя­ ми не поступаються, а то й перевершують природні. Зокрема, це у н ік а л ь н і матеріали, з яки х виготовляю ть одяг п о ж е ж ­ ників, к улеза х и сн і ж и лети , одяг, що захищ ає від радіоактив­ ного випромінювання тощо. 212

А кти вн а д ія л ь н іс т ь лю ди н и з використання х ім іч н и х знань д ля відтворення х ім іч н и х процесів у промислових масштабах нині приносить не л и ш е користь, а й завдає шкоди, адже вплив цієї д іяльн ості на ж иву природу досяг межі незворотності іі спричинив поруш ення рівноваги у живій природі, яка встанов­ лю валася впродовж м ільй он ів років. М ож на навести сотні тисяч прикладів матеріалів, що їх л ю ­ дина навчилася створювати власноруч. Так, щ орічно у світі синтезую ть б л и з ь к о 250 тис. нових сп олук , з я к и х б л и зь к о 300 знаходять промислове застосування, а отже, м ож уть потрапи­ ти в навколиш нє середовище і внаслідок своєї токсичності, вибуховості, легкозай м и стості тощ о заш кодити природі. Через це проблеми е к о л о г і ч н о ї х і м і ї — то проблеми всього людства, а не як оїсь окрем ої країни. Відтак людство тепер стоїть перед вибором — нарощувати й далі обсяги х ім іч н и х виробництв заради ш видкої вигоди, чи віддати перевагу енергозберігаю ­ чим т е х н о л о гія м , раціональном у використанню речовин без­ відхідним виробництвом, щоб зберегти природу д ля майбутніх п околінь. З н ання про те, як в и го т о в л я є т ь с я х ім іч н а п р о д у к ц ія , я к і ї ї в ла сти в о сті, я к вона діє на о р га н ізм л ю д и н и , н а с к іл ь к и дор оги м є ї ї виробництво, я к у п о т е н ц ій н у ш к о д у вона с т а н о ­ вить д л я д о в к і л л я , п о т р а п л я ю ч и у с м іт т я , п р и с л у ж а т ь с я вам і я к с п о ж и в а ч а м . З т а к и м и з н а н н я м и ви з м о ж е т е р а ц іо н а л ь н о та б езп еч н о в и к ор и стову вати п р о д у к ц ію х і м і ч ­ них виробництв, д о л у ч а т и с я до зб е р е ж е н н я н а в к о л и ш н ь о г о середовищ а від за бр уд н ен н я ш к ід л и в и м и д л я нього р е ч о в и ­ нами. Н и н і перед х ім ік а м и постають нові н ев ід к ла д н і завдан­ ня — створення т е х н о л о г ій з ви п уск у нових, безпечних д л я ж и вої природи речовин; т е х н о л о г ій перетворення відходів чи відпрацьованих виробів од н и х виробництв у ц ін н у та б е зп е ч ­ ну с и р о в и н у д л я ін ш и х ; п о ш у к у способів з н е ш к о д ж е н н я небезпечних речовин; створення с п іл ь н о з ін ш и м и науками у н ік а л ь н и х т е х н о л о г ій . До них н а л е ж а т ь н а н о т е х н о л о г ії (п р е ф ік с н а н о - в ж �� в а єт ь ся д л я п о з н а ч е н н я д у ж е м а л и х р о з м ір ів ), щ о з ’ я в и л и с я завдяки поєднанню н о в іт н іх д о ­ сягнень б іо л о г ії, ф ізи ки , х ім ії і даю ть зм о гу працювати на атом ном у та м о л е к у л я р н о м у рівнях, тобто зам ість роботи з речовинами перейти до роботи з окрем им и атомами та м о л е к у ­ ла м и . На такі т е х н о л о г ії чекає вели ке майбутнє в науці, т е х н іц і, м едицині, с іл ь с ь к о м у господарстві. З були ся пророчі слова одного з основополож ників х ім іч н о ї науки М и х а й ла Васильовича Ломоносова, що х ім ія ш ироко простягає руки свої у справи лю д ськ і. 213

.______ П ІД ІБ 'Є М О П ІД С У М К И ______

• Х ім ія — могутній чинник існування прпродп і розвитку суспільства. • Значення фотосинтезу полягає у перетворенні неорганічних речовин на органічні, щ о забезпечує підтримання потрібно­ го д л я ж и ттєд іяльн ості організмів вмісту кисню в повітрі, у перетворенні ен ергії світла на х ім іч н у енергію. • Основу дихання становлять окисно-відновні реакції, що забезпечують к л іт и н у енергією та речовинами, необхідними д л я утворення сп олук , властивих ж ивом у організму. • Суть горіння р ізн и х видів палива полягає в їх окисненні киснем з виділенням вели кої к ільк ості тепла. • Із корисних копалин ш л я х о м ї х х ім іч н о ї переробки лю дина н а в ч и ла ся добувати в е л и ч е з н у к і л ь к і с т ь ц ін н и х д л я с у с п іль н о го господарства речовин і матеріалів. • Основними завданнями сучасної х ім іч н о ї науки є добування речовин із заданими властивостями, розробка ефективних способів знеш кодж ення відходів та перетворення їх на к о ­ рисні для лю ди н и речовини, створення новітніх тех н о ло гій . СТОРІ НКА ЕРУДИТА Тр ивали й час продукцію харчової пром исловості пакували у кар­ тонну та скляну тару. Нині ж основним пакувальним матеріалом ста ли полімерні матеріали.

Пригадайте, що матеріалами називають речовини та їх суміші, які пройшли відповідну обробку і використовуються д л я виробництва певної продукції : де та ле й машин, побутових приладів тощо. А ле створювані заради користі лю дини м атеріали часто завдаю ть шкоди довкіллю , а отже, й лю дині, бо стаю ть побутовим и відходами, що не розкладаю ться в природі, масово накопичуються як см іття. Так, відпрацьовані пляш ки з полімерних матеріалів, поліетиленові пакети ста н о влять на сьогодні близько 1 0 % від загальної кількості відходів. Щ об зберегти пр и ро ду від засмічення, хіміки пропоную ть виго то в­ ляти екологічно безпечні полімерні матеріали. Д о слідж ення в цьому напрямі триваю ть із 70 -х років XX сто ліття . Д оведе но, що додавання до си нтетичної полім ерної маси природних полімерів крохмалю, целю лози, хітину робить полімери «їстівним и» д л я мікроорганізмів та знижує стійкість проти тем ператури, сонячного світла, тепла , вологи. Тож, дібравш и відповідний вміст біодобавки, можна виготовити м а­ теріал, що піддаватим еться розкладанню бактеріями, а не накопичу­ ватиметься як сміття. Поліетиленові біоплівки використовую ть нині д л я пакування харчо­ вих продуктів, в иго то в лення пляш ок, мішків тощ о. П о ліе ти ле н з 214

добавками крохмалю руйнується упродовж 4 — 8 місяців. З апр о по ну­ вали хіміки і технологію вторинної переробки полімерної сировини. Виготовлення полімерів, здатних д о природного розкладання, — перспективний спосіб збереження природи від забруднення п о б уто ­ вими відходами у вигляді полімерної тари, плівок тощ о. П Е Р Е В І РТ Е С В О Ї ЗНАННЯ

1. Оцініть роль хімічних процесів у природі. 2. Наведіть приклади, що підтверджують роль хімії в суспільному виробництві. 3. Розгляньте проблему роботи теплових електростанцій з позиції їх впливу на довкілля. 4*. Галузями важкої промисловості, крім хімічної та нафтохіміч­ ної, є паливна, електроенергетична, металургійна, машинобудівна, скляна, фарфоро-фаянсова та інші галузі. Користуючись різними інформаційними джерелами, в тому числі й мережею інтернет, роз­ робіть та презентуйте групові проекти, у яких розкрийте роль хімічних знань у розвитку певної галузі, схарактеризуйте провідні професії її працівників.

215

С ловник основних х ім іч н и х термінів і понять Амінокислоти — органічні кислоти, у складі молекул яких є одна чи кілька аміногруп. Аніон — негативно заряджений йон. Білки — природні полімери, мономерами яких є а-амінокислоти. Відновлення — процес приєднання електронів. Гідроліз — реакція йонного обміну між речовиною та водою. Гомологи — сполуки одного гомологічного ряду. Гоомо.югічний ряд — ряд сполук, що мають однотипну будову, виявляють схожі хімічні властивості, але відрізняються за складом молекул на певне число груп атомів СН2. Дисперсна система — гетерогенна система, що складається з двох або більше компонентів (фаз), між якими існує поверхня поділу. ^ Екзотермічна реакція — реакція, що відбувається з виділенням теплоти. 4 Електроліти — речовини, водні розчини чи розплави яких прово­ дять електричний струм. Електролітична дисоціація — розпад речовин на вільно рухливі іпжи в розчині або в розплаві. Електронний баланс — запис, що складається із символів хіміч­ них елементів, у яких відбулися зміни ступеня окиснення атомів, позначень ступенів окиснення над кожним із них, а також чисел приєднаних і відданих електронів. Елементи-органогенн — неметалічні елементи Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген. Емульсія — дисперсна система, в якій і дисперсна фаза, і дисперс­ не середовище є рідинами. ^Ендотермічна реакція — реакція, що відбувається з вбиранням теплоти. Жири — естери трьохатомного спирту гліцерину та вищих карбо­ нових кислот. Ізомери — речовини з однаковим кількісним та якісним складом молекул, але різною будовою та властивостями. Карбоксильна група — функціональна група органічних сполук, що мають загальну назву карбонові кислоти. Катіон — позитивно заряджений йон. Кислоти — електроліти, що дисоціюють з утворенням катіонів Гідрогену та кислотного залишку. Колоїдний розчнн — дисперсна система, іцо містить частинки від 1 до 1 0 0 нм, невидимі візуально, але які можна бачити в променях світла. Кристалізаційна вола — вода, яка після випарювання розчину пе­ рейшла до складу кристалів твердої речовини. Масова частка розчиненої речовини в розчині (СО) — відношення маси розчиненої речовини до маси розчину. Межа розчинності — максимально можлива маса чи об’єм (для газів) розчиненої речовини, що за конкретних умов (температури, тиску) розчиняється у 1 0 0 г розчинника. 216

Молекулярне рівняння — рівняння, в якому записи, що стосують­ ся складу речовин, подано хімічними формулами. Насичений розчин — розчин, у якому дана речовина за даної тем­ ператури більше не розчиняється. ( Неелектроліти — речовини, водні розчини чи розплави яких не проводять електричного струму. Необоротна реакція — реакція, що відбувається в одному напрямі й закінчується повним перетворенням реагентів на продукти реакції. Нуклеїнові кислоти — природні полімери, структурними ланками яких є нуклеотиди. \рборотн а реакція — реакція, що за однакових умов відбувається в протилежних напрямах. Окиснення — процес віддачі електронів. Окисно-відновні реакції — реакції, які відбуваються зі зміною ступенів окиснення атомів. Основи — електроліти, що дисоціюють з утворенням катіонів ме­ талічного елемента та гідрокснд-аніонів. П овне йонне рівняння — рівняння, в якому замість хімічних фор­ мул електролітів записані йони. на які ці речовини дисоціюють у роз­ чині. Реакція гілрогенізації (гідрування) — реакція приєднання водню до ненасиченнх вуглеводнів. Реакція заміщення — реакція між складною і простою речовина­ ми, внаслідок якої атоми простої речовини заміщують атоми (йони) складної речовини. Реакція обміну — реакція між двома складними речовинами, під час якої речовини обмінюються своїми складовими частинами. Реакція полімеризації — реакція сполучення однакових молекул в одну макромолекулу. Реакція розкладу — реакція, в результаті якої з однієї складної речовнни утворюються дві та більше речовин. Реакція сполучення — реакція, внаслідок якої з двох і більше ре­ човин утворюється одна. Розчинність — здатність речовини розчинятися в тому чи іншому розчиннику з утворенням істинних розчинів. Скорочене йонне рівняння — рівняння, що відображає утворення з йонів недисоційованого у воді продукту реакції. Солі — електроліти, що дисоціюють, утворюючи катіони ме­ талічного елемента та аніони кислотного залишку. Ступінь електролітичної дисоціації (а ) — кількісний показник електролітичної дисоціації, обчислений як відношення числа формульних одиниць розчиненої речовини, що розпалися на йони. до їх загального числа до дисоціації. Суспензія — дисперсна система, що містить частинки розміром понад 1 0 0 нм, видимі візуально. Тепловий ефект хімічної реакції — кількість теплоти, що виділяється або поглинається в результаті хімічної реакції. Хімічна рівновага — стан оборотної реакції, за якого хімічна взаємодія відбувається, проте видимих змін не спостерігається. 217

Список додаткової літ ерат ури та інтернет-ресурсів для по глиблен ня і розширення знань 1. Базелюк І. І. Довідкові ма��еріали з хімії І. І. Базелюк, Л. П. Велично, Н. В. Титаренко. — Київ— Ірпінь : Перун, 1998. — 224 с. 2. Болдог И. И. Теорія електролітичної дисоціації ' Й. Й. Болдог, П.П. Попель. — К. : Рад. шк., 1980. — 144 с. 3. Висецька .7. В. Хімічний тренажер для розв'язування задач : Вип. II / Л.В. Васецька. — X. : Вид. група «Основа*, 2005. 4. Василега XI. Д. Цікава хімія / М. Д. Василега. — К. : Рад. шк., 1980. — 159 с. 5. Великий довідник школяра з тестовими завданнями : розд. ♦ Х ім ія ». — К. : Махаон — Україна, 2007. — С. 447— 580. 6 . Гачев Г . Д . Гуманитарньїй комментарий к физике и химіш: Диалог между науками о природе н человеке Г. Д. Гачев — М. : Логос. 2003. — 512 с.' 7. Егоров А. С. Химия в 400-х вопросах и ответах : пособ. для учащихся и абитурионтов А. С. Егоров. — Ростов-на-Дону : Феникс, 2001. — 352 с. 8 . Олімпіади з хімії : зб. задач всеукраїнських, обласних, район­ них олімпіад з розв’ язаннями, вказівками, відповідями / І. І. Кочер­ га, Ю. В. Холін, Л . О. Слєта [та ін]. — X. : Ранок — Веста, 2004. — 384 с. 9. О.іьгин О. XI. Опьітьі без взрьівов О. М. Ольгин. — 4-е изд.— М. : Химия, 1995. — 176 с. 10. Усі цікаві досліди. Хімія. 10 — 11 класи. — X. : Торсінг-плюс, 2007. — 320 с. 11. Фримантл XI. Химия в действии : в 2-х ч. — Ч. 1 : М. Фримантл пер. с англ. — М. : Мир, 1991. — 528 с. 12. Фримантл XI. Химия в действии: в 2-х ч. Ч. 2 : М.Фримантл; / пер. с англ. — М. : Мир, — 1991. — 622 с. 13. Харлампоаич Г . Д . Многоликая химия : кн. для учащихся Г. Д. Харлампович, А. С. Семенов, В. А. Понов. — М. : ІТросвещение, 1992. — 159 с. 14. Химия и обіцество : пер. с англ. — М. : Мир. 1995. — 560 с. 15. З тк и п с П. Молекульі: пер. с англ. — М. : Мир, 1991. — 216 с. 16. Ярошенко О. Г. Повторимо хімію О. Г. Ярошенко. — К. : Освіта. 2003 . — 80 с. 17. Ярошенко О. Г. Завдання і вправи з хімії : нпвч. посіб. О. Г. Ярошенко, В. І. Новнцька. — 6 -е вид., виправ., доопр. — К. : Стаиіца — Київ, 2007. — 291 с. ІН Т Е Р Н Е Т -Р Е С У РСИ \\лччу.сІн*т.т*и..чіі Портал фундаментальної хімічної освіти. 218

\л-\\'\А'. іч т ір г о г а ї іиЧ.іи’К/ сомішом

«Колекція молекул* — бібліотека речовин з тривимірними і навіть стереоскопічними зображеннями молекулярних структур. сікчи іяігу.п ш .п і

Інтернет-репетнтор з хімії. \чл\-\у. и н и о п е ^ - х і и Ч . г и

Н о в и м и н а н о т е х н о л о г ій .

гІіо т І 8 Ігу.г 2 .пі Опорні конспекти з хімії. \у\ч\у.сІіеті«Ігу.іиіпмІ.ги Сайт «Світ хімії*. \у \у \у . р о я ііір і.г н

Інформація з основ теоретичної хімії, елементів та їх сполук, органічної та неорганічної хімії. \у\\’\\\\’і(Ь'<).он1іш*. її» 3 8515.ріір Цікавий відеофільм про хімічні досліди за темами, що вивчають­ ся в 9 класі. хуху^-.сіівіапсе.гчіи.уи.ііа шаря.іііші Тести для перевірки знань з хімії.

П редм етний покаж чик

А Аміногрупа 186 Амінокислота 185 Ацетилен (етин) 129,130 Б Бутан 126 В Відновлення 89 Відновник 89 Виготовлення розчину 37, 10, 41,-19 Вуглеводи 173, 176, 178 Вуглеводні 124 — насичені 125, 126 — ненасичені 132— 135

г Гідрування 134,169,172 Гідратація 34 Гексан 126 Гептан 126 Гліцерин 148, 150, 151, 154, 156 Глюкоза 173, 174, 176, 177,209 Гомологи 125 Гомологічний ряд 125

д Декан 126 Денатурація 189

Е Електроліти 51, 55. 56 Електролітична дисоціація 51, 55, 57 Елементи-органогенп 1 13 Емульсії 28, 31 Етанол 148, 149, 151, 153, 154, 155 Етан 125 Етилен (етен) 129, 130 220

Ж Жири 167— 171 З Зв’ язок — водневий 2 0 — 2 2 — одинарний 117. 118, 122 — подвійний 117, 118, 122 — потрійний 117, 118, 122 І Ізомери 114

й Йонні рівняння 63, 64, 67 к Карбоксильна група 159, 186 Кислоти — амінооцтова 185— 187, 191 — етанова(оцтова) 159— 163 — олеїнова 166— 168 — пальмітинова 166 — стеаринова 166 Кристалогідрати 34 Крохмаль 175— 177

м Масова частка розчиненої речовини 37— 42, 44 Метан 124 Метанол 148, 150, 156 Мило 166 Моделювання 120 Модель 120, 131 Мономер 143. 146, 188 Моносахарид 173

н Нафта 128 Неелектролітп 55 Нонан 126 Нуклеїнові кислоти 194 — 196

о Окиснення 89 О к и с н и к 89 Октан 126 Олії 168, 172

п Пептид 189 ГІептидна група 187 Поліетилен 143, 145 Полімер 143 Полімеризація 143, 144, 146 Полісахариди 173, 175

Р Ради кал 14 7 Реакції — гідролізу 70 — екзотермічні 96, 98, 99 — ендотермічні 95, 98, 99 — естерифікації 167 — заміщення 78, 80. 81 — кольорові 189, 190 — необоротні 82 — обміну 80, 81 — обміну між розчинами електролітів 62— 67. 70 — окисно-відновні 87— 92 — оборотні 82, 83 — полімеризації 143 — розкладу 79— 81 — сполучення 79, 81 Розчини — істинні 18 — колоїдні 28, ЗО, 31 — насичені 23 — ненасичені 23 Розчинник 19 Розчинена речовина 19

с Сахароза 173, 174, 177 Структури білкових молекул 188* Структурна ланка 143, 144, 146 Ступінь полімеризації 143, 144,146 Суспензії 28, 31

т Тепловий ефект реакції 93—95 Теплові явища при розчиненні 32, 33 Термохімічне рівняння 96, 99

Ф Ферменти 178, 181, 189, 193, 205 Формули органічних речовин — електронні 119,130 — напівструктурні 119 — структурні 117— 119 Фруктоза 173 Функціональна група 149, 159, 186

ц Целюлоза 175, 176, 177 “ '

ш Швидкість 95— 105

хімічної

реакції

X Хімічна рівновага 83— 85

221

ЗМІСТ Повторення основних питань курсу хімії 8 класу § 1. Склад і властивості основних класів неорганічних сполук . . 5 § 2. Хімічним зв’ язок і будова речовий .........................................11 Т Е М А 1. Р О З Ч И Н И § § § § §

3. Поняття про розчини ............................................................... 18 4. Поняття про дисперсні системи............................................... 27 5. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин . . . 32 6 . Кількісний склад розчину. Виготовлення розчинів.............. 37 7. Обчислення масової частки розчиненої у воді газуватої чи рідкої речовини ................................................................... 41 § 8 . Виготовлення розчину солі з певною масовою часткою розчиненої речовини. Практична робота 1 ............................ 49 § 9. Електролітична дисоціація. Електроліти та неелектроліти . 51 §10. Електролітична дисоціація кислот, основ, солей у водних розчинах. Ступінь дисоціації. Сильні й слабкі е ле к т р о літ и ................................................................................57 §11. Реакції обміну між розчинами електролітів, умови їх перебігу. Йонні р івняння..................................................... 62 §12. Реакції йонного обміну в розчинах електролітів. Практична робота 2 ..................................................................................... 6 8 § 13. Розв’ язування експериментальних задач. Практична робота 3 ......................................................................................71 Завдання для підготовки до контролю .тат, з теми 1 ................ 74

Т Е М А 2. Х І М І Ч Н І Р Е А К Ц І Ї § 14. Класифікація хімічних реакції! за кількістю і складом р еа ге н т ів ....................................................................................78 § 15. Оборотні й необоротні реакції ............................................... 82 § 16. Окисно-відновні реакції ......................................................... 87 §17. Тепловий ефект реакції. Екзотермічні та ендотермічні реакції........................................................................................93 § 18. Швидкість хімічної реакції. Залежність швидкості хімічної реакції від різних чинників .....................................99 Завдання для підготовки до контролю знань з теми 2

............ 108

Т Е М А 3. Н А Й В А Ж Л И В І Ш І О Р Г А Н І Ч Н І С П О Л У К И § 19. Спільні іі відмінні ознаки органічних і неорганічних сполук. Будова атома Карбону та утворення ним хімічних зв’ язків ................................................................... 1 1 2 § 20. Утворення ковалентних зв'язків в органічних сполуках. Структурні ф орм ули............................................................... 117 222

§21. Метан, ііогс» будова і властивості. Гомологи м етану............ 12-1 § 2 2 . Етилен іі ацетилен. їх склад, хімічні формули та фізичні властивості ........................................................... 129 § 23. Хімічні властивості, застосування етилену іі ацетилену . . . 133 § 21. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях .................. 138 § 25. Поліетилен. Поняття про п олім ери ....................................... 113 § 26. Метанол, етанол, гліцерин як представники окснгеновмісннх органічних сполук. Поняття про функціональну гідроксильну г р у п у ............................... 1-48 § 27. Хімічні властивості та застосування с п и р т ів .......................153 § 28. Оцтова кислота. її склад та властивості ............................... 159 § 29. Експериментальне дослідження властивостей оцтової кислоти. Практична робота 1 ................................................. 164 § ЗО. Поняття про вінці карбонові кислоти та жири ...................166 §31. Вуглеводи: глюкоза, сахароза, крохмаль, ц е л ю л о з а .......... 173 § 32. Хімічні властивості та застосування вуглеводів ................ 179 § 33. Амінокислоти та б і л к и ........................................................... 185 § 34. Розв’ язування експериментальних задач із використанням знань про найважливіші органічні сполуки. Практична робота 5 .................................................................................... 191 § 35. Біологічна роль амінокислот і білків. Поняття про нуклеїнові кислоти, їх біологічну р о л ь .........................192 Завдання для підготовки до контролю знань з теми 3

............ 199

У З А ГА Л Ь Н Е Н Н Я З Н А Н Ь З Х ІМ ІЇ § 36. Місце хімії серед наук про природу та роль хімічних знань у її пізнанні ..................................................................203 § 37. Значення хімії у природі та суспільстві ............................... 208 Словник основних хімічних термінів і п о н я т ь ............................. 216 Список додаткової літератури та Інтернет-ресурсів для поглиблення і розширення з н а н ь ........................................... 218 Предметний п о к а ж ч и к ....................................................................220

223


pick_himiya_9_yaroshenko