Page 1


V

имия

-

это наука о веществах и законах, которым

Лп одчиняются их превращения. Те, кто создШI эту науку,

-

СОДЕРЖАНИЕ

вн ачале Шiхимик и, затем врач и и аптекари и, наконец,

собственно хим ики - не щадили сил и здоровья, а порой и жизни в стремлении открыть двери в неизведанное, получ ить новые вещест ва и материалы, необходимые людям. Хим и ческий микрокосм вмещает не меньше загадок, чем необьятный Макрокосм. Ка:жется, что вещества живут своей особенн ой жизнью, таинственной и н еп ост ижимой.

Какова роль человека в этом мире, как достичь гармонии с окружающей природой - ответ на эти вопросы может дать химия.

Слово о химии. Атомы. Молекулы. Химические рекции

10

ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕ НТ

И ПРОСТОЕ ВЕЩЕСТВО

10

МЕНДЕЛЕЕВ И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗА КОН ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ

18

НАПРАВЛЕНИЕ РЕАКUИЙ

И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕ СИЕ

Охраняетеся законом РФ об авторском праве. Воспроизведение текста, части текста или иллюстраций без разрешения правообладателя запрещено и преследуется по закону.

ISBN 5-486-00756-6 ©

Коллектив авторов,

2001

©« Русское энциклопедическое товарищество», © ООО «ТД «Издательство Ми р книги »,

4

2006

2001

24

14


Металлы и неметаллы ЗОЛОТО: МИФЫ

И ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ

65

МНИМАЯ ИНЕРТНОСТЬ АЗОТА ЭЛЕМЕНТ-АГРЕССОР ФТОР

67

72

СЕРА И РТУТЬ- ДУХИ МЕТАЛЛОВ

76

САМЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МЕТАЛЛЫ ВЕЗДЕСУЩИЙ НЕМЕТАЛЛ КИСЛОРОД

81 86

Растворы и кристаллы. Кислоты и основания. Окисление и восстановление ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ КРИСТАЛЛОВ

29

ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ

И ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ

32

ИСТИННЫЕ И КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ ВОДА И ИОНЫ

37

ГИДРОЛИЗ

Мир углерода УГЛЕРОД И ЕГО ЗНАМЕНИТЫЕ

РАЗНОВИДНОСТИ

ДВУЛИКИЕ ВЕЩЕСТВА.

АМФОТЕРНОСТЬ

34

44

46

УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА

ЭТИЛЕН И АЦЕТИЛЕН

50

ЭЛЕКТРОНЫ МЕНЯЮТ ХОЗЯИНА ВОССТАНОВИТЕЛЬНОМ МОРЕ

52

ВОДОРОД - БЕНЗОЛ

БЛУЖДАЮЩИЕ РЕАКЦИИ

62

62

СПИРТЫ

57

РЯД НАПРЯЖЕНИЙ РАССКАЗЫВАЕТ

93

98

КАРБЮРИРОВАННЫЙ

КОМПАС В ОКИСЛИТЕЛЬНО­

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ

91

НЕФТЬ И ПРИРОДНЫЙ ГАЗ

59

101

104

АЛЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ БЕЛКИ И САХАРА

108

111

ЦЕПИ И СЕТКИ ИЗ АТОМОВ УГЛЕРОДА

118

5


слово о химии п

ревращения

веществ

удивительны

и

порой

невероятно эффектньr. К тому же многие химические опыты позволяют сделать очередные

шаги щего

к

познанию

мира

и

окружаю­

ответить

на

из­

вечные вопросы: «как?», «По­

чему?» и «зачем?».

в

Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиня ­ ются их превращения. Что влечет человека заниматься химией? Наверное, таинственная сила, заключенная в веществе. Она мо­ жет быть и целебной, и страшной по своему разрушающему дей­ ствию. Может подарить тепло и свет, но может погрузить во мрак и холод. А разве не интересны попытки соединить вместе несколько веществ? Что родится из смеси - новый материал, устойчивый к огню, кислотам и щелочам, не пробиваемый снаря­ дом сплав, невиданная пищевая приправа?..

В НаШИ ДНИ ХИМИЯ стала МОЩНЫМ оружием ЦИВИЛИЗаЦИИ, она

ы начинаете опыты. Про­

снабжает сырьем практически все отрасли промышленности и сельского

стые, но весьма эффект­

хозяйства. С ее помощью создаются лекарства и витамины, удобрения и

ные опыты , описанные далее,

требуют не каких-то особых химических навыков, осторожности,

а лишь

внимания

аккуратности. Главное

-

и

со­

блюдать три простых правила. Первое : не следует экспери­ ментировать с незнакомыми

химические средства защиты растений.

Уголь, нефть, газ и руды химия превращает в металлы, бетон и стекло , ке­ рамику и многочисленные органические соединения, в том числе такие,

каких в природе не было и не могло быть. Вооруженные знанием химии люди ведуr синтез красителей, искусствен­ ных волокон,

взрывчатых веществ,

получают полупроводники

и

сверх­

веществами. Не забывайте, что

проводники , топливо для ракетных двигателей, новые строительные ма­

и слишком большие количе­

териалы. Ядерная энергетика также немыслима без глубокого проникно­

ства хорошо известных хими­

вения в тайны этой науки.

катов в неумелых руках мoryr стать опасными.

Второе:

прежде чем

выпол­

нятьлюбой опыт, надо внима­

Зарождение ХИМИИ. Трудно сказать, когда и где наши далекие предки впервые стали заниматься химией. Полагают, что примерно nять­

тельно прочесть его описание

шесть тысяч лет назад в древнейших очагах цивилизации

и понять свойства применяе­

те, Индии и Месопотамии (междуречье Тигра и Евфрата)

мых веществ. Для этого есть учебники

и

справочники,

а

также «Химический энцикло­

-

Китае, Егип­ Уже получали

из руд металлы, готовили краски , обжигали глиняные сосуды, использо­ вали травы для лечения ран и болезней.

IV

педический словарь» .

Термин «химия» появился в

Третье: нужно быть осторож­

этому склоняется большинство исследователей), это слово происходит от

ным

« Кеми »

и

предусмотрительным.

Опыты, связанные с горени­ ем, образованием дыма и вредных

газов,

следует

пока­

зывать там, где это не вызовет

-

в. н.э. в греческом языке. Возможно (и к

« Черная страна»; так в глубокой древности называли Египет.

В 332-331 гг. до н.э. в Египте Александром Македонским был основан го­ род Александрия. Здесь существовала академия наук, Александрийский мусейон, где «свя щенному искусству химии» было отведено особое зда­

неприятных последствий, на­

ние, храм Сераписа

пример под открытым небом.

Этот храм бьm разрушен фанатиками -христианами в

Если во время опыта какие-то вещества разбрасываются или

-

храм жизни, смерти и исцеления.

ки-арабы, завоевав Александрию в

640

391

г. н.э., а кочевни­

г., завершили его уничтожение.

-

разбрызгиваются, следует обе­

Арабы-химики ввели вместо названия «химия» иное

зопасить себя защитными оч­

мию считали искусством превращения неблагородных металлов (железа,

ками либо экраном, усадить

свинца, меди) в благородные (золото и серебро) с помощью особого ве­

зрителей на безопасном рас­

щества

стоянии. Все опыты с сильны­ ми кислотами и щелочами на­

-

«алхимия». Алхи­

«филос офского камня». Алхимики несколько веков упорно ис­

кали способы получения чудодейственного вещества. Даже знаменитый

до проводить, надев очки и ре­

английский физик, математик и астроном Исаак Ньютон

зиновые перчатки.

значительную часть жизни посвятил попыткам получить «философский

Если эти правила будут со­

камень».•

(1643-1727)

блюдены, то все эксперимен­ ты пройдут успешно , а хими­ ческие

вещества

очарование

своих

превращений.

6

химия

раскроют чудесных

Открытие фосфора. Алхимические представления пошатну­ лись, когда бывший немецкий солдат, а затем неудачливый купец Хённиг Бранд решил разбогатеть.


В

1669

г. был случайно получен белый фосф~- первый неметалл , от­

крытие которого задокументировано и имеет определенную дату.

После открытия Бранда начались усиленные поиски новых химических элементов . Только между

лов и

6 неметаллов.

1748 и 1798 гг.

было обнаружено

14 новых метал­

Открытию химических элементов способствовала мо­

дернизация лабораторного оборудования: в это время появились стеклян­

ная мерная посуда , резиновые пробки и шланги , платиновые чашки и тиг­ ли, точные весы .

вая химическая теория, объяснявшая процессы горения и разложения ве­

-

теория флогистона (от греч . «флогистос »

« Горючий » ). Шталь

сканского ордена Роджер Бэ­ кон .

Он

опытов

проделал

немало

в поисках способов

превращения

одних

веществ

в другие . За отказ открыть се­ креты получения золота (ко­

торых он не знал) Бэкон был

Теория флогистона. В тот же период была разработана и пер­ ществ ,

А лхимиком был и выдаю1'"\.щи йся английский фи­ лософ Xlll в. , монах франци­

Ее сформулировал в

1697-1703

-

« воспламеняемый» ,

гг. немецкий врач Георг

(1659-1734).

осужден собратьями по вере и провел в церковной темни­

це

15 лет.

ла

По велению генера­

ордена

сочинения

хаестествоиспытателя

мона­ в

на ­

казание были прикованы це­ пями к столу в монастырской

Теория флогистона получила широкое распространение, и благодаря

библиотеке в Оксфорде.

ей химия окончательно освободилась от алхимических представлений.

~еловечество тысячелетиями

По мнению Шталя, флогистон

-

материальная субстанция , составная

часть любого горючего тела. Он выделяется при горении или прокалива­ нии веществ и, соединяясь с воздухом , образует пламя. Знаменитые хими­

ки тех времен

-

Михаил Васильевич Ломоносов, Карл Шееле , Джозеф

Пристли , Генри Кавендиш

-

искали способы выделения флогистона из

-

материальное тело,

которое состоит из мельчайших частиц (корпускул) .

(1743-1794) , который

в

1775

г . открыл кислород. Уголь,

сгорая , соединяется с кислородом и переходит в диоксид углерода СО 2 •

Этот же газ, а вовсе не флогистон , выделяется при прокаливании карбона­ тов кальция и магния.

щая масса веществ, вступающих в химическую реакцию , равна общей мас­

(1766-1844)

XV1

в.

Немецкий врач и естествоис­ пытатель всех

Теофраст

(1493-1541) алхимиков

синтезом

Пара­ призвал

занимать­

лекарственных

средств , а не искать то , что в природе существовать не мо­

жет .

Парацельс

одним

из

первых начал использовать в

медицинской практике пре­ ртути,

свинца ,

сурь­

мы , меди и мышьяка .

Органическая химия. Главные законы химии. в хvш в. и в начале XJX в. происходит формирование теоретических основ химии , ее главных законов. В 1748 г. Ломоносов, а в 1781 г. Лавуазье доказали, что об­ се продуктов реакции. В

алхимиков бьш нанесен в

параты

накапливало

удар по бесплодным поискам

ся

Теория флогистона была опровергнута работами французского химика Антуана Лавуазье

крупицам

цельс

различных веществ , но так и не смогли его обнаружить.

Ломоносов, например , допускал, что флогистон

по

химические знания. П ервый

1803

г. английский химик и физик Джон Дальтон

ввел в употребление фундаментальное понятие атомного веса

К этому времени считалось , что

в

природе

существуют

только десять элементов-ме­

таллов (золото , серебро, же ­ лезо,

медь ,

олово,

свинец,

ртуть, цинк, висмут и сурьма) и

три

элемента-неметалла

(углерод, мышьяк и сера) , из

(массы) и установил закон кратных отношений. Сейчас этот закон читает­

которых

ся так: если два химических элемента образуют несколько соединений, то

ные вещества .

состоят

все

осталь­

количества атомов одного элемента, приходящиеся на одно и то же коли­

чество атомов другого, относятся как целые числа. Например, в оксидах азота В

NO

и

N02 отношение N:O

1801-1808

равно соответственно 1 : 1и1:2 .

гг. между химиками разных стран разгорелся ожесточенный

спор , начало которому положили французы Клод Бертолле

Жозеф Пруст

(1754-1826).

( 1748-1822) и

Первый утверждал, что продукты химичес­

ких реакций не имеют постоянного состава. Второй считал доводы Бер­ толле несостоятельными и писал в одной из статей: « Японская киноварь

(киноварь

-

природный сульфид ртути

HgS. -

Прим. ред.) имеет такой же

относительный состав, как и испанская » . Все химики разделились на два лагеря. Диспут закончился победой Пруста , который доказал, что каждое определенное химическое соединение, независимо от способа его получе­ ния, состоит из одних и тех же химических элементов, причем соотноше­

ние их масс постоянно. После

1808

г. большинство химиков того времени

признали закон постоянства состава всеобщим законом природы.

слово о химии

7


Л иш ь в ХХ в. было установлено, что оба ученых были правы. Закон П рус ­

с

оздание химической но­ м ен кл атуры .

В

г.

1786

родился «химический язык», появились

первые

названия

научные

химических

ве­

ществ .

Четыре французских

ученых

-

во,

Луи Гитон де Мор­

Антуан

Лавуазье,

Клод

Бертолле и Антуан Фуркруа разделили

все

известные

химические элементы таллы

и

неметаллы,

соединения лородом

на ме­

отнесли

металлов с

к

-

им

кис­

основаниям,

а

кислородные соединения не­

металлов

к кислотам. Веще­

-

ства, получающиеся при взаи­

та оказался справедлив только для газообразных и жидких веществ моле­

куля р ного строения, чаще всего веществам

стр оения

органических соединений. К твердым

-

зако н

постоянства

состава

неприменим:

в большинстве случаев они являются нестехиометрическими (соединени­

ями пер еменного состава) .

Периодический закон и законы химического рав ­ 1864 г . норвежские ученые физикохимик Като Гульдберг ( 1836- 1902) и химик П етер Вааге (1833-1900) открыли основной закон химического равновесия - закон действующих масс. Прошл о еще 20 лет, и французский физикохимик Анри Ле-Шателье (1850-1936) установил , что химическим равновесием можно управлять, новесия. В

смещая его вправо или влево. Найденная им закономерность получила название закона смещения химического равновесия (термодинамическо­ го равновесия в системе, между компонентами которой происходит хи­

модействии кислот и основа­

мическая реакция), или принципа Ле - Шателье. В соответствии с этим

ний , были названы солями.

законом при внешнем воздействии на химическую реакцию , находящую­

В

г.

1814

шведский

химик

Йене Берцелиус ( 1779-1848) ввел

в употребление латин­

ские символы для обозначе­ ния

химических элементов и

ся в равновесии, последнее смещается в сторону , ослабляющую произво­ димое воздействие.

Самым значительным событием

1869

XIX

в . было открытие Менделеевым в

г. Периодического закона, на основе которого им была составлена

первые химические формулы

П ериодическая система химических элементов. Используя эту таблицу,

соединений.

Менделеев предсказал существование и свойства трех не известных тогда

Он же

предло­

жил обозначать число атомов химических

элементов

единениях цифрой,

в

со­

постав­

ленной вверху справа у сим­

химических элементов

венно галлием

1834 г.

100

лет , хотя уже в

немецкий химик Юстус

Либих рекомендовал перенес­ ти

этот

индекс

принято сейчас

формуле

Ga,

скандием

Sc

1875

г. по

и германием

1886 Ge. •

г. и названы соответст­

представления о каталитических реакциях и катализаторах. Каталитичес­ кие химические р еакции

-

это реакции , протекающие только в присутст­

как это

вии особых веществ, называемых катализаторами . Они изменяют ско­

например в

рость реакции или «иниции р уют» ее, но после окончания реакции оста ­

вниз ,

-

« экаалюминия », « экабора» и «экасилиция». Эти

Катализ И полимеры. В XIX столетии зарождались и первые

написания формул сохранял­

ся почти

-

элементы были открыты в период с

вола элемента. Такой способ

дисульфата

калия

K 2 S20 1 • Однако авторитет Бер­ целиуса был настолько велик, что химики долго не соглаша­

лись с предложением Либиха.

ются в неизменном виде и количестве . В Тенар

( 1777-1857) открыл

г. французский химик Луи

1818

пе роксид водорода нр 2 и установил каталити­

ческое действие на него ряда твердых веществ , например

Mn0 2• Эти

веще­

ства вызывали разложение Н 2 О 2 , но сами в ходе реакции не расходова­

Даже известный русский уче­

лись. С тех пор данная реакция служит эталоном каталитической актив­

ный Дмитрий Иванович Мен­

ности твердых веществ.

делеев, славивщийся незави­

Через

симостью взглядов, в учебнике

« Основы химии»

г.), за­

(1903

писал формулу дисульфата ка­

лия так: K S 0 2 2

7

(как, впрочем ,

13 лет Дебе рейнер с удивлением

обнаружил, что мелко раздроблен­

ная платина («платиновая чернь») способна вызвать самовоспламенение водор ода и превратить этиловый спирт в уксусную кислоту, при этом не теряя и не увеличивая своей массы.

и формулы других химических

В начале ХХ в. благодаря катализаторам химикам наконец удалось ис­

соединений).

пользовать атмосферный азот в химических реакциях . В

В том же

1834

составлено

г. впервые было

уравнение

реак­

ции с использованием симво­ лов

химических

элементов .

мецкие ученые физикохимик В альтер Н ернст

rаник Фриц Габер

(1868-1934),

ру в несколько сотен градусов,

1907-1908 гг. не­ (1864-1941) и химик-неор­

применяя высокое давление и температу­ при

помощи

марганцевого катализатора

Это сделал немецкий химик

связали водород и атмосферный азот в молекулы аммиака

Иоганн Деберейнер

В

1849) . •

( 1780-

1964

г. российский химик Марк Вольпин (р.

1923)

N Н3•

открыл реакцию из ­

влечения из атмосферы азота в обычных условиях при помощи катализа­ торов

-

таллов.

8

и о нного

химия

комплексных соединений титана, хрома и некоторых других ме­


Появляются и первые полимеры соединения лярной

с

высокой

массой,

-

молеку­

состоящие

из

большого числа повторяющихся

групп (или звеньев) атомов , обра­ зующих либо открытую цепь , ли­ бо трехмерную сетку .

В

1867 г.

российский химик Алек­

сандр Бутлеров

( 1828- 1886) по­ - неизве­

лучил первый полимер

стный

ранее полиизобутилен , а

в

г. Сергей Лебедев

1910 1934),

(1874-

тоже российский химик ,

синтезировал первый образец ис­ кусственного каучука.

Открытие радиоактивности. На рубеже XIX и хх вв. про­

Аллегорическое

изображение

изошло событие , изменившее судьбу человечества. Французский физик

химии .

Антуан-Анри Беккерель

из опытов, завернул

с гравюры Б. Пикара.

кристаллы сульфата

черную светонепро­

( 1852-1908), проводя один уранила-калия K2(U0 2)(S0 4) 2 в

Цветная перерисовка

XVIJ в.

ницаемую бумагу и положил сверток на фотопластинку . После проявле­ ния он обнаружил на ней очертания кристаллов. Так была открыта есте­ ственная радиоактивность соединений урана.

Наблюдения Беккереля заинтересовали французских ученых

химика Марию Склодовскую-Кюри Пьера Кюри

( 1859-1906).

(1867-1934)

Они занялись поисками новых радиоактивных

химических элементов в минералах урана. Найденные ими в ний Ро и радий

Ra

физика и

-

и ее супруга физика

1898

г. поло­

оказались продуктами распада урана. Это была на­

стоящая революция в химии , т . к. до этого атомы считались неделимыми, а химические элементы

-

вечными и неразрушимыми .

В ХХ в. в химии было сделано много интересных открытий. Вот только

небольшая часть из них. С

1940

и по

1998 было

синтезировано

23

новых

химических элемента , не найденных в природе , в том числе технеций Те и астат

At.

Удалось получить элементы , находящиеся в Периодической

системе после урана: от нептуния

Np

с порядковым номером

93

до эле­

в

России получением «элик­ сира долголетия» занимал­

ся соратник Петра

( 1670- 1735) -

1Яков Брюс

один из самых

просвещенных людей России , астроном , математик и химик .

мента , не имеющего до сих пор общепризнанного названия , с порядко­

У него была лаборатория

вым номером

Москве на Сухаревой башне.

114.

Происходит постепенное слияние неорганической и органической химии; на их основе возникают химия металлоорганических соединений, бионе­ органическая химия , химия кремния и бора , химия комплексных соеди­ нений. Начало этому процессу положил датский химик-органик Вильям­

- Кристофер Цейзе, синтезировавший в

трихлороэтиленплатинат

(11)

калия

1827 г. необычное соединение K[Pt(C 2 H 4)Cl 3] . Только в 1956 г. уда­

лось установить характер химических связей в этом соединении.

в

Среди неграмотных москвичей Брюс сльUl чернокнижником , и они обходили Сухареву баш­ ню за версту. По одной из ле­ генд , ходивших в то время по

Москве , Брюс получил «Жи­ вую » и « мертвую » воду и заве ­

щал слуге оживить себя после

Во второй половине ХХ в. искусственным путем были получены такие

смерти. •

сложные природные вещества , как хлорофилл и инсулин. Были также синтезированы соединения благородных газов от радона Rп до аргона Аг, считавшихся ранее инертными, не способными к химическому взаимо­ действию. Положено начало получению топлива из воды и света. Возможности химии оказались беспредельными, а самые необузданные фантазии человека в области синтеза веществ с необычными свойствами

-

осуществимыми. Их реализацией займется молодое поколение химиков

первой половины

XXI

в.

• слово о химии

9


АТОМЬI. МОЛЕКУЛЬI. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

ХИМИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ И ПРОСТОЕ В ЕЩЕСТВО Многое делится на части. Можно разобрать дом по кирпичику, а затем каждый кирпич раздробить молотком. Молоко, нали­ тое в чашку, можно разделить на мелкие капли. А можно дать ему постоять и затем снять сливки - более жирную часть. В науке очень широко используется термин «элемент» - так принято называть составную часть чего-либо. Уже древние уче­ ные полагали, что все тела состоят из элементов.

Элементы Эмпедокла. Под элементом (от лат. elementum «стихия», «первоначальное вещество») в философском (но не химиче­

ском) смысле в древности понимали простейшую, неразложимую состав­ ную часть всех тел.

Древние греки под элементами понимали именно вещества, тем или иным способом воздействующие на органы чувств. А средневековые алхимики

использовали понятие «элементы» для обозначения качеств (свойств), или «Принципов»: ртуть была воплощением блеска, сера

-

горючести, соль

-

растворимости. Они считали, что для получения любого вещества доста­ точно лишь смешать эти «принципы» в нужной пропорции.

Прошло не одно тысячелетие, прежде чем возникло понятие о химиче­ Древнегреческий философ Эм­

ских элементах

-

то, которым пользуются и сейчас. •

педо1СJ1 полагал, что в мире есть четыре

основных

элемента

обладают неизменными соче­ таниями свойств: влажностью

и холодом (вода), сухостью и теrиютой (огонь), влажностью и теплотой (воздух), сухостью

и холодом (земля).

Химические элементы. В начале XVII в. директор академиче­

-

вода, огонь, воздух и земля. Они

ской гимназии в Гамбурге Иоахим Юнгиус одним из первых попытался ввести в преподавание атомистические представления. Например, он по­ лагал, что изменения в железной пластине, погруженной в медный купо­

рос,

-

результат обмена между атомами железа и находящимися в раство­

ре атомами меди. Юнгиус преподавал логику и физику Аристотеля, одна­ ко подходил к учению древнегреческого философа весьма критически. За это он даже попал в «черный список»

теля, согласно изданному в

1625 г.

-

противники философии Аристо­

в Париже закону, должны были подвер­

гаться телесным наказаниям, а в некоторых случаях даже казни. Это уче­ ние и много столетий спустя пользовалось таким авторитетом, что даже

мысль о том, что великий Аристотель не во всем был прав, считалась ко­ щунством.

В

1647

г. появилась книга франuузского естесгвоиспыrате.ля и философа Пьера

Гассенди

«0

жизни, нравах и учении Эпикура», в которой он писал о веществах:,

состоящих из атомов, агличающихся по величине, форме и весу. Атомы, по мне­ нию философа,

-

неделимые непроницаемые частицы, между которыми нахо­

дится пустота. При движении атомы, как правило, сталкиваются, и поэтому их скорость может возрастать или уменьшаться.

10

х им ия


Вскоре к защите атомистического учения подключился английский физик и хи­

мик Роберт Бойль

(1627-1691).

Существенно развив атомистическую теорию,

Бойль положил ее в основу своих химических представлений.

В

1661

А томы. Соверше нно неза­

J-\..висимо от учения об эл е­ м е нтах развивал и с ь атомистическом

г. в книге « Химик-скептик» ученый определил элементы как « Пер­

идеи об

строении

ве ­

щества. Дре вни е фил ософы ,

воначальные и простые , впол не не смешанные тела , которые не состав­

опирая с ь только

лены друг и з друга , но представляют собой те части , из которых состав­

смысл и самы е общи е законы

лены все так называемые смешанные тела и на которые последние могут

быть в конце концов разложены ». Он ввел представление о первичных

природы ,

на

здравый

предпол ожили ,

что

все вещества образованы

из

мельчайши х неделимых час­

корпускулах (мельчайших частицах) как элементах и о вторичных корпу­

тиц

скулах как сложных телах. Бойль совершенно отошел от алхимических

пришла

представлений, считая элементы именно веществами , а не « принципа­

сейчас сказать очень трудно .

ми » или идеями. Правда , это не мешало ученому считать воду чистым элементом , а золото ,

или смесями.

медь,

ртуть и серу

-

химическими соединениями

атомов . Кому первому

-

в

голову

Известно , что в

эта

мысль ,

Vl-V вв . до

н . э.

в И ~щии жил мудрец по имени

Канада , который считал , что пять материальных видов веще­ ства

Простые вещества. Долгое время понятия «Элемент» и «Простое вещество » не различали.

Первым четко разграничил эти понятия создатель Периодической сис­

-

земля , вода , во:щух , свет

и эфир

построены из атомов.

-

Самая маленькая частичка в природе , пъшинка в солнечном луч е,

по

мнению мудреца ,

со­

темы химических эл ементов русский химик Дмитрий Иванович Менделе ­

стоит из шести атомов , соеди­

ев. Он считал, что « простое тело есть вещество с рядом физических при ­

ненных попарно « волею бога

знаков и химических реакций ... А под именем элементов должно подразу­ мевать те материальные составные части простых и сложных тел , которые

придают им известную совокупность физических и химических свойств». По современным представлениям , химический элемент

-

это отдельный

или еще чем-либо». Канада рас­ судил , что материя делима не до

бесконечности , а только до от­ дел ьных атомов.

Основателями учений об ато ­

атом или совокупность одинаковых атомов. Если между атомами одного и

ме в Греции считаются фило­

того же элемента образуются химические связи , это простое вещество .

софы Левкипп

Связи могут быть самыми различными , так что один элемент иногда су­ ществует в виде нескольких простых веществ . •

Из чего состоит атом? Долгие ГОДЫ химики привыкали к тому,

В

1911

-

это атом.

г. на основании опытов английский физик Эрнест Резерфорд пред­

положил , что атом напоминает Солнечную систему. Положительный заряд и масса н аходятся в центральной части

-

ядре , а вокруг него , как планеты во­

круг Солнца , вращаются электроны. Ученый рассчитал , что ядро атома долж­ но быть в

100 тыс.

в. до н . э.) и

357 до

(470-

н . э.) . О жизни Левкилпа

почти ничего не известно . Ари ­

что сложные вещества состоят из элементов , а мельчайшая неделимая часть элемента

(V

его ученик Демокрит

раз меньше, чем сам атом (примерно так же различаются

размеры булавочной головки и футбольного поля). •

стотель называет его учител ем

Демокрита ,

Известно , что Демокрит бьш земляком Левкипnа

родился

-

в городе Абдера на Фракий­ ском

берегу

Средиземного

моря . Он учился у халдеев и персидских

магов ,

тешествовал ,

Егип те ,

в

много

пу­

часто бывал

приобрел

поз нания

Из чего состоит ядро атома? Наиболее простое ядро у ато­ 1920 г. Резерфорд

всюду упоминая

философа вместе с учеником .

в

глубокие

м а тематике

и

практической геометрии .

По Демокриту , все существу­

ма водорода: у него самые маленькие заряд и масса. В

ющее в

предложил называть ядро атома водорода протоном (р+) и высказал пред­

мов , которые имеют величину ,

положение, что существует ядерная частица ,

как протон, но без заряда. Эта частица лишь через

12

-

имеющая такую же массу,

нейтрон (п 0 )

-

была открыта

лет. И тут же в науке поя.вилась схема строения атомного

ядра из протонов и

мире состоит из ато­

форму и вес. Философ считал атомы сферическими они

занимают

-

так

наименьший

объем . •

нейтронов. Число

протонов равно заряду ядра, а суммар-

ное число протонов и нейтронов опре­ деляет его относительную массу.

Для обозначения химически неразли­ чимых разновидностей атомов , имею­ щих одинаковый заряд ядра , но раз-

Медь в виде проволоки и фольги

ные

в запаянной ампуле.

атомные

массы,

ввели

термин

АТОМЫ. МОЛЕКУЛЫ. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

11


1

2

Ядра изотопов водорода .

Изотопы

Ядра изотопов гелия.

химически нераз­

-

личимые разновидности ато­ мов, имеющих одинаковый за­

ряд ядра, но разные атомные массы .

1-

протон;

2-

изотопы. Зная строение атомного ядра, легко понять , что в изотопах оди­ наковое число протонов, но разное но около

280

-

нейтронов. Сейчас ученым извест­

стабильных и более двух тысяч радиоактивных изотопов .

Физико-химические свойства изотопов почти одинаковы , но все же не­ много различаются, особенно у легких элементов.

нейтрон.

Содержание отдельных изотопов каждого элемента в природе почти по­ стоянно. Поэтому атомные массы встречающихся на Земле элементов принимают равными средним значениям масс всех атомов с одинаковым зарядом ядра, с учетом распространенности изотопов .

Е

ще в 1741 г. в работе «Эле­ менты математической хи­

мии » русский ученый Михаил

Ломоносов высказал вполне современное

представление

Теперь стало ясно , что индивидуальность элемента определяется зарядом ядра его атома, иначе говоря , количеством протонов в ядре. Но как за ряд ядра влияет на свойства элемента, ведь в химических превращениях уча­

ствуют лишь электронные оболочки атомов?

об атомах как о мельчайших

Атомные орбитали . Ученые, пытавшиеся создать теорию стро­

частицах химических элемен­

ения атома, установили, что классическая физика, описывающая движе­

тов,

способных связываться

ние тел , не может объяснить явления микромира (мира элементарных ча­

в более крупные частицы (кор­

стиц). Во-первых , энергия электронов в атоме может принимать не лю­

пускулы)

-

молекулы, из ко­

торых состоят сложные веще­

бые, а только строго определенные значения. Следовательно , поглощение или выделение энергии при изменении состояния электрона происходит

ства.

-

В начале Х/Х в. английский

отдельными порциями

химик и физик Джон Дальтон

Кроме того, электроны, обладающие массой , размерами и зарядом, прояв­

первым опреде­

ляют и свойства , характерные для волн . В зависимости от того , какие свой­

( 1766-1844)

лил элемент как вещество , со­ стоящее из атомов одного ви­

да.

Атомы

различаются

разных по

веществ

массе

и

при

квантами.

ства частиц изучаются, они являются нам то в одном, то в другом образе.

Н аконец было выяснено, что принципиально невозможно одновременно точно определить и положение электрона в атоме, и его импульс (произ­

химических превращениях не

ведение скорости на массу). Поэтому нельзя установить траекторию дви­

изменяются ,

жения электронов, можно лишь говорить о вероятности обнаружить их в

а только

группировываются.

пере­

тех или иных областях пространства вокруг ядра.

Значит, вокруг ядра атома есть зоны, где вероятность обнаружить электрон наибольшая. Эти зоны называют атомными орбиталями. Атомную орбиталь с электроном можно представить себе как « Электронное облако», окружающее ядро атома. Какую форму имеет электронное облако, каковы его размеры , как оно ориентировано в пространстве, наконец, како­

ва энергия электрона в этом облаке? Оrвет на эти вопросы дадут квантовые числа

в

ода, образованная из во­ дорода-!, имеет темпера­

туру плавления О С и плот­ ность 0,998 г/мл при 20 °С .

0

А для воды, образованной из водорода-2 (дейтерия), эти ве­

личины составляют 3,82 °С и 1,104г/мл. Для более тяжелых элеме нтов такие различия , ко­

нечно, выражены слабее.•

-

своего рода «фамилии, имена и отчества» атомных орбиталей.

Главное квантовое число обозначается буквой п. Чем оно больше, тем вы­ ше энергия орбитали и больше электро нное облако. Орбитальное кванто­ вое число

/ отвечает

за форму орбиталей. Если

/ =О,

электронное облако

сферическое и орбиталь называется s-орбиталью. Когда

/ = 1,

получается

р-орбиталь; она похожа на гантель. Магнитное квантовое число

m1 ответственно

за ориентацию орбитали в

пространстве. Как ни поверни s-орбиталь (значение

m1 =О) ,

она останет­

ся шарообразной. Иное дело р-орбитали: их можно расположить в систе­

ме координат вдоль оси

z (т 1 =О) ,

вдоль оси х и вдоль оси у (т 1

= - 1 и + 1).

Так что р-орбиталей с одинаковыми энергией и формой получается уже

12

химия


три

-

это

так

называемый

В случае атомных орбиталей с

энергетический

l = 2,

µ-подуровень

в атоме.

которые имеют довольно сложную

форму и называются d-орбиталями , появляется еще больше возможно­ стей различного расположения в пространстве. Поэтому на d-подуровне находятся пять атомных орбиталей.

Энергии орбиталей различаются: чем больше значение главного кванто­ вого числа , тем больше энергия соответствующей орбитали, а для одного

и того же значения п энергия орбиталей увеличивается с ростом

/. •

Заселение орбиталей электронами. Электрон, выбирая себе область пространства в атоме , может занять любую атомную орби­ таль , но всегда предпочитает ту , у которой энергия ниже. Поэтому единст­ венный электрон атома водорода Н располагается на самой низкой по энергии ls-орбитали. Без дополнительной энергии он ни за что не станет « прыгать» вверх по энергетической лестнице.

Если же каким-то обра зом заставить электрон подняться на более высо­ Атомную орбиталь с электро­

кую ступеньку энергии , то он постарается вернуться вниз, на свое люби­ мое место. А разница в энергии выделится в виде светового излучения со

но1>1 можно представить как

строго определенной длиной волны.

электронное облако, окружаю­ щее ядро атома.

У атома гелия Не электронов два. Где же расположится второй электрон?

1- s-орбиталь имеет

Согласно принципу Паули, на каждой орбитали могут находиться только

два электрона с противоположными спинами. Спин

это собственный

-

2 -

магнитный момент электрона , который может быть направлен либо в од­ ну , либо в друтую сторону. Поэтому для электрона есть только два возмож­

= +1/2

или

р-орбиталь напоминает

гантель ;

З

ных значения спина , которые определяются спиновым квантовым числом

т,

сфериче­

скую форму;

-

d-орбитали

обладают

сложной формой.

-1/2. Этот принцип (его еще называют «запретом Паули») 1925 г. швейцарский физик-теоретик Вольфганг Паули, - лауреат Нобелевской премии 1945 г. Значит, оба электро­

сформулировал в впоследствии

на атома гелия окажутся на одной орбитали , и электронную формулу это­

го атома можно записать так:

ls2.

Места на первой ступеньке , или на « Первом этаже» , энергетической диаграммы больше нет , и поэтому третий электрон атома лития

Li должен -

подняться повыше и занять 2s-орбиталь. Его электронная формула

ls22s'.

Нетрудно догадаться, что четыре электрона атома бериллия Ве бу­

дут иметь конфигурацию

ls22s2, а

пять электронов атома бора В

- Is22s22p'.

Е

Три 2р-орбитали с одинаковой энергией совершенно одинаковы, но по­

1 1 1

1

разному ориентированы в пространстве.

Как же быть шестому электрону атома углерода С? У него есть несколько возможностей: либо подселиться к электрону, который уже занял одну

1 1

О

2р-орбиталь, либо оккупировать одну из оставшихся свободных орбиталей с той же энергией. В этом случае действует правило Гунда: если есть не­ сколько орбиталей с одинаковой энергией, электроны сначала располага­

электронная конфигурация будет

ls22s22p2,

причем два µ-электрона ока­

жутся на разных орбиталях. Автор этого правила, известного также под на­

званием «правила максимальной мультиплетности»,

-

немецкий фи­

зик-теоретик Фридрих Гунд.

Зd

4s

1

Зр

1

1

о Зs

ются по одному, а когда такой возможности нет, поселяются на уже заня­

тые одним электроном орбитали, образуя пары. Так что у атома углерода

1

1

о

2s

О ls Если обозначить атом11ые ор­ битали клеточками и располо­

Действуя с помощью этих несложных правил , можно построить электрон­

жить по возрастанию их энер­

ную формулу любого элемента. Для этого нужно знать лишь заряд ядра его

гии , то получится э11ергетиче­

атома, ведь он определяет число электронов. Они закономерным образом

ская диаграмма, напоминаю­

заполняют атомные орбитали, и особенности этого заселения выражаются

щая многоэтажный дом .

в химических свойствах элемента.

• АТОМЫ. МОЛЕКУЛЫ. ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

13


МЕНДЕЛЕЕВ И ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН Дмитрий Иванович Менделеев родился в 1834 г. в Тобольске. Он был последним, семнадцатым ребенком в семье директора Тобольской гимназии Ивана Павловича Менделеева и его жены Марии Дмитриевны.

В

1850

г. Дмитрий поступил в Петербургский педагогический институт.

Учеба вначале давалась ему нелегко. На первом курсе юноша умудрился по всем

предметам,

кроме

математики,

получить неудовлетворительные

оценки. Однако на старших курсах дело пошло по-другому

-

среднегодо­

вой балл Менделеева равнялся четырем с половиной (из пяти возмож­ ных). Дмитрий закончил институт в

1855

г. с золотой медалью, получив

диплом старшего учителя.

В

1867

г. Менделеев стал заведовать кафедрой общей и неорганической

химии физико-математического факультета Петербургского университе­ та, а в конце года ему предоставили долгожданную университетскую квар­

тиру. В мае

1868

г. у Менделеевых родилась дочь Ольга.

Судьба не всегда была благосклонна к Менделееву: он пережил и разрыв с невестой, и недоброжелательность коллег, и неудачный брак , а затем и

развод ... Два года

- 1880 и 1881 - оказались для Менделеева очень тяже­ 1880 г. Петербургская академия наук отказала ему в из­ академиком: «За» проголосовало девять академиков, а «против» -

лыми. В декабре брании

десять. Особенно неблаговидную роль при этом сыграл секретарь акаде­ «Дмитрий Иванович Менделеев

мии некто Веселовский. Он откровенно заявил: «Мы не хотим универси­

в мантии профессора Эдинбург­

тетских. Если они и лучше нас , то нам все-таки их не нужно».

ского университета».

Илья Репин.

Любимым занятием на досуге у ученого в течение многих лет было изго­

1885 г.

товление чемоданов и рамок для портретов. Материалы для этих работ он постоянно закупал в Гостином дворе. Однажды, выбирая нужный товар, ученый услышал, как за его спиной один из покупателей спросил:

-

Кто этот почтенный господин? Таких людей знать надо,

-

с уважением в голосе ответил приказчик .

-

Это мастер чемоданных дел Менделеев. В

1895

г. ученый ослеп, но продолжал руководить Палатой мер и весов.

Деловые бумаги ему зачитывали вслух, распоряжения он диктовал секре­ тарю, а дома вслепую продолжал клеить чемоданы. Профессор И.В. Кос­ тенич за две операции удалил катаракту, и вскоре зрение вернулось

... •

е все элементы Менде­

Открытие Периодического закона. зимой 1867-1868 гг.

леев разместил в поряд­

Менделеев, начав писать учебник «Основы химии», сразу столкнулся с

ке возрастания атомных масс;

трудностями систематизации фактического материала. Через год, в фев­

н

в некоторых случаях он руко­ водствовался

сходством

хи­

мических свойств. Так, у ко­ бальта

Со

атомная

больше, чем у никеля

масса

Ni,

у

теллура Те она также больше, чем у иода

1,

но Менделеев

разместил их в таком порядке:

Со

- Ni,

Те

- 1,

а не наобо­

рале

1869

г., обдумывая структуру учебника, он постепенно пришел к вы­

воду, что свойства простых веществ (а это есть форма существования хи­ мических элементов в свободном состоянии) и атомные массы элементов связывает некая закономерность.

Решающий этап раздумий Менделеева наступил

l

марта

1869 г. (17 февра­

ля по ст. ст . ). В Петербурге в этот день было пасмурно и морозно. Под вет­ ром поскрипывали деревья в университетском саду, куда выходили окна

квартиры Менделеева. Еще в постели Дмитрий Иванович выпил кружку

рот. •

теплого молока, затем встал, умылся и пошел завтракать. Настроение у него бьmо чудесное.

14

химия


За завтраком Менделееву пришла неожиданная мысль: сопоставить близ­ кие атомные

массы

различных химических элементов

и

их химические

ОПIНЪ

свойства. Недолго думая, он на первой попавшейся бумаге записал симво­

лы хлора

CI

и калия К

-

Здесь же

Менделеев

35,5

и

39

(разница всего в

среди них подобные « парадоксальные » пары: фтор

и рубидий

4,0 до 5,0 ,

Rb ,

иод

3,5

а потом и до

цезий

6,0.

Cs,

натрий

С

N

11

О

Н1

t' r·

единицы).

набросал символы других элементов , отыскивая

Na,

бром

Br

для которых различие масс возрастает с

Ме нделеев тогда не мог знать , что « неопреде­

11

1

n.· lj

-

t' "'З I

H •/:i

<:ib • l2Z

61 • 2107

't •JZ 79,i 'tt • 12'5? (.1 JHRr Ю 1 • 117 К • 39 Rt> • '\5,4 С'• 133 T I • :О• Cll otO lir Sl,, 0.1 • 137 Pl.l •Z07 7•45 Ct •i%

111 L1 • 7 N.J !3 ~

ленная зона » между явными неметаллами и металлами содержит элемен­

ты

ЭМЩllТ UП!>,

11 511 1.J " ~1 ' • ISO V 51 NЬ · fJ ~ i3 • 182 :il \kl • Dti \V 11\6 "11'1 • 5~ RJ1 • Ю'1 4 PI. • 1!77.• ft•S6 Hu•IU4 4 lr• 188 NI * СО• $9 Р1 • 11.)(..о lli • !UIJ ru • GЗ.4 А 2· 1~ Hg • .200 ti.~ r>IJl • 2~ 7n •r.:•. z Cd • ll Z 11 AI Z:.1 7 • "11 Ur• li б ALl • l97? 1Z S1 211 ).70 S11 • l lS

элементов с довольно близкими атомными мас­

сами , равными соответственно

С11СТО!Ы

ltllЬAIUa..ti ltA 1111• 4flJl".tlll»IЪ 81" 1· 11 \11.lollllfrt. KUНЬ C:ttlДCТBL

1ЕГ - 5(; La - ~ ?'У\ • 00

благородные га з ы , открытие которых в дальнейшем существенно

D1 •9S

r1n • i!i.& h1• 11S ?

видоизменит П ериодическую систему . После завтрака Менделеев закрылся в своем кабинете . Он достал из кон­ торки пачку визитных карточек и на их обратной стороне начал писать символы элементов и их главные химические свойства .

Через некоторое

время домочадцы

услышали

и з кабинета

возгласы:

Первоначальный вариант

Периодической системы.

« У-у-у! Рогатая. Ух , какая рогатая! Я те одолею . Убью-у! » Это оз н ачало, что к Дмитрию Ивановичу пришло творческое вдохновение. Мен делеев перекладывал карточки из одного горизонтального ряда в дру­ гой

-

в зависимости от з начений атомной массы и свойств простых ве-

ч

то позволяет объединить в одну группу все щелоч­

ные элементы ? П овторяемость

электронной че р е з

конфигурации

некоторые

интервалы

зна<1ений порядкового номе­

ра элемента щелочных

Z.

Атомы

э лементов

всех

имеют

на внешней атомной орби та ­ ли всего один электрон , и по­ э тому

в

своих

соединениях

проявляют одну и ту же сте­

пень окисления , равную

+ I. •

Менделеев просма тривает в типогр а фи и п ер в ы е отп еч а ­ т а н ные л и ст ки

с

табли ц ей

элемен т ов.

15


ществ, образованных атомами одного и того же элемента. В который раз на помощь ему пришло доскональное знание неорганической химии. По­

в

1875 г. французский хи­ мик Поль-Эмиль Лекок

де Буабодран открыл предска­ занный Менделеевым « экаа­ люминий » и назвал его в честь

своей родины галлием

Ga

латинского

Фран­

ции

-

названия

(от

GаШа). Он писал: « Я ду­

маю, нет необходимости на­ стаивать на огромном нии

подтверждения

ческих

выводов

Менделеева» .

значе­

теорети­

господина

степенно начал вырисовываться облик будущей Периодической системы

химических элементов. Так, вначале Менделеев положил карточку с бе ­ риллием Ве (атомная масса масса

27,4),

14)

рядом с карточкой алюминия

AI

(атомная

по традиции считая бериллий , действительно похожий по

свойствам на алюминий, его аналогом (т.е. элементом той же группы , к

которой принадлежал алюминий). Однако затем, сопоставив химические свойства , он поместил бериллий над магнием

Mg.

Усомнившись в обще­

принятом тогда значении атомной массы бериллия , Менделеев и з менил

ее на

9,4, а

формулу оксида бериллия переделал из Вер 3 в ВеО (как у ок­

сида магния

MgO) .

Кстати, исправленное значение атомной массы бериллия подтверд и л ось только через

10 лет.

Полагаясь на свою интуицию , та к же смело де й ство­

вал Дмитрий Иванович и в других случаях.•

Проявление закона. Постепенно Дмитрий Иванович пришел к

в

1879 г. шведский химик Ларе Нил:ьсон открьш скан­

дий , предсказанный Менделе­ евым как экабор. Нильсон пи­

сал :

« Не остается

сомнения ,

никакого

что в скандии

крыт экабор

от­

... •

окончательному выводу: элементы, расположенные согласно возрастанию

их атомных масс, выказывают явную периодичность физических и хими­ ческих свойств.

В течение всего дня Менделеев работал над системой элементов , отрыва­

ясь ненадолго, чтобы поиграть с дочерью Ольгой , пообедать и поужинать. Вечером он набело переписал составленную им таблицу и под названием « Опыт системы элементов , основанной на их атомном весе и химическом сходстве» послал ее в типографию, сделав пометки для наборщиков и по­

ставив дату « 17 февраля

1869

года» . Менделееву тогда было всего

35 лет.

Так был открыт Периодический закон , современная формулировка кото­

в

1886 г. профессор Горной

рого такова:

Фрейберге

свойства простых веществ, а также формы и свойства

немецкий химик Клеменс Вин­

соединений элементов находятся в периодической зависимости

клер , анализируя редкий мине­

от порядкового номера.

академии

во

рал аргиродит состава

Ag8GeS 6,

обнаружил еще один предска­

Что же такое периодичность? Это повторяемость химических свойств

за нный Менделеевым элемент.

простых веществ и их соединений при изменении порядкового номера

Винклер назвал его германием

Ge в честь своей родины. •

элемента

Z

и появление у ряда свойств максимумов и минимумов в зави­

симости от значения порядкового (атомного) номера элемента.

Менделееву причина периодического изменения свойств элементов оста­ валась неизвестной , не находила объяснения и сама структура Периоди­ ческой системы , где свойства повторялись у каждого восьмого элемента:

в

1905 г. Менделеев напи­ сал: « По-видимому, пери­

во втором и третьем периодах системы находилось тогда как раз по семь элементов .

одическому закону будущее не

Самое важное в открытии Менделеева

гро з ит разрушением , а только

еще не открытых химических элементов. Под алюминием А1 он оставил

надстройки и развитие обеща­

место для его аналога

ет, хотя как русского меня хо­

под кремнием

тели затереть, особенно нем­

цы » . Открытие Периодичес­ кого закона ускорило развитие химии

и

открытие

новых

мических элементов.

хи­

и

Es.

Si -

-

-

предсказание существования

« экаалюминия », под бором В

-

для « экабора », а

для « экасилиция ». Он даже дал им символы

ЕЬ

- EI,

По поводу элемента экасилиция Менделеев писал: « Мне кажется ,

наиболее интересным из несомненно недостающих металлов будет тот ,

который принадлежит к

rv группе аналогов углерода,

а именно, к

III

ря­

ду. Это будет металл , следующий тотчас же за кремнием , и потому назо­ вем его экасилицием » . Действительно, этот еще не открытый элемент должен был стать своеобразным «замком » , связывающим два типичных

16

химия

неметалла

-

оловом

и свинцом РЬ.

Sn

углерод С и кремний

Si -

с двумя типичными металлами

-


ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ , ПРЕДСКАЗАННЫЕ М ЕНДЕЛЕЕВЫ М И ОТКРЫТЫЕ ДРУГИМИ УЧЕНЫМИ .

Sc Упсала

2 Стокголь,1

.

С а11кт- П етербург

, Копенгаген

Ga

Лондон

---..........

А\1стсрдам

• П ариж_.

о. Корсика

о . Са рдиния

о. Сицилия

Хи.мич ески е эле.менты, предсказанные Менделеевым и открытые другш.1и учеными .

1 - экаал юминий (галл ий Ga). 1875 г. П. Лекок де 2- экабор (скандий Sc) . 1879 г. Л. Нил ьсон ; З - экасилиций (германий Ge). 1886 г. К. Винклер .

Буабодран ;

АТОМЫ . МОЛЕКУЛЫ . ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

17


ХИМИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ Что заставляет атомы обьединяться и удерживает их вместе? Ответ на этот вопрос начали искать еще в древности, когда появились первые представления об атомном строении веще­ ства .

Что, наконец, представляется

нам затверделым и плотным , То состоять из начал крючковатых должно, несомненно,

Сцепленных между собой наподобие веток сплетенных. (Тит Л у креций Кар ,

«0

природе вещей»)

В

1647

Г . , французский физик и философ Пьер Гассенди высказал

предположение , что атомы первоначально соединяются в особые группы,

которые он назвал молекулами (от лат. ным суффиксом

moles -

« масса », с уменьшитель­

cula).

Сразу же возник вопрос: как образуется связь между атомами в молеку­ лах? Представления о том , что атомы сцепляются посредств ом крючков, со временем перестали удовлетворять химиков, т.к. стало ясно, ч то слож­

ные химические превращения невоз можно объяснить прими т ивным ме­

ханическим взаимодействием.•

Как сцепляются атомы? в начале XIX в . шведский химик Йене-Якоб Берцелиус предложил электрохимическую теорию сродства . Он считал, что атомы притягиваются друг к другу благодаря наличию у каждого из них двух противоположных эл ектрических зарядов,

находя­

щихся на некотором расстоянии друг от друга.

И дея о том , что силы , удерживающие атомы в молекуле , имеют элект ри­ ческую природу, оказалась верной, но первые шаги в понимании приро­

ды химической связи удалось сделать только после открытия электрона и разработки электрон ной теории строения атома . •

Общее

-

пара электронов. в 1907 г. российский химик Ни­

колай Александрович Морозов предположил, что химическая связь между атомами может получиться за счет образования электронных пар. Это под­

твердил в

1916

г. американский физикохимик Гилберт- Ньютон Льюис.

По расчетам Льюиса получилось , что молекула будет наиболее эне ргети­ чески устойчивой, если вокруг каждого ее атома образуется восьмиэлек­ тронная оболочка («электронный октет» ) . Недаром химически инертные благородные газы имеют именно такой набор внешних электронов. Химическую связь , по Льюису, образуют одна, две, три пары электронов,

Йене-Якоб Берцелиус.

принадлежащие октетам двух соседних атомов.

Если обозначить электроны точками , можно получить наглядные изобра­ жения молекул , которые называют моделями Льюиса или электронными формулами. Например, для молекулы фосфина РН 3 модель Льюиса вы­ глядит следующим образом: н Н : Р : Н

Если в моделях Льюиса общие пары электронов заменить черточками, по­ лучатся графические формулы . Вот какова формула для молекулы трихло­ рида бора

BCl 3 : CI 1

Cl-8-CI

18

химия


Представления Льюиса понятны и удобны , но не дают знания о проис­ хождении сил, вызывающих притяжение нейтральных атомов и образова­ ние молекул. •

Ядра притягиваются к электронам. в 1927 г. физики-тео­ ретики объяснили образование молекулы водорода таким образом. Каж­ д ый из атомов этого элемента имеет один эле ктрон , за нимающий сфери­ ческую Is-атомную орбиталь и притягивающийся к положительно заря­

женному ядру . Если же удастся сблизить два атома водорода, то каждый из

электронов начнет притягиваться уже к двум ядрам или (что то же самое) оба ядра будуг притягиваться к электронам.

Образование .молекулы

При этом устанавливается равновесие сил притяжения и отталкивания

(протон

-

протонного и электрон

-

водорода .

электронного) и образуется устойчи­

вая двухатомная молекула водорода.

Чтобы атомы не разбегались, электроны должны как можно больше вре­ мени находиться между ядрами. Как этого добиться?

Перекрывание атомных орбиталей . Атомные орбитали при взаимодействии атомов частично перекрываются и проникают друг в

друга. В области проникновения электронных «облаков» возникает до­ полнительный электрический заряд.

Область частичного перекрывания ведет себя как самостоятельная орби­ таль , и здесь действуют те же правила , что и при заполнении атомных ор­

биталей, в том числе и принцип Паули. Согласно этому принципу , два электрона в молекуле водорода должны иметь разные спины (спин собственный магнитный момент электрона)

-

-

это

они обозначаются проти­

воположно направленными стрелками:i .J, . Принцип Паули объясняет, почему невозможно образование двухатомной

молекулы гелия . Чтобы такая молекула, Не 2 , оказалась устойчивой , вобла­ сти перекрывания должны находиться четыре электрона . Однако сущест­ вуют только два направления спина, значит, только два электрона могуг

находиться между ядрами . Остальные электроны будуг «растаскивать» яд­ ра , и атомы разлетятся . Молекула не образуется. В перекрывании мoryr участвовать не только

s-,

но и друтие орби­

тали. Однако электронные облака атомов перекрываются и прони­ кают друт в друта только в том случае, если они имеют близкие зна­

чения энергии и одинаковую симметрию. Вот, например, фтор

F,

у

атома которого электронная формула [Не] 2s 2 2/Т . Каждый атом фтора имеет семь валентных электронов

-

так называют внешние электроны,

способные образовывать химическую связь.

Атомные орбитали, занятые парами электронов, даже валентных , не пе­

рекрываются по той же причине , что и орбитали атомов гелия. Однако каждый атом фтора имеет одну р-орбиталь с единственным (неспаренным) электроном

-

вот эти-то орбитали будуг проникать друг в друта (перекры­

ваться). В области перекрывания расположатся два электрона от двух ато ­

Образование .молекулы

фтороводорода.

мов фтора , которые свяжуг их в молекулу.

Moryr

перекрываться и разные орбитали . Именно так образуется связь в

молекуле фтороводо рода

HF. Дело

в том, что s- орбиталъ атома водорода и

р-орбиталь атома фтора имеют разную форму, но одинаковую симметрию: при вращении вокруг оси, соединяющей ядра атомов, они сов п адают са­

ми с собой. П о одному электрону от обоих атомов располагаются в облас­

ти перекрывания этих орбиталей. И вот пара электронов объединяет ато­

мы водорода и фтора: получается молекула

H F. • АТО М Ы. М ОЛЕКУЛ Ы . Х И МИ Ч ЕСКИЕ Р ЕАКЦИИ

19


«Многорукие» атомы. У сферических s-орбиталей существует только одна возможность для перекрывания , а вот µ-орбитали могут пере­

крываться разными способами. Один из них показан на примере молекулы фтора. При таком перекрывании образуется так называемая а-связь . Но есть и другая возможность

-

перекрывание боковыми областями

электронного облака. В этом случае образуется 1t-связь, которая з на­ чительно слабее сr-связи и может возникнуть только в доп олнение к ней . Для этого двум атомам надо иметь µ-орбитали , которые могут уча­ ствовать в перекрывании. Такая возможность есть у атомов кислорода.

Электронная формула атома кислорода [Не] Образование Аюлекулы кислорода.

2l2p4,

и здесь валентными яв­

ляются шесть эл ектронов. Атом кислорода имеет на одной µ-орбитали два

электрона , а на оставшихся двух

-

по од ному . Вот эти-то атомные орби­

тали с од иночными (неспаренными) электронами и участвуют в перекрывании.

Две µ-орбитали двух атомов кислорода , расположенные вдоль линии, соединяющей их ядра, перекрываются и образуют сr-связь. А р-орби­ тал и, перпендикулярные этой л инии , создают дополнительную

n-связь. Связь становится двой ной , а участвуют в ее образовании две пары электронов. Как будто атомы кислорода протянули друг д ругу по две руки.

У атома азота

N

(его электронная формула

-

[Не]

2l2p3)

из семи электро­

нов валентными являются пять , три из которых располагаются поодиноч­

Образование молекулы азота .

ке на трех µ-орбиталях. При перекрывании электронных облаков двух ато­ мов азота образуются одна

cr-

и две n-свя зи. Это уже тройная связь! Она

отличается необычайной прочностью , и становится понятным , почему

молекулы азота

N 2 с таким

трудом вступают в химические реакции .

А вообще-то иметь несколько орбиталей с неспаренными электронами

удобно

-

можно образ овать несколько связей с другими атомами. Вместо

того чтобы использовать две связи на объединение друг с другом в молеку­

ле

0 2,

атом кислорода может присоеди нить к себе два атома водорода

получится молекула воды Н 2 О.

-

Связь образуется по-разному. Механизм возникновения химической связи, при котором используется по одному электрону от каж­

дого атома, называют обменным. Здесь все атомы как бы обмениваются

в

от как определял алхимию выдающийся английский

философ и естествоиспыта­ тель Роджер Бэкон: «Алхимия

своими электронами.

К примеру, если два человека обменяются яблоками, у каждого опять бу­ дет по одному яблоку , а если они обменяются идеями, у каждого их будет по две. А если один из них большой выдумщик и у него уже есть две идеи ,

есть наука , указывающая, как

а у его партнера ни одной? Что ж, во время общения результат окажется

приготовлять

тем же

и

получать

которое средство которое , талл

или

вещество , шенными

брошенное на на

ме­

несовершенное

делает в

не­

(эликсир),

их

момент

новения ». •

совер­ прикос ­

-

у каждого по две идеи , которые станут общими .

Вот и пара электронов в области перекрывания может появиться и при пе­

рекрывании двух орбиталей

-

пустой и имеющей два электрона. Это до­

норно-акцепторный механизм образования химической связи: атом-до­

нор безвозмездно отдает, а атом-акцептор принимает два спаренных элек­ трона .

У молекул воды или аммиака имеются атомные орбитали, не участвующие

в образовании связи . Электроны, находящиеся на таких орбиталях, назы­ вают неподеленными

-

наверное , потому, что атом еще не успел ими по­

делиться . У него появляется такая возможность, если он присоединит к себе частицу , имеющую свободную атомную орбиталь , например катион водорода н + , вообще не имеющий электронов. При этом получается кати­ он оксония Н 3 0 + .

20

химия


Хорошо знакомую молекулу водорода Н 2 , как и любые другие, тоже можно образовать по донорно-акцепторному механизму из катиона н + с электрон­

ной формулой

1! и аниона

н - , имеющего электронную формулу

ls2.

В самом деле, молекуле безразлично, каким образом она получилась

с

вязь в металлах. Атомы металлов

отличаются

от

атомов других элементов тем,

что они сравнительно слабо

-

из

удерживают

свои

валентные

электроны. Поэтому при сбли­

атомов:

жении , например при конден­ сации

2Н = Н 2 , из катиона и аниона

-

например по реакции:

Н

+

-

CI + Na

+

Н

-

Н2

эти

своих

виде

положительно

ных

ионов.

заряжен­

Передвигаясь

в

пространстве между катиона­

или при любом другом химическом превращении:

2HJ = 12 +

металлов ,

покидают

прежних хозяев, оставляя их в

NaCI +

=

паров

электроны

ми , ставшие общими для всех электроны

Н2

удерживают

их

вблизи друг от друга . Такая

Все молекулы водорода совершенно одинаковы. Выбор механизма их об­

разования определяется лишь удобством для химиков. О реальном меха­ низме образования связи сказать ничего нельзя

-

ведь химики исследуют

уже готовую молекулу, а не процесс ее «рождения » . •

связь между атомами в жидких и твердых металлах называет­

ся металлической .

Между металлической и кова­ лентной связью есть сходство:

в обоих случаях атомы притя­

Химические гибриды. Можно ли построить из атомов углеро­ да и водорода молекулу метана СН 4 ? Электронная формула атома углерода [Не] 2s22p2 , и у него только две орбитали с одиночными электронами. Но связей-то должно быть четыре! Как быть? Придется сначала переместить один из s-электронов нар-орбиталь. Для этого атому потребуется получить некоторую дополнительную энергию , которая должна затем с избытком

гиваются за счет общих элек­ тронов . Но ковалентная связь соединяет лишь два соседних атома,

бой

а

атомы,

и этим

углерода имеет четыре электронные орбитали, способные перекрываться с

пускает

Если рассматривать образование связи, применяя понятие о донорно-ак­

вии с его степенью окисления

-IV, сначала забирает электроны у атомов во­

дорода, и у него оказываются четыре атомные орбитали, заполненные пара­

2s22p6.

Они перекрываются с пустыми орбиталями атомов

водорода. Результат тот же

связи

металлическая

довольно

до­

большое

смещение атомов. Огсюда вы­ сокая

пластичность

и

ков­

кость металлов.

цепторном механизме, то это упрощает задачу. Атом углерода, в соответст­

ми электронов:

все

в отличие от данных двух ти­

пов

зуя обменный механизм.

сразу

металлическая

связь напоминает ионную . Но

компенсироваться при образовании четырех прочных связей. Теперь атом орбиталями атомов водорода, и можно получить нужную молекулу , исполь­

в металле между со­

связываются

-

образуется молекула метана.

Но какую форму она должна иметь? Одна из орбиталей атома углерода, участвующая в образовании связи, сферическая (это s-орбиталь), а три ос­

Электроны в металле беспо­ рядочно

от

движутся ,

одного

атома

переходя

к другому .

А положительно заряженные ионы только слегка « вибриру­ ют» в кристаллической решет­ ке и покидают его при плавле­

нии,

при этом металлическая

связь ослабевает на несколько процентов.

тальные выглядят как гантели, направленные вдоль трех взаимно перпен­

Если твердый

дикулярных осей (р-орбитали). Кроме того, энергии этих орбиталей отли­

вать , колебания катионов уси­

чаются. Следовательно, должны быть неравноценными по энергии и свя­ зи, а атомы водорода должны располагаться в пространстве несимметрич­

металл

нагре­

ливаются . Электронам стано­ вится

труднее

между

ними,

пробираться

поэтому

но. Однако химические свойства метана показывают, что все четыре ато­

рическое

ма водорода в его молекуле совершенно одинаковы и образуют одинако­

талла увеличивается. •

элект­

сопротивление

ме­

вые связи.

Первым задумался над этой проблемой в

1930 г.

мик Лайнус Полинг. Он предположил, что

s-

американский физик и хи­

и р-орбитали могут как-то со­

четаться друг с другом, «перемешиваться» так, что образуются четыре оди­

наковые связи. Такие смешанные орбитали были названы гибридными. Гибридные орбитали имеют удлиненную форму, и в тех местах, где они наиболее вытянуты, образуются химические связи между атомами. При этом орбитали стараются расположиться как можно дальше друг от друга; например, в случае атома углерода они направлены к

вершинам правильного тетраэдра.

Весь этот процесс называется

sр3-гибридизацией атомных орбиталей. •

Молекула метана СН,.

АТОМЫ. МОЛЕКУЛЫ. ХИМИЧЕСКИЕ Р ЕАКЦИИ

21


Гарпунный механизм взаимодействия атомов . в 1916 г. немецкий физик Вальтер Косс ель пред положил , что все молекулы состо­ ят из заряженных ионов , которые притягиваются друг к д ругу электроста­

тически. Он заметил, что атомы стараются приобрес ти устойчивую (как у благородных газов) восьми­ эле ктронную оболочку: отдавая эле ктроны и пре­

вращаясь в катионы (положительно за ряженны е ио­

ны) ; дополняя свою оболочку электрон ами до окте­ та, становясь анионами (отрицательно заряженными ионами) . Для этого атомы передают друг другу свои элект роны . Полученные ра з ноименные ионы элект­ ростатически притягиваются ,

и

возникает химичес­

кая связь.

Легче всего расстаются с электро нами наиболее ак­ тивные металлы , в первую очередь щелочные (ли­ тий

Na, калий К , рубидий Rb , цезий Cs, Fr) и щелочно земель ные (кальций Са, стронций Sr, барий Ва , радий Ra). Охот нее всех при­ нимают электро ны атомы галогенов (фтора F, хлора CI , брома Вг, иода 1) и других типичных нем еталлов.

Li,

н атрий

франций

Поэто му молекулы галогенидов щелочных эле ментов в Иоflная кристш~лическая структура

12-

газообразном состоянии можно представить как пару ионов , например

Na+c1 -.

NaC/.

кат ио11 11атрия

Образующуюся связь называ ют ионной.

Однако ионные пары типа

хлорид - ион С/- ;

Na+.

Na+c1 - существуют лишь

в газообраз ном хлори­

де натрия или в растворах этой соли в некоторых органических раствори­

телях. В расплаве , водном растворе или кристаллическом состоянии не ­ возможно найти пару ионов , связанных только д руг с другом. И это по­ нятно:

ионы

притягиваются д р уг

к д ругу элект ростатическими

силами,

которые действу ют во всех напр авле ниях . Каждый ион возде йствует на любой другой ион не зав исимо от м еста его рас положения, важны лишь ве­ личины их за рядов и расстояние между ними .

Если бы катион и а нион только притягивались, то в конце концов они бы встретились и их за ря ды взаимно уничтожились. Но этого не происходит ;

в

чистых ж идкостях поляр­ ные

молекулы

ориенти­

руются таким образом, чтобы ря дом

наход ились

полей

с

концы д и­

противоположными

на очень близком расстоянии проявляется взаимное отталкив ан ие элек­

тронных оболочек, которые есть и у катиона , и у аниона. Ионы выбирают

наиболее выгодное расстояние; его наз ывают межъядерным . Так что их нельзя считать точечными за рядам и

-

это , скорее , несжим аемые шарики.

Ионы стремятся рас положиться так, чтобы силы притяжения между ними

за ряда ми . Если молекулы «Ху­

были максимальными, а силы отталкивания

денькие » , для них более вы­

этом они всегда стараются «у паковаться » поплотнее. •

годно

боковое

-

минимальными . И при

притяжение

д иполей , а «толсте нькие » мо­

лекулы обычно распол агают­ ся вдоль оси диполя:

Ионный кристалл

-

бесконечная м олекула. в ион­ - каждый ка­

ном кристалле невозможно выделить отдельные молекулы

тион притягивается к каждому аниону и отталкивается от других катио ­

нов. Весь кристалл

-

огромная молекула, размеры которой не ограниче­

ны , поскольку она способна продолжить рост , присоединяя новые катио­ ны и анионы .

Ионные кристаллы обычно очень твердые

-

деформировать их решетку

непросто. Н о если это все же удалось сделать, то они разрушаются очень

легко . Хрупкость таких соединений объясняется особенностями ионной связи . Стоит лишь немного сдвинуть ионы с их мест, как вместо сил при­ тяжения начинают действовать силы отталкивания и кристалл раскалы­ вается.

22

химия


Ионные соединения хорошо растворимы в воде, поскольку притяжение

между ионами при этом ослабевает почти в сто раз. В разбавленном вод­ ном растворе катионы и анионы не образуют пар, а распределены равно­

мерно среди молекул растворителя. В очень концентрированных раство­ рах они образуют структуру , сходную с кристаллической. •

г

идрат~рованные ионы мож­ но наити не только в раство­

рах. Их немало и в атмосфере. Соленый морской ветер

-

это

реальность. Он содержит не только

микроскопические

кристаллики солей , но и ок­

Взаимодействие молекул. Ни ОДНО вещество не могло бы су­ ществовать в жидком или твердом виде без взаимодействия между отдель­

ными его молекулами. Невозможным было бы и образование растворов

-

руженные

молекулами

воды

заряженные частицы. Это од­ на из причин появления раз­ ности потенциалов между ат­

растворенное вещество должно каким-то образом удерживаться в раство­

мосферой и Землей, проявля­ ющейся во время гроз в виде

рителе.

электрических разрядов. Да и

А что заставляет держаться вместе нейтральные молекулы? Молекулы не несут электрического заряда, но они образованы из заря­

загадочные

шаровые

молнии,

по одной из гипотез , состоят из

женных частиц, и часто центры тяжести положительного и отрицательно­

окруженных

го зарядов не совпадают. В этом случае говорят, что молекулы полярны.

молекулами ионов.

нейтральными

Полярную молекулу можно считать диполем. Если такие молекулярные диполи окажутся рядом с ионом, они будут ста­ раться повернуться к нему той стороной, где заряд противоположен заря­ ду этого иона:

+ Попробуем растворить какую-нибудь соль, например хлорид калия

в

KCI,

воде . Как и все другие ионные соединения, хлорид калия будет диссоции­ ровать (распадаться) на катионы к+ и анионы с1-. и каждый из этих ионов окружит стайка полярных молекул воды. Но к катионам они будут ориен­ тированы отрицательной стороной диполя, а к анионам

-

положительной.

Химики говорят что в водном растворе эти ионы гидратированы. Такие взаимодействия между ионами и полярными молекулами часто оказываются почти столь же сильными, как химическая связь. •

Молекулы соединяет водород . Связывание между молеку­ лами может заметно усилиться, если в нем примет участие атом водорода.

Такой атом способен «брать за руки» и сводить вместе две соседние моле­ кулы, образуя водородную связь, которая во многом напоминает настоя­

Молекула воды

----

~---

щие химические связи. Нужно лишь, чтобы в молекулах имелись атомы

--

'

элементов с высокой электроотрицательностью.

В одород

-

уникальный элемент, ведь в его атоме один-единственный

электрон. Атомы таких элементов, как кислород, азот или фтор, сильно

смещают электронное облако водорода в свою сторону. Почти полностью лишенный электронной оболочки атом водо рода, этот «голый» протон, с

---

--

легкостью проникает в чужие электронные оболочки и удерживается там за счет своего положительного заряда.

Таким образом получается водородная связь. О на п риме р но в

10

раз сла­

бее обычной ковалентной связи, но ее об разо вание объясняет необычные

свойства многих веществ. Водородную связь открыли в 80 - х гг .

XIX

Ажурная структура льда.

в.

русские химики Михаил Александ рович Ильинский и Н иколай Н икола­ евич Бекетов . Именно благодаря водородной связи самое рас пространенное на Земле с о­ единение

-

вода Н 2 0

-

обладает м но гими необычными сво йствами.

Особые свойства воды как растворителя тоже во м ногом обязаны водород­ ным связям . И менно в воде протекают мн огие протолитические реакции. •

АТОМЫ . МОЛЕКУЛЫ . ХИМИЧЕС КИ Е Р ЕАКЦИИ

23


НАПРАВЛЕНИЕ РЕАКЦИЙ И ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ Согласно молекулярно-кинетической теории, молекулы носятся в пространстве беспорядочно; они летят вперед и назад, враща­ ются, колеблются и сталкиваются. Сталкиваясь, молекулы способны наносить друг другу удары, которые могут вызвать превращение молекул только в том случае, если они были подхо­ дящим образом ориентированы и связь между составляющими их атомами достаточно слаба, чтобы разорваться при столк­ новении.

В большинстве случаев при этом изменяются энергии частиц, и, -

ударив друг друга, молекулы начинают двигаться быстрее или медленнее

в зависимости от того , получили они энергию или отдали. Но для химической реакции необходимо , чтобы в результате столкновения возникли новые

частицы. При сильном столкновении атом может освободиться из молеку­ лярного плена и соединиться с другим атомом при последующем слабом

соударении. Если затем вновь произойдет слабое столкновение, новая молекула еще более увеличится в размерах. Хаос царит в мире мечущихся молекул , поэтому неизбежно большое раз­ личие энергий столкновения. А значит , право на существование приобре­

тают любые мыслимые комбинации атомов. Время «ЖИЗНИ» каждой из них зависит от силы связи между частицами, от числа возможных комбинаций и от кинетической энергии частиц

-

т.е. от температуры. Чем сильнее

связь , тем жизнеспособнее данная комбинация. Но чем выше температура, тем вероятнее разрыв даже сильных связей. Поэтому при таких условиях будут существовать , как правило , только простые молекулы с сильными

связями и много свободных атомов. Ведь сложные молекулы со слабыми связями очень быстро распадаются . Однако все эти процессы обязательно Так могут расположиться мо­

требуют притока или оттока энергии в химическую систему .

лекулы после удаления перего­

Что же такое химическая система? Строгое определение этого понятия за­

родки в закрытом помещении

ключается в вьщелении некоторой области пространства, содержащей по

(здесь приведено только четы­

крайней мере одно вещество (можно и больше).

ре возможных варианта распо­

Химическая система может быть открытой (обмениваться со всем осталь­

ложения молекул) .

ным окружающим миром и веществом , и энергией) или закрытой (обме­ ниваться с внешней средой только энергией). Самый простой пример за­ крытой системы

-

это чайник с водой (вещество!) на огне газовой плиты

(передача энергии!). Как только кипяток из чайника начинают наливать в чашку, система пре­ вращается в открытую (вещество перемещается) .

Существуют и

изолированные системы, которые не обмениваются с

внешней средой ни веществом , ни энергией. С некоторыми натяжками в качестве примера такой системы можно привести термос с кипятком , за ­

крытый пробкой. Если термос хороший, то вода долго будет оставаться го­ рячей, тепло не уходит .

Если есть куда упасть. Законы природы обычно хорошо согла­ суются со здравым смыслом . Например, одно из главных природных пра-

24

химия


вил, если его сформулировать в шутливой форме, звучит так: « Все, что мо­ жет упасть, рано или поздно упадет». А если говорить серьезно, здесь идет

речь об основополагающем природном правиле минимума энергии. Лю­ бая природная система, накопив энергию, стремится, если это возможно,

избавиться от ее излишков . Таким образом, и частицы любых веществ всегда будут «увлечены» одной и

той же идеей: нельзя ли куда-то деть некоторую часть своей энергии? Вот почему самое простое

-

предположить , что самопроизвольно будут всегда

происходить те процессы и реакции, в которых выделяется теплота.

Можно легко проверить, какие химические процессы идут с выделением

теплоты, а какие

-

с поглощением. Например , из двух молекул водорода

Н 2 и одной молекулы кислорода

0 2 образуются

2Н 2

+02=

две молекулы воды Н 2 О: Иоганн-Рудольф Гл аубер.

2Нр

Эта реакция всем знакома. Но чтобы она прошла, надо сначала разорвать химические связи в молекулах водорода и кислорода:

Н2

= 2Н

0

; 0

2

= 20°

на это требуется затратить некоторую совершенно определенную энергию

Е- энергию связи в молекулах Н-Н и

0-0:

и

+0°=

2 х 463,5 = 927

рые руки » химиков.

Появилась химическая посу­ да не сразу. Алхимики , а по­

нр

Н-0-Н. Следовательно, выделится энергия

не­

специальной

приборов и устано­ вок . Это действительно «Вто ­

том и первые химики понача­

Вместо связей Н- Н и 0-0 образуют.ся две связи Н-0 в молекуле а она составляет

и сложные

без

посуды ,

Затем из атомов водорода и кислорода будет получаться молекула воды:

простые ,

возможны

Н 2 = 2Н 0 , Е= 436 кДж/моль 0 2 = 20°, Е = 498 кДж/моль

0

торые руки» химика .

« в Химические опыты -

-

энергия двух связей Н-0 ,

кДж/моль .

лу

создавали

для

каждого

опыта особые, индивидуаль­ ные сосуды и з стекла, металла или керамики, которые за тем

Выделяется в реакции энергии больше, чем было затрачено, а именно:

уже не

1854- 1370 = 484

немногие

кДж.

Тепловой эффект реакции получения воды из водорода и кислорода

-

по­

использовали .

посуды,

виды самые

Лишь

химической удачные

по

конструкции, обретали новую

ложительный. Тепло выделяется из того места, где эту реакцию проводят , в

жизнь, выходя из стен лабо­

окружающее пространство, наружу. Название всех реакций, в которых вы­

ратории,

деляется теплота,

-

экзотермические (от греч . «ЭКЗО»

-

« вне», « внешнее»). •

А если наоборот? Теперь можно записать уравнение разложе­ ния воды на водород и кислород и снова рассчитать тепловой эффект. Для реакции:

и

часто

получали

имя своего изобретателя .

Широкое использование стек­ лянной

химической

началось с

1634

посуды

г. , когда не­

мецкий алхимик-аптекарь Ио­ ганн-Рудольф Глаубер стал ос­ нащать свою аптеку сосудами

разной формы и назначения.

он тоже окажется равным

484

кДж , но со знаком « минус ». Теплота в такой

реакции разложения будет поглощаться: ведь выигрыш энергии при обра­

Стекло было з накомо людям издавна . Ремесленники уже в древности выдували из него бу­

зовании связей в молекулах водорода и кислорода оказывается меньше,

тылки, графины, склянки, де­ лали бусы и украшения. Стек­

чем затраты энергии на отрыв атомов водорода от атомов кислорода в мо­

ло

лекуле воды.

миков своей

Сама реакция , в которой тепло поглощается веществами из окружающего пространства, носит название эндотермической (от греч. «Э ндон »

привлекло

внимание алхи­

прозрачностью ,

что позволяло следить за ходом

химической

реакции.

Кроме

« Внутри ·~) .

того, оно не боялось кислот

Таким образом, вывод получается очень интересный: тепловые эффекты

(кроме фтороводородной Н F) и растворов солей. Стекло раз­

-

прямой и обратной реакций совпадают по абсолютному значению, но

рушали только растворы и рас­

противоположны по знаку.

В справочниках собраны значения энтальпии веществ ЛН • Химики опре­ 0

делили «Тепловую цену » для каждого вещества, каждой частицы

-

будь то

плавы

щелочей (гидроксидов

щелочных

мер

NaOH

элементов,

напри­

и КОН). •

АТОМЫ . МОЛЕКУЛЫ . ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ

25


п

е регонка и выпа рива ­ ни е . Перегонка (д истил ­

ляция)

это способ разделе­

-

молекула, атом или ион. И это позволяет рассчитать энтальпию ЛН

0

лю­

бой, даже самой невероятной реакции.

ния смеси жидкостей , осно­

Когда значение энтальпии реакции отрицательное, вещества отдают теп­

ванный на различии темпера­

ло в пространство, реакция экзотермическая. А если энтальпия реакции

туры

окажется положительной, то все сложится наоборот: окружающее про­

кипения

частей.

При

гнанная

ее

составных

перегонке ото­

жидкость

(дистил­

лят) обогащается более лету­ чим и низкокипящим вещест­

вом, а остаток неотогнанной жидкости

-

менее летучим

странство будет «помогать» реакции, вкладывать в нее энергию (тепло), и реакция окажется эндотермической.

Природе выгодно все , что выделяет «лишнюю» энергию. Значит , экзотер­ мические реакции должны идти всегда самопроизвольно. •

и

высококипящим.

Обратимость, необратимость и равновесие. Куда идет - от исходных веществ (реа­

Прибор для перегонки состоит из колбы Вюрца, холодильника и изогнутой трубки

-

аллонжа ,

соединяющей холодильник с приемником д истиллята .

Вод яной холод ильник

и зоб ­

рел н е м е цкий алхимик Хрис ­

тиан Вайгель в

1771 г. и широ­

ко использовал немецкий хи­

мик-органик Юстус Либих в

химическая реакция? Как правило , вперед

гентов) к конечным (продуктам), или, следуя записи уравнения реакции, слева направо. Оказывается , это не всегда так. Может происходить и об­ ратный процесс

-

превращение продуктов в исходные вещества . А случа­

ется , что одновременно идут и прямая , и обратная реакции ...

При взаимодействии двух газов: водорода Н 2 и иода

12 столкновение

работах по разделению орга­

нию иодоводорода

нических растворителей.

Направление реакции условно обозначается стрелкой

Колбу

Вюрца

нагревают до

температу ры кипения перего­

няемой

жи д кости.

перегонки

Скорость

считается

нор­

мальной , если из холодильни­ ка

в сосуд -приемник

лы

HI

HI.

способны превратиться в исходные вещества

---+.

Однако молеку­

иод и водород. Те­

перь уже направление реакции указывается другой стрелкой : ~- Для того ют обе стрелки (знак обратимости):

стекает

Н 2 (г)

примерно одна капля жи д кос­

Рассмотренный процесс

ских солей из их водных рас­

Химические реакции

применяют

-

чтобы показать , что реакция может протекать в обоих направлениях, рису­

ти за 2-3 секунд ы. Для получения кристалличе­ творов

неко­

торых особенно э нергичных молекул этих веществ приводит к обра зова­

выпарива ­

ние. Этот процесс ведут так , чтобы раствор соли не кипел , иначе произойдет потеря соли . •

-

-

+ 12(r)

+::!

2Hl(r)

пример обратимой реакции .

обратимые, если все продукты остаются в реакци­

онном сосуде. Таких реакций подавляющее большинство.

Если же одно или несколько образовавшихся веществ удаляются в виде га­ за , осадка или слабого электролита, химики говорят о необратимых реак­ циях: обратный процесс невозможен по той простой причине, что некото­ рые его участники отсутствуют!

Механическая аналогия хими­ ческого равновесия .

В верхнем

положении А состояние шари­

ка неустойчиво: он обязательно скатится в ту или иную сторо­

ну.

Например, при сливании растворов сульфата натрия

Na 2S04 и хлорида ба­ BaS04 , который вы­

рия ВаС1 2 образуется малорастворимый сульфат бария

падает в осадок и удаляется из сферы реакции (уходит с «авансцены » реак­ ции за ее « КУЛИСЫ » ) :

Если он «задержится» на

площадке

В,

его

состояние

станет метастабильным : не­

большого внешнего воздействия

окажется достаточно для то ­ го, чтобы шарик скатился ни­

Образовавшийся осадок не взаимодействует с хлоридом натрия, а сульфат натрия и хлорид бария вновь не образуются! На необратимость реакции указывает знак равенства.

же и перешел в устойчивое со­

Многовековой опыт человечества свидетельствует о том , что в принципе

стояние С у подножия горки .

обратимы все химические реакции. Однако если в системе имеются толь­

А

ко продукты (или положение равновесия практически полностью смеще­ но вправо), то реакцию считают практически необратимой. Горение угля, серы, образование воды

-

примеры практически необратимых процес­

сов, протекающих с высокой скоростью.

Но что такое скорость реакции? Ведь реакция никуда не перемещает­ ся, а идет , как правило, в одном и том же месте

-

в сосуде-реакторе.

Скоростью реакции называют изменение концентрации реагирую­

_ ...:;.___________...-_ ___;:;;,с_

26

химия

щих веществ в единицу времени . В случае реагентов (исходных веществ) это будет убыль (уменьшение) концентрации,


деленная на отрезок времени, когда она произошла. Для продуктов реак­ ции это прибавка (увеличение) концентрации получаемого вещества , от­

Химия от А до Я Авиценна , Абу Али Хусейн иби Абдал­

лах , Ибн Сина

сред н е­

(980- 1037) -

а з и атс ки й в р ач, алх имик, м атемат и к и

несенная опять-таки к отрезку времени , когда она случилась.•

философ .

Скорость И равновесие. Скорость любой химической реакции зависит от числа столкновений частиц, что напрямую связано с концент­

Авогадро, Амедео

стаапен и е о м олекуле

-

на 11 ме н ь ш е й

Ll астице ве щества , с п особной к са мо ­

рацией реагентов.

стоятельно м у существова ни ю.

В начальный момент времени скорость прямой реакции будет макси ­

Аквакомnлексы

мальной, а обратной

равн а нулю. При взаимодействии иода и водоро­

-

да оба вещества расходуются на « поддержание » реакции, их концентра­

ита­

( 1776- 1856) -

л ья н ск 11 й ф из и к и химик , ввел пред­

ко мплекс н ые соещ1 -

-

н ения , где лига ндом служ и т вода Н 0 .

2

Александрит

мин е раr.

-

состава

( ВеА1 2 )0 4 .

ция уменьшается , а сама реакция замедляется .

Алканы

Наоборот , скорость обратной реакции будет возрастать, потому что в сис­

состава Cn H 2n+2.

теме накапливаются молекулы иодоводорода . В какой-то момент времени

Альберт Вел11кий , Альберт фон Бол ьш­

скорости станут равными друг другу. Химики говорят , что н аступило со ­

ф ил ософ , теоло г и алх и м и к.

стояние равновесия:

тедт (около

+ 12(r)

<=Z

яд ро атома

-

гелия,

продукт рад ио акт и в н ого распада .

2Hl(r)

Алюмокал11евые

Это состояние не статическое, а динамическое: частицам « Не сидится » на все время

немецк и й

11 93- 1280) -

Альфа-част1ща

H / r)

месте , они

п редел ьны е углеводо роды

-

в движении , некоторые из них химически

взаимо­

действуют друг с другом и образуют вещества-продукты , тогда как другие « непоседы » стремятся превратиться в реагенты. В состоянии равновесия и

обратная , и прямая реакции протекают , но концентрации веществ не и з­

квасцы

-

д в о йн ая

сол ь состава КAl( S0 4 ) 2 • 1 2 Н 0 .

2

Амальгамы с ртутью

Hg.

ж идк и е с плав ы м еталлов

Аминокислоты н е н ия ,

-

о р га нич еские соеди ­

11м е ю щ и е

а мин огру пп у групп у СО ОН .

меняются: сколько молекул исходных веществ вступает в реакцию , столь ­

Аммиакаты

ко же их вновь образуется .

1-1и я ,

где

-

в соста в е

и

NH 2

м олекулы

ка рбо к с иль н ую

ко м n лексн ые соед и не-

л ига н до м

служ и т

амми а к

N Hy

Настоящее , « истинное» равновесие распознают так: во-первых , в реакто­ ре обязательно будут присутствовать и реагенты , и продукты реакции , и что интересно , их концентрации уже не меняются со временем.

Ароматические углеводороды

-

орга ­

ни ческ и е соед ин е ния , молекулы кото ­

р ых включа ют ци кл и ческ и е ф ра г 1 с н­ ты с с и сте м ой со п ряже нн ых связей.

Во-вторых , к состоянию истинного химического равновесия можно по­ дойти с д вух сторон

-

от реа гентов и от продуктов .

Наконец, когда на равновесную систему деликатно действуют и з вне , она

Горение дерева

поддается этому воздействию , но ее состояние меняется нез начительно.

химич еская реакция ,

Этим и отл ичается н астоящее , истинное, д инамическое равновесие от шаткого и обманчивого равновесия метастабильного.

-

необрати.мая прот ека­

ющая с в ысокой скоростью .

В

результате горения образуется

углекисл ый газ, кот орый удаля ­ ется из сферы реакции, и зола .

Как и куда «толкать» реакцию? Задача хими­ ка состоит не только в том , чтобы получить то или иное ве­

щество. Важно добиться его максимального выхода. Другими словами , химик

должен

определенным

« Подтолкнуть »

обра з ом

реакцию

сл ева

направо , т . е . сместить положе ­ ние равновесия

в

нужном

на­

правлении . Для этого в его арсенале есть многое: мож­ но изменить температуру и давление,

увеличить

уменьшить гентов

реа­

и продуктов .

Химические

реакции

они сопротивляются

действию . конце

или

концентрацию

XIX

Это

капризны,

внешнему воз­

подметил

еще

в

,

столетия французский

химик Анри-Луи Ле-Шателье .

ЗВЕЗДЫ - ДАЛЕКИЕ СОЛНЦА

27


Смещение положения равнове­

]

з

2

сия можно наглядно продемон­ стрировать

с

помощью

уста­

новки, состоящей из двух сооб­ щающихся стеклянных сосудов и перемычки между ними.

1 -

Сосуды заполнены бурым

газом

-

диоксидом азота и при

одинаковой температуре имеют один и тот же цвет.

2-

Если опустить один из со­

судов в лед, то температура газа понизится: равновесие сме­

стится в сторону продукта

-

бесцветного тетраоксида диа­

зота

N 2 0 4.

З

Если второй сосуд опус­

-

тить в горячую воду, то преоб­

ладающи.м станет эндотерми­ ческий процесс и концентрация

бурого газа

N0 2 будет

больше.

Ученый сформулировал знаменитый принцип: «Если на систему, находя­ щуюся

в состоянии

истинного химического равновесия,

оказывать воз­

действие извне, то положение равновесия сместится в таком направлении,

которое ослабит эффект внешнего воздействия » . В частности, повышение температуры смещает равновесие в направлении того процесса, в ходе которого теплота поглощается (эндотермическая ре­ акция). Понижение температуры действует в обратном направлении. Для экзотермической реакции тепловые воздействия дают противоположный результат. Например, при образовании иодоводорода из водорода и иода (это экзотермическая реакция): Н 2 (г)

и

звестно, что водород лег­ ко сгорает в атмосфере

хлора , образуя хлороводород .

Но в темноте и при охлажде­ нии

смесь

хлора

и

водорода

можно долго хранить

-

и ни­

какого горения не будет! Эти газы

находятся

в

состоянии

«метастабильного

равнове­

+ 1 2 (г)

+:Z 2Нl(г)

повышение температуры приведет к смещению положения равновесия в

сторону обратной реакции, т. е. к увеличению концентрации реагентов

-

водорода и иода. Понижение температуры даст противоположный эф­ фект : положение равновесия сместится в сторону продукта

-

иодоводо­

рода.

Еще один пример. Повышение температуры приведет к смещению поло­ жения равновесия для экзотермического процесса

2N0 2 (г)

сия».

Однако стоит только внести в

+:Z Nр 4 (ж)

сосуд с хлороводородной сме­

в сторону реагента, т.е. диоксида азота

сью небольшой кусочек пла­

На равновесие влияет и концентрация веществ

тины, как начнется бурная ре­

Рассмотрим реакцию:

N0 2 -

бурого газа.

-

реагентов и продуктов.

акция :

Н2 Вот

+ С1 2 =

так:

Fен (р)

2HCI

хранили-хранили

+ NCS-(p) .,z

[Fe(NCS)] н (p)

В ходе реакции катионов железа с тиоцианат-ионами образуется ком­

смесь газов, может быть, да­

плексный катион [Fe(NCS)] н кроваво-красного цвета.

же думали, что она находится

Кстати, эту реакцию часто используют химики, когда им надо определить

в

присутствие катионов железа

состоянии

результате

-

равновесия,

большой

а

в

эф­

фект от крохотного кусочка платины! •

настолько

заметна,

что

Fe3+: ведь окраска тиоцианатного

позволяет «выследить» даже

комплекса

миллионные доли

процента железа!

Добавим в равновесную смесь еще немного катионов

Fe 3+.

Окраска рас­

твора станет ярче. А теперь начнем удалять ионы Fен . Раствор будет обес­

цвечиваться, и это можно легко увидеть. Значит, и ионов

[Fe(NCS)] 2+ ста­

новится меньше.

Немного похоже на качели: толкаешь их в ту или иную сторону, а они, со­ противляясь , возвращаются к положению равновесия. •

28

химия


РАСТВОРЬI И КРИСТАЛЛЬI. КИСЛОТЬI И ОСНОВАНИЯ. ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ

Химия от А до Я Байе р, Адол ьф- Иоrа н н-Фридрих -Виль­

гел ьм

( 1835- 19 17)- н емецк и й х и мик­

органик,

первым

ис п ользовал

восста­

н ов ительные свойства ц ин ка в органи­ ческом с и нте з е .

Бекетов, Н иколай Н иколаевич

( 1827-

российский физ и кохим и к ,

191 1) -

разработал тео р ию водо род н о й связи. Бен зой 11 ая

ки сл ота

-

о р га н ическая

к и слота состава С 6 Н 5 СОО Н . Бе11зол

а роматич еский углеводо род

-

состава С 6 Н 6 . Берли11ская лазурь

рат железа - калия

ЗАРОЖДЕНИЕ И РОСТ

- гексацианофер­ K Fel Fe(C )61.

Бертло , Пьер -Эже11- Марселеи

( 1827 -

фра н цузск и й химик, оди н из

1907) -

основополож ни ков органического син ­

те за и те р мох и ми и ; ввел э к зотермических

КРИСТАЛЛОВ

и

п о н ят и е об

эн дотерм ич еск и х

реакциях .

Берцел и ус, Йёнс - Якоб ( 1779- 1848) шведск и й х и мик и м и не р алог, выд аю ­

С миром кристаллов, чудесным и разнообразным, человек встре­ чается на каждом шагу, например когда добавляет в чай мелкие кристалл ики сахарного песка. Поваренная сол ь, без которой не обходится ни одна хозяйка, также состоит из отдел ьных ма­ леньких частичек, хотя в природе встречаются бол ьшие про­ зрачные кристаллы каменной соли NaC/, немного похо:жие на хрусталь. Зимой лужи покрываются тонким сл оем л ьда - это кристалл ическая вода .

щи йся х и ми и ,

э кс п ериментато р

и теоретик

пе р воотк р ыватель

н ов ы х

хи­

миt1 еск и х элементов и соед инен и й .

Бессемер, Ге 11ри

( 18 13- 1898) -

анг­

л и йский металл ург и и нже н е р , изоб ре­ тател ь ко н в е рте ра для п е редела ч угу н а в сталь .

Бета-частица

-

электрон к а к продукт

рад и оакт и в н о го рас п ада .

Бутадиен

-

непредельн ы й углеводо­

род состава С 4 Н 6 с двумя двой н ымf1

связям и в молекуле .

Много гранная натура кр исталл ов. Атомы , моле кул ы или ионы р а спол а г а ются в кри стал л ическ и х тела х упоря доченно

-

в ве р ­

Бутлеров ,

Ал екса о~др

( 1828- 1886) -

Михайлов и ч

русск и й х и м и к , созда ­

тель теории х и м и ческо го строен и я .

шин ах мно го г р а нни ков , а ино гда в с е ред ине гран е й и л и в ц е н т р е сам о го

многогра нника. Скл ад ы вая в месте множество таких многогра ннико в , м ож но полу чи ть кри сталл в ц ел о м.

Фра нцузский уч е ны й и м орской офицер Огюст Бра ве

пред ­

Кристалл ы им еют правил ьную

ста ви л кристалл в ви д е реш ет ки , в п е рес е ч е ния х прутьев которой р аз м е­

и кра сивую форму, напри.м ер

шаются сл ага ющи е ее ч а стицы. Упорядоченное расположение частиц в

октаэдрическую (слева)

у злах кристалл ич еской решет ки и

ил и пластинчатую (справа).

( 18 11 - 1863)

придает к ристаллу красивую ,

пр а ­

вильную и симметричн у ю форму . В кристал­ л ическо й

р е ш етке

мо ж но

пер е м е щ ать с я

в

р аз ных н а пр а влениях: вд оль , поп е ре к , а та к­

же по д и а гон ал и . При этом кол и че с т во ч а с­ т иц в узл ах р е ш етки , которы е встречаются на

п ут и ,

ок ажет ся

р аз ным .

В эт ом

анизотропии (от гр еч . «а ни з ос » ный » и « тропос »

-

причин а

« нерав ­

« н а пр а вле ние »; з ависи ­

мость свойств от н а пра вл ения) Наприм е р ,

-

з начения

кристалл а.

элект ропровод ности ,

показ ателя прелом ле ния , теплопровод ности свя заны с направл е нием ,

в котором они

из­

мер е ны .

У а морфны х тел , ч а стицы которых р а споло­ жены

в простр а нстве неупорядоченно , а ни ­

з от ропия отс ут ств ует . •

РАСТ В ОРЫ И К Р ИСТАЛЛ Ы

29


ри быстром охлаждении

п

вещества

лизоваться

могут

из

кристал­

пара ,

минуя

жидкое состояние. Тогда и в

Как рождаются и растут кристаллы? Чтобы начался рост кристалла, необходимо прежде всего возникновение центра крис­ таллизации.

неожиданно

Как же он появляется? В совершенно прозрачном растворе , расплаве или

пойти .. . снег! Подобный слу­

в парах вещества протекает бурная «жизнь»: каждое мгновение частицы

комнате

чай,

может

кстати ,

был

описан

в

«Са нкт-Петербургских ведо­ мостях » за ла

в

1773

г. Во время ба­

помещении

столько

в

на ­ что

шись, приобретают структуру элементарной ячейки

корсет дамы

на­

таллика вещества. Это скопление частиц уже не разрушается и начинает

и

чали падать в обморок. Один находчивый оконное

нув, разрушаются. Но однажды два-три зародыша, случайно столкнув­

душно,

жарко

затянутые

было

(ионы или молекулы) сталкиваются, и иногда при этом появляются мель­ чайшие зародыши будущего кристалла. Они недолговечны и, едва возник­

офицер

стекло:

ведь

выбил в

этом

-

мельчайшего крис­

расти . Так появляется центр кристаллизации. В его роли могут выступать и попавшие в раствор пылинки, дефекты по­

зале форточек не было. Стало

верхности сосуда, в котором находится раствор , либо внесенный извне

немного

кристаллик растворенного вещества. Это может быть и кристаллик друго­

прохладнее,

изумлению от

но ,

к

присутствующих ,

ворвавшегося

морозного

воздуха в зале хлопьями пова­

лил снег ...

го вещества (при условии, что он обладает сходной

кристаллической

структурой) . Не все центры кристаллизации в конечном счете превращаются в крис­ таллы вещества. Крупные кристаллы продолжают расти , а более мелкие растворяются.

Два типа роста кристаллов:

1-

от центра грани;

2-

ступеньками.

Совершенство формы и красота плоских граней кристаллов наводят на мысль, что эти « каменные цветы » растут слоями . Очень часто это действительно так , причем рост каждого слоя час­ тиц начинается от центра грани кристалла.

Большое увеличение позволяет увидеть ступеньки, размеры которых уменьшаются при переходе от этажа к этажу, как кольца

в детской игрушке

-

пирамидке.

Что произойдет, если какая-то частица ве­ щества случайно попадет на грань мель­ чайшего кристалла , находящегося в пере­

сыщенном

растворе,

расплаве

или

газе?

Образовавшийся бугорок может положить начало

новому

слою ,

и

весьма

вероятно,

что другие частицы устремятся именно сю­

да, обеспечивая формирование слоя и рост кристалла.

Кристалл растет быстрее, если частицы по­ падают на его поверхность не поодиночке ,

а целыми скоплениями, «толпами». Такие скопления затем разрастаются по горизон­ тали , покрывая поверхность кристалла, и в

нем появляется новый слой частиц ...

Кристаллы из вулканов и озер. в природе кристаллы зарождаются

и растуr очень медленно. Все минералы и

горные породы в недрах Земли образова­ лись

при

кристаллизации

магмы

-

рас­

плавленной массы, насыщенной газами и перегретым водяным паром. При охлажде­ нии

магмы

в

первую

очередь

выделяется

вещество с наиболее высокой температу­

рой плавления (в отличие от аморфных

30

химия


Искусственные драгоценные камни.

дра гоценно ­ р укотворные сти. Драгоценные камни все1-да манили и привлекали к

себе людей. Возникла задача тел, температура плавления кристаллических веществ имеет вполне опре­

деленное значение): образуются зародыши, постепенно вы растающие в правильные многогранники.

«рукотворного»

Синтез искусственного квар­ ца

Когда они становятся достаточно большими и начинают мешать друг другу, вместо отдельных монокристалликов образуется их конгломерат, и

получения

драгоценных камней . основан

на

кристаллиза­

ции из раствора.

Различные добавки позволяют получить настоящую

россыпь

тогда можно говорить о поликристаллической структуре. Вещество с бо­

драгоценных камней. Темно­

лее низкой температурой плавления дает мелкие кристаллы: ведь часть

дымчатая

пространства уже занята выделениями высокоплавкого компонента .

В соляных озерах вода на вкус горько-соленая: ведь в ней растворены,

помимо поваренной, и другие соли. Летом, когда светит солнце, часть во­ ды испаряется, раствор становится пересыщенным, а кристаллы солей

выпадают

в

осадок,

плавают

на

поверхности,

оседают

на

предметах, попавших в такое озеро. Кристаллы хлорида натр ия

любых

NaC I мо­

окраска

кварца-мо­

риона обусловлена примесью алюминия,

причем

готовые

кристаллы подвергают рентге­

новскому облучению для про­ явления окраски. Цвет голубо­ го кварца (перунита) обуслов­ лен примесями кобальта. Аметистовая

окраска

кварца

вызывается атомами железа в

гут срастаться друг с другом.

Медленная кристаллизация в течение столетий приводит к образова­

нию крупных кристаллов каменной соли (хлорида натрия). В пусты н е Са­ хара сохранились развалины древнего города, возведенного из глыб этого

своеобразного строительного материала. Город простоял много лет, ведь в пустыне практически не бывает дождей.

необычной степени окисле­ ния +IV. Они замещают ато­ мы кремния в кварце. П ри малом содержании ионов же­ леза

в

кварце окраска

при высоком

Подобные явления происходят и в природных условиях. Н апример, са­ мородная сера образуется при охлаждении паров, выделяющихся из кра­

искус­

ственных аметистов бурая, а зависит даже

-

зеленая. Цвет от того,

каким

образом распределены атомы

железа в кристалле. Для про­

те р ов или трещин вулканов . Аналогичен «жизненный путь» м н ог и х других

явления аметистовой окраски

веществ, входящих в состав минералов. •

кристаллы облучают.

РАСТВОР Ы И КР ИСТАЛЛ Ы

31


ТВЕРДЫЕ РАСТВОРЫ И ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ Когда человек берет в руки ложку или вилку из нержавеющей стали или :же, гуляя, проходит мимо бронзового памятника на бульваре, ему и в голову не приходит, какие удивительные веще­ ства - металлические сплавы. А ведь это твердые растворы разных металлов друг в друге. Нержавеющая сталь, например, кроме железа содержит еще хром, никель и марганец, а бронза, помимо меди, включает олово и свинец. vр исталл ы

а мети стового

.l~вета. Можно за две-три недели

вырастить

красивые

кристаллы твердых растворов

солей и у себя дома. Для этого потребуются стеклянная бан­ ка, проволока и нитка, да еще

необходимый

запас

солей,

Металлические растворы . Твердые растворы получаются, - не обязательно ме­ талла - без изменения ее строения располагаются атомы или ионы д руто­ го вещества . Например , в кристалле металлического серебра Ag все атомы можно последователь н о заменить атомами золота Au. Кристаллическая когда в кристаллической решетке одного вещества

решетка при этом останется по существу прежней, только вместо одного

кристаллы которых вы соби­

металла (серебра) сначала получается ряд сплавов со все растущим содер­

раетесь выращивать. Эффект­

жанием золота и , наконец , второй металл (чистое золото). В этом случае

но выглядят «домо рощенные »

химики говорят, что образуется « неограниченный твердый раствор » или

кристаллы чистых алюмокали­

евых и хромокалиевых квасцов

что золото и серебро неограниченно растворимы друг в друге. •

(бесцветные либо фиолетовые октаэдрические

многогран­

ники) , и очень хороши такие

,. "

же октаэдрические кристаллы

н ежно-с иреневого цвета , кото­ рые

вырастают

из

раствора

смеси этих солей.

"

Сначала готовят как можно более концентрированный рас ­ твор соли или смеси солей и

~

-

"

о

... "о "о "

" "

наливают его в ба н ку, а потом с помощью проволочной пе­

" о "

~

" 11

о

о

атом основного вещества

'

"'

1

" "

'

-

атомы веществ-примесей

ремычки подвешивают в рас­ творе на нитке кристалли<1ес­

кую «затравку»

-

маленький

Схема образования твердых растворов внедрения и замещения.

кристаллик . Н а этой «затрав­ ке » и предстоит расти будуще­ му э кспонату коллекции кри­

Химическая диковинка: жидкие кристаллы . Жидкие - это вещества, обладающие свой­

сталлов. Банку , не зак рывая ,

кристаллы действительно существуют

ставят в теплое место. Когда

ствами и жидкостей, и кристаллов. Их даже нельзя считать «х имической

кристалл

станет

достаточно

большим, его вынимают, об­ сушивают мягкой тряпочкой

или бумажной салфеткой, об­ ре зают

нитку

и

покрываю т

грани бесцветным лаком, что­

редкостью», поскольку из каждой тысячи новых органических веществ ,

синтезируемых в лабораториях мира, по крайней мере пять

-

жидкие

кристаллы. По механическим свойствам это вещества более или менее те­ кучие , а в оптическом отношении они в точности повторяют свойства кристаллов .

бы предохранить от « выветри­ вания» на воздухе.

Жидкие «НИТКИ» И холестерин . Второй тип жидкокрис­ веществ называется нематическим (от греч. « нема » -

таллических

« нить» ). Эти вещества содержат нитевидные частицы, которые либо при­ липают к стенкам сосуда, либо остаются свободными. Эти нити выглядят « причесанными » и направлены параллельно друг другу, но могут сколь­

зить вверх и вниз . Подходящая аналогия для нематических жидких кри-

32

химия


1

сталлов

-

ротким и

длинная коробка с ко­ карандашами,

которые

могут свободно поворачиваться во­ круг

своей

оси ,

перемещаться

вдоль коробки , но никогда не вста­ ют поперек.

Столь своеобразное причина

строение

совершенно

-

необычных

оптических свойств холестериче­

ских жидких кристаллов . Обычный (неполяризованный) свет, проходя через такие

вещества ,

распадается

на два луча, которые преломляются

по-разному.

Когда

бесuветный,

как вода , холестерический жидкий кристалл

попадает

в

зону

прост­

ранства с меняющейся температу­

рой, он начинает принимать уди­ вительно яркую окраску. Кристалл

2

может стать сначала фиолетовым, затем голубым, зеленым, желтым,

красным

и , наконеu,

опять бес-

Колебания видимого свет а в слоях холестерического жидко­

uветным.

Сейчас с жидкокристаллическими

го кристалла.

индикаторами человек сталкивает­ ся

практически

ежедневно,

глядя

на uиферблаты электронных часов и калькуляторов, эк р ан переносно­

го компьютера

---------------8• 3

-

«ноутбука>}, элек­

тронные табло на вокзалах и в аэ-

ропортах, на рекламные щиты с «ж ивым >} изображением. •

Расположение

частиц

в

структуре

ш ир~ко

известе~ слу­

чаи, связанныи с зо­

вещества в различных состояниях:

12-

кристалл;

лотой короной древнегр ече­

жидкий кристалл;

ского царя Г иеро н а. Легенда

з

жидкость.

-

гласит,

что,

решая

постав­

ленную перед ним задачу

-

определить подлинность ко­ роны

из

золота,

-

древне­

греческий ученый Архимед

(около

287-212

до н.з.) от­

крыл закон, кото ры й увеко­

вечил его имя: « Всякое тело, погруженное в жидкость, те­

ряет

в

сколько

своем

весе

весит

столько,

вытесне н ная

ИМ ЖИДКОСТЬ» . 8

Смектический жидкий кристалл.

Нелютический жидкий кристалл.

РАСТВОРЫ И КРИ СТАЛЛЫ

33


ИСТИННЫЕ И КОЛЛОИДНЫЕ РАСТВОРЫ Одно из самых важных свойств воды - ее способность раство­ рять многие вещества. Растворы очень важны, причем не толь­

ко для промышленности или быта (ведь многие реакции, совсем не протекающие или протекающие с трудом, в растворе идут легко, и их ходом можно управлять). Растворы сыграли огромную роль и в возникновении самой жизни

на Земле. Вода океанов содержит сотни веществ: соли, комплекс­ ные соединения, органические вещества. Именно в этом «супе» впервые появились ;живые организмы, из него они получали необхо­ димые для роста и развития вещества. Живые существа вышли

на сушу и поднялись в воздух, но сохранили в своем организме вод­ ные растворы в виде крови, плазмы, ме;жклеточных жидкостей, где содержится весь необходимый им запас молекул и ионов.

Разные растворы. Растворами называют однородные смеси , со­ став которых можно менять в некоторых более или менее широких преде­

лах. Наиболее известны жидкие растворы. Например, газированная вода ЭТО раствор газообразного диоксида углерода со2 в воде. Воздух разный раствор кислорода Галит

-

каменная соль.

гона Аг в азоте

N 2•

0 2, диоксида

-

-

газооб­

углерода СО 2 , водяных паров и ар­

Сплав , из которого сделаны металлические монеты ,

-

это твердый раствор никеля в меди.

В растворе всегда присутствует не меньше двух веществ-компонентов это растворитель и растворенное вещество . Растворы

дисперсных систем (от лат.

duspersus -

-

-

один из видов

« рассеянный » , « рассыпанный » ),

на которые принято подразделять любые смеси веществ. Дисперсные си­ стемы могут быть разными.

В истинных растворах размеры распределенных в растворителе частиц не пре­

вышают

1 нм; 1 нм

(нанометр) равен

1О-9 м. В случае коллоидных растворов

Растворение кристалла .хлори­

размеры распределенных частиц находятся в интервале

1-100 нм , а во взвесях -

да натрия в воде.

суспензиях, эмульсиях , аэрозолях превышают

нм. Самая распростра­

ненная суспензия

-

100

это дорожная грязь: она содержит

частицы алюмосиликатов (глины) в водной среде. Приводя пример эмульсии , обычно вспоминают мо­ локо

-

мельчайшие капельки жира, распределенные

в воде. Аэрозоли

-

это туман, смог, изморозь (капельки

воды, частицы твердой сажи , мельчайшие кристаллики

лдца, взвешенные в газообразной среде).

Если содержание растворенного вещества в растворе невелико, то он считается разбавленным , если вну­ шительное

-

концентрированным. «Аппетит» рас­

творителя по отношению к растворенному веществу имеет

и

количественное

мость вещества

-

выражение:

это

раствори­

способность его растворяться в

данном растворителе при определенной температуре.

-атом

~ -атом

кислорода

34

химия

водорода

А -молекула воды

Если взять полстакана горячей воды и насыпать в него столовую ложку поваренной соли

натрия

NaCI,

-

хлорида

а потом размешать , то соль полно-


стью растворится. Ни одной крупинки не будет видно в стакане: там об­ разовался раствор хлорида натрия. Молекулы воды «набрасываются» на кристалл хлорида натрия, состоящий из катионов и анионов, со всех сто­ рон и « отгрызают» один за другим катионы

Na+ и

анионы с1 - , составляв­

шие до того правильную ионную кристаллическую решетку .

В природе сами собой происходят обычно только те процессы, от которых можно ожидать некоторого выигрыша энергии. Такой выигрыш энергии при образовании раствора соли из кристаллов и чистой воды обязательно появится: ведь каждый из ионов в растворе оказывается окружен множе­

ством молекул воды, образующих с ним довольно прочные ионно-молеку­ лярные химические связи.

Химики в таких случаях говорят, что образуются гидраты или (если раствори­ телем служит не вода) сольваты. При возникновении любых химических связей , даже не очень сильных, обязательно выделяется энергия. Значит, рас­ творение соли в воде

процесс энергетически выгодный.

-

Добавляя в стакан с горячей водой все большее количество соли

-

до тех

пор , пока она не перестанет растворяться , а начнет оседать на дне стака­

Дым из воды.

можно получить насыщенный раствор соли. Если теперь осторожно

Твердый диоксид углерода («су­

слить из стакана часть раствора без кристаллов и поставить прозрачную

хой лед») в воде бурно перехо ­

жидкость охлаждаться ,

дит в газообразное состояние.

на,

-

можно дождаться

выделения

кристаллов хлорида

натрия в виде прозрачных кубиков правильной формы. Значит, при более низкой температуре стала ниже и растворимость.

Чудеса кристаллизации. Если при заданных температуре и давлении

концентрация

растворенного вещества

ниже , чем

в насыщен ­

ном растворе, то говорят о получении раствора ненасыщенного , если вы­

ше

-

пересыщенного. Пересыщенные растворы очень неустойчивы: при

д

ым из воды. В стакан с водой

бросают

« сухого льда »

-

кусочек

твердого д и ­

оксида углерода СО 2 • Тотчас же вода забурлит , а и з стакана

переме­

повалит густой белый «дым » ,

шивании или сотрясении все избыточное количество растворенного ве­

образованный охлажденными

введении маленького кристаллика растворенного вещества , при

водяными

щества выпадает в виде кристаллов .

Химикам хорошо известен опыт, который, кстати , можно поставить и дома.

-

Нагревая пентагидрат тиосульфата натрия

Na2 S0 3S · 5 нр

ский фиксаж , или гипосульфит натрия ,

получают расплав (точнее , очень

-

концентрированный раствор в кристаллизационной воде

-

фотографиче­ все-таки здесь

ее пять молекул) , а потом осторожно охлаждают его. Образуется пересыщен­ ный раствор, который при внесении крохотного кристалла тиосульфата на­

трия мгновенно кристаллизуется во всем объеме , который он занимает.

Растворимость и температура. Растворимость веществ может 100 мл холодной воды растворяется 35 г хлорида натрия , сахара (сахарозы C 12 H 22 0 1i) - 94 г. Многие вещества считаются практичес­

парами,

которые

увлекает за собой возгоняю ­ щийся диоксид углерода. Этот «дым >) безопасен .

Тв е рд ый

д иоксид

во з гоняется

углерода

(переходит

кристаллического

в

из

га зооб ­

раз ное состояние) без пла вле­ ния при весьма низкой темпе­

ратуре

-78 °С. В жидком виде С0 2 может находиться только под давлением.

быть самой разной. В а

ки нерастворимыми, хотя и у них есть некоторая , пусть очень низкая , раство­

римость. Например, в

та кальция

100 мл холодной

воды растворяется около

0,2 г сульфа­ 0,0005 г. А рас­

CaS04 , карбоната кальция СаС0 3 - еще меньше: AgCI - всего 0,0002 г в 100 мл воды .

творимость хлорида серебра

Растворимость веществ зависит и от температуры. Одни вещества при бо­ лее высокой температуре растворяются лучше (та же поваренная соль

NaCI , сахар - сахароза С 1 2 Н 12 О 1 1> питьевая сода - гидро­ карбонат натрия NaHC0 3 , алюмокалиевые квасцы - сульфат калия-алю­ миния КAJ(S0 4 ) 2 , калийная селитра - нитрат калия КNОз), другие - на­ оборот, хуже (карбонат лития Li 2C0 3 , фторид лития LiF). Есть и такие хлорид натрия

вещества , растворимость которых одинакова при любой температуре

(например, фторид кадмия

CdF2). РАСТВОРЫ И КРИ СТАЛЛ Ы

35


д

остижения в коллоидной

Главная причина этого состоит в разной прочности свя зей в кристаллических

химии, н а первый вз глнд

решетках веществ и разной прочности сольватов, которые частицы веществ

чисто

теоретические ,

прояснили лнрном

многое

в атомно-молеку­

строении

вещества

и

заложили основы методов бу­ д ущих

исследований

живой

образуют в растворе. Химики сделали вывод, что в том случае , когда кристал ­ лическая решетка растворяемого вещества очень прочна, а образующиеся

при растворении соединения с растворителем (сольваты) дают не большой выигрыш энергии , повышение температуры увеличивает растворимость .

клетки . Ведь не только кровь

Если же, наоборот , кристаллическая решетка не очень крепкая , зато в

и протоплазма

сольватах свя з ь прочная и выделение энергии значительное , то.при повы­

клеток ,

но

и

все растительные и животные ткани

-

это сложные колло­

идно-химические системы.

Расплавы держащие

« Пирозоли », со­

-

распределенные

них " частицы размеров ,

в

« КОЛЛОИДНЫХ »

при

кристаллизуются

шении температуры растворимость будет уменьшаться .

Температура не влияет на растворимость в том случае , когда прочность кристаллической решетки вещества примерно равна э нергии свя з и в соль­

ватах. Явление пересыщения растворов открыл в

мик, академик Товий Ловиц.

1803

г. российский хи­

охлаждении или

вают бе з образования

засты­

крис ­

таллов , образ ун « стекла >> . По­ лученные твердые з оли

-

это

Причуды КОЛЛОИДОВ. Примерно в 1860 г. английский х имик Томас Грэ м обнаружил, что такие вещества , как клей , жел атин , крахмал , очень медленно диффундируют (перемещаются) в водном растворе. Более

(например ,

того , оказалось, что если водный раствор смеси такого клеепод обного ве­

рубиновые) , э мали , наконец ,

щества и , например , сахара поместить в мешок и з пергамента ( пол упро­

цветные

стекла

многие и з д р а гоценны х и по­

ницаемого материала) , а потом опустить в холодную воду , то через неко­

лудрагоценных камней.•

торое время сахар полностью проникнет через стенки мешка и уйд ет с во­

дой, а клей останется.

Вещества , не проникающие через полупроницаемые пленки и малоподвиж­ ные в воде , Грэм назвал коллоидами (от греч. « колла>>

-

« клей »). Некоторые

коллоиды состоят из молекул с известной молекулярной массой (правда , очень больших); другие

-

-

из агрегатов частиц

Грэм ввел еще термины «золь»

-

молекул , ионов.

для коллоидных растворов (смесей, напо­

минающих жидкий кисель) и « гель»

-

для смесей с такой структурой, кото­

рая уже не позволяет им быть подвижными , иначе говоря , для студней.

Коллоиды давно были известны ученым. Еще Парацельс сал об « аурум потабиле »

-

(1493-1541)

пи­

золотом напитке , который представляет собой

не что иное , как коллоидный раствор золота в воде. В следователи наблюдали коагуляцию (от лат.

XVII-XVIII вв. ис­ coagulatio - « свертывание » ,

«затвердевание» ) коллоидных растворов белков и других соединений. Неорганические золи можно получить распылением в воде твердого ве ­ щества , которое по какой-либо причине нельзя растворить. Это относит­ ся , в частности, к коллоидным растворам золота

леза

FeO(OH)

или сульфида мышьяка

As 2S3

Au ,

метагидроксида же­

в воде.

Золи золота, которые получаются при добавлении восстановителя к раз­ бавленному раствору хлорида золота, известные еще алхимикам детально исследовал английский химик и физик Майкл Фарадей

XVII в., ( 1791-

1867). Очень часто эти

рубино­

золи окрашены в различные яркие цвета

-

во-красный, синий, зеленый". Это разнообразие объясняется рассеянием света в коллоидном растворе.

Коллоидные растворы (золи) стабилизируются, если на поверхности час­ тиц появляется электрический заряд, и, наоборот, теряют устойчивость

при потере заряда или перезарядке (смена знака заряда). Это происходит Процесс растворения и осажде­

чаще всего при добавлении каких-нибудь неорганических солей, напри­

Nия.

мер хлорида натрия

1-

переход частиц осадка

в раствор;

2-

выпадение осад­

ка из раствора .

NaCI

или перхлората лития

LiCI0 4 •

К правильным представлениям о коллоидных растворах химики пришли

только в конце

XIX

в. благодаря исследованиям ряда ученых, среди кото­

рых особо следует отметить австрийца Рихарда Зигмонди первым выяснил природу коллоидных растворов.

36

химия

( 1865-1929).

Он


Водлиионы Все научные открытия совершаются своевременно

-

в том

смысле, что у человека возникает потребность изучить нечто,

до той поры непознанное ... Именно этим обьясняется возникно­ вение и развитие теории электролитической диссоциации ва;жнейшего научного достиJ1сения шведского физикохимика Сванте Аррениуса (1859-1927). Действительно, люди обратили внимание на необычные свойст­ ва растворов солей, кислот и оснований лишь тогда, когда по­ пробовал и испытать их отношение к электрическому току.

Это произошло во второй половине XIX столетия, и к изучению явлений, которые связаны с прохождением электричества через разные химические вещества, причастны очень многие ученые.

Что такое электролиты? Электролитами принято называть вещества (или их смеси) , которые проводят электрический ток, не будучи металлами. Особ ую

ионную

-

природу элект ролитов первы м за по­

-

доз рил немецкий физик Рудольф Клаузиус. Он опроверг утверждение сво­

Сванте-Август Аррениус.

его знаменитого английского коллеги Майкла Фарадея , считавшего, что в растворах эле ктролитов ионы прочно связаны в виде молекул. Представле­ ния Клаузиуса о диссоциации (распаде) молекул электролита в растворе на

отдельные заряженные частицы (ионы) в дальней шем развивали и д ругие ученые. Н а конец в

1883

г., после серии экспериментальных исследований,

Сванте Аррениус сформулировал стройную теорию электролитической диссоциации.

По мнению ученого, если количество воды в растворе достаточно велико,

то молекулы растворяемой соли расщепляются на ионы полностью. На­ пример , обычная поваренная соль

-

хлорид натрия

NaCI -

в таком «бес­

конечно ра збавле нном » растворе полностью диссоциирует на катионы на­ трия

Na+ и

хлорид-анионы с1 - :

NaCI

=

Na

+

+С!

-

А электрическая проводимость разбавленных растворов и реакционная способность растворенных электролитов зависят от количества содержа­ щихся в них ионов.

Положительные ионы

-

катионы

-

при прохождении электрического то­

ка через раствор скапливаются , а потом получают недостающие электро­

ны и разряжаются на отрицательном электроде ные ионы

-

анионы

-

-

катоде . А отрицатель­

при пропускании тока отдают избыток электро­

нов на положительном электроде

-

Представления о диссоциации

молекул электролита в растворе

аноде. Отсюда и названия ионов.

сформулировал Аррениус в докторской диссертации, которая бы­ ла успешно защищена и опубликована в виде «приложения» к

Трудам Академии наук в Стокгольме. Однако выводы шведско­ го химика были довольно прохладно восприняты коллегами в

его родном Упсальском университете. Это не позволило Арре­ ниусу поступить на службу и продолжить исследования в избранном на­ правлении.

Взаимодействие между .м оле­

Однако он был настолько уверен в своей правоте, что послал работу на от­

кулами воды и ионами соли при

зыв виднейшим ученым Европы

растворении хлорида натрия.

-

Клаузиусу, Оствальду, Вант-Гоффу ".

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

37


ч

то такое индикаторы ?

И труды Аррениуса получили признание, если так можно выразиться, сна­

Когда

чала в международном масштабе и лишь много позже

среда

кислая,

растворе оказывается

в

избы­

ток катионов водорода (точ­

нее катионов оксония Н 3 0+),

-

когда щелочная

в растворе

-

у него на родине.

О собе н но горячее участие и поддержку Ар рениус нашел у В ильгельма О ствальда, который решил использовать некоторые идеи молодого учено­ го в своих исследованиях. •

избыток гидроксидных анио­ нов. Если в растворе катионов оксония нов

и

гидроксид-анио­

поровну, то среда счита­

ется

нейтральной.

Катионы

н+· и анионы ОН- непрерыв­ но

борются

за

Сильные и слабые электролиты. Если нитрат серебра AgN0 3 растворять в воде, то ио н ная кристаллическая решетка этой соли разрушается полностью. В результате в растворе оказываются катионы се­ ребра и нитрат-ионы:

первенство,

Ag 0 3 = дg+

а быстро определить, кто в их состязании

победитель,

нам

помогают «судьи» этой <<Олим­

-

пиады»

кислотно-основ­

вещества-указатели ме­

няют

цвет

в

В данном случае нитрат серебра ведет себя как сильный электролит. Сте­

пень диссоциации

AgN0 3

в водном растворе равна

100%,

или

1,00.

Степень диссоциации ад"сс измеряется отношением молярной концентра­

ные индикаторы.

Эти

+ N03

зависимости

того, в какую среду

-

от

ции вещества, подвергшегося диссоциации (сд 11 сс), к исходной (или, как говорят химики, к «аналитической») концентрации растворенного вещест-

кислую,

щелочную или нейтральную

-

они попали.

Причина изменения окраски заключается в том, что моле­

Однако нитрат серебра можно растворить не только в воде, но и , напри­

кула

мер

индикатора

и

его

ион

(катион или анион), который образуется при реакuии с ка­ тионами оксония (с кислота­

ми)

или гидроксид-ионами (со щелочами), окрашены по­ разному.

Вообще-то кислотно-основ­ ных

индикаторов

великое

более

существует

множество,

но

наи­

распространены

лак­

мус, фенолфталеин и метило­ ранж.

Самым первым появился кис­ лотно-основный

индикатор

лакмус. Это водный

настой

лакмусового лишайника, рас­

тущего на скалах в Шотлан­

дии. Этот индикатор случай­

но открыл в

1663

г. англий­

ский химик и физик Роберт

Бойль. Позднее настоем лак­ муса

стали

пропитывать

фильтровальную высушивали

и

бумагу;

получали

ее та­

ким способом индикаторные

«лакмусовые бумажки». приобретали щелочном

ный

-

синий

растворе

в кислом .

Они

цвет и

в

крас­

Роберт Бойль обнаружил, что лакмусовый ли1иайн ик, в изоби­

лии растущий в Шотландии, становится

красным

в

кисло­

тах и синеет в растворах ще­

лочей.

38

в ацетонитриле

C H 3CN.

В этом случае молекулы растворителя «от­

грызают» от кристаллической решетки исходной соли не только отдель­ ные катионы или анионы, но и электронейтральные молекулы соли:


Изменение окраски индикато­ Индикаторы м еняют

Кислая

рН

Щелочная

окраску

среда

перехода

среда

ров в зависимости от кислот­

ности среды.

4,4

Метилоранж

3,1

8,0

Лакмус

5,0

6

Фенолфталеин

9,6 8,0 7,6

Бром этиловый

ф енолфталеин,

который

применяется в виде спир­

синий

тового

6,2

раствора,

становится

в щелочной среде малиновым,

а в нейтральной и кислой он

Так что степень диссоциации соли будет меньше

100%,

или

1,00,

а нитрат

серебра в органИческом растворителе ацетонитриле ведет себя как сла­ бый электролит. Н о, кроме солей, к числу электролитов химики относят еще кислоты и основания.

ловый

иначе ,

« мети­

оранжевый »,

или,

дейст­

вительно имеет такой цвет в

нейтральной среде. В кисло­

Чем кислота отличается от основания? Хотя представ­ ления о кислотах и основаниях существуют уже несколько столетий, дол­

гое время химики затруднялись выработать единое определение этих по­ нятий. Алхимики считали кислотами любые вещества , кислые на вкус . Более того , проводя реакции нейтрализации с участием кислот, они оп­ ределяли момент окончания реакции, пробуя смеси веществ языком. Появление первых химических кислотно-основных индикаторов (от лат.

indicator -

бесцветен. Индикатор мети­ лоранж ,

« указатель»), которые меняли цвет в зависимости от кислот­

ности среды, стало огромным шагом науки вперед. Самым первым инди­

тах

его окраска розово-мали­

-

новая , а в щелочах

желтая .

Если нет настоящих химиче­ ских индикаторов , можно ус ­ пешно применять для опреде­

лен и я

кислотности

среды

.. .

домашние, полевые и садовые цветы и даже сок многих ягод

(вишни , черноплодной ряби­ ны, смородины). Розовые, ма­ линовые герани ,

или

красные

лепестки

цветы

пиона

или

катором был настой лишайника лакмуса, свойства которого обнаружил

цветного

еще английский химик и физик Роберт Бойль

лубыми, если опустить их в

основания

начали

определять

как

вещества,

(1627-1691).

влияющие

Кислоты и

определенным

образом на окраску индикаторов.

Сванте Аррениус объяснял появление ионов в растворе тем , что в воде происходит электролитическая диссоциация веществ. П ри этом, по мне­

горошка

станут

щелочной раствор.

го­

Посинеет

в щелочной среде и сок вишни

или смородины. Н аоборот, в кислоте

те же « реактивы »

примут розово-красный цвет.

нию Аррениуса , любая кислота в водном растворе образует катионы во ­

Растительными кислотно-ос­

дорода н +, а основание

новными индикаторами здесь

- гидроксид-анионы он - . П ри этом сильные

кислоты и сильные основания в очень разбавленных растворах диссоци­ ируют нацело. Так, например, ведут себя в водном растворе азотная кис­

лота

HN0 3 и

гидроксид натрия

NaOH:

= Na++

N H3 •

вещест­

придают разнообразные от­ многим

цветам

и

пло­

дам. •

он-

Слабые кислоты и основания, например азотист-ая кисл ота рат аммиака

красящие

ва «антоцианы » . Именно они тенки

HN0 3 = н + + N03 NaOH

являются

HN 0 2

и гид­

Н 2 О , диссоциируют частично (обратимо):

HN0 2 <=t н + + N O ~ N H 3 • Нр <=t N H; + он -

РАСТ ВОРЫ И КР И СТАЛЛЫ

39


Цвет универсал ьного индика­ тора м еняется в з ави с имо сти

от рН. Знач ения водородного пока зат еля

указаны

на

эти­

кетках колбочек.

Теория Аррениуса хорошо объясняла поведение веще ств в р а створ ах, но только до тех пор , пока это объясн е ние нос и л о ка ч еств енный ха р акте р.

Стоило сделать попытку количественного объяснения за коно ме рностей поведения кислот и оснований , как во з ник ал ц ел ый ря д тр уд ностей.

И главная и з них состояла в том , ч то идея эл ектрол итиче с ко й д иссоциа­ ции никак не учитывала роли воды , считая ее лишь ин е рт но й ср ед о й

-

не более чем « сценой », где разыгрываются химические «д рамы ».

Но ведь это совсем не так! Не сл учайно химики (или , точнее , еще алх и­

огда обменные реакции

кидут

до конца? Ионы ,

мики) утверждали:

«corpora non agunt, nisi fluida» -

« вещества не реаги­

руют друт с другом , не будучи жидкими » (т . е. растворенными в воде) .

которые полу чил ись в р а ство ­

Это очень древнее положение основано на опыте использования водных

ре

растворов . Можно перевести алхимическое правило иначе: « если ра ство­

в р езул ьтате электролити­

ческой

д и с социации ,

дятс я

непрерывном движе­

в

нахо­

нии. Если они « наткнутся » на

ришь вещества в воде , они будут реагировать лучше и быстрее » . Невозможно предположить , что ионы и молекулы растворенных веществ

тех своих собратьев по рас­

никак не свя заны с молекулами вод ы

твору , с которыми могут об­

ниях « универсального» .

р аз овывать ос ад ок

нечто

-

новое

тр уд норастворимого

или

вод у , ТО тут же

делают .

Когда

растворы

двух

ЭТО

смешив а ют

электрол итов ,

ионы которых способны об­

растворителя во многих отноше­

не только катион

водорода

мгновенно образует в воде катион оксония по реакции : н+

вещества , газообразный про­ дукт

-

И действительно ,

+ нр = нр +

но и соли , такие , как сульфат бериллия или хлорид алюминия , при раство­

рении в воде тоже превращаются в аквакатионы [Ве(Нр) 4 ] 2 + и (АJ(НР) 6 ] н :

BeS04 + 4Нр

разовать осадок , газ или воду ,

= [Ве(Нр) 4 ]2+ + SO~-

происходят реакции д войного

AICl 3 + 6Нр = [AJ(Hp)6]3+ + зс1 -

обмена. В результате получа­ ются совершенно новые про­

дукты. Приведем примеры та­

Образовавшиеся аквакатионы, а также и анионы солей в растворе оказы­

ких реакций.

ваются окружены еще одной , более рыхлой гидратной оболочкой (состоя­

Когда в результате обменных « манипуляций » с ионами

не

выделяются ни осадок , ни га­

зообразное в е щество , ни во ­

щей из большого количества слабо свя занных молекул воды) . Образно говоря, частицы растворенного вещества надевают на себя д ве « шубы » из молекул воды .

да , ни слабая кислота , реак­ ции

обмена обра тимы

ид ут до конца . что

в

и

не

Это значит ,

растворах

получаются

смеси ионов , например :

NaN0 3 + KCJ +:Z KN0 3 + NaCI Na+ + N03 + к+ + с1 - -.:z -.:z к+ + N03 + Na+ + с1 -

40

химия

Брёнстед и Лоури уточняют теорию Аррениуса. В настоящее время химики всего мира используют достаточно простую , но весьма совершенную протонную теорию кислот и оснований , раз рабо­

танную в первой половине ХХ в. Йоханнесом Брёнстедом и Томасом Лоу­ ри. Главная роль в определении понятий « кислота» и «основание» здесь от­ водится простейшей химической частице н + Кислота

-

-

протону, катиону водорода.

это частица (молекула или ион) вещества , способная отдавать

протон своим партнерам по химической реакции (или , как говорят х ими-


частица, способная прини­

Реакции обмена, в которых

мать протон от химических партнеров (основание еще называют «акцеп­

выделяется газообразный про­

ки, быть «донором протонов»). А основание

-

тором протонов»). Вещества, теряющие или приобретающие протоны, носят имя веществ­ протолитов , а саму реакцию между протолитами называют п ротолизом.

В самом общем виде эту реакцию выражают уравнением:

дукт, идуг до конца. мер ,

разложение

родной кислотой растворимого

Напри­

хлороводо­

HCI

хорошо

сульфита

на­

трия

Na2S03 дает газ - диок­ сид серы S0 2, в растворе ока­ зывается хлорид натрия NaCI.

НА+ в - +z А- + нв

Конкуренция между частицами веществ НА и НВ за обладание протоном не

После

только делает протолитическую реакцию обратимой, но и приводит ее к со­

можно будет выпарить рас­

стоянию протолитического равновесия.

твор

Итак, кислоты в водном растворе будут отдавать протоны ... Но

NaCI:

-

кому?

Конечно же, молекулам воды, которые при этом превратятся в катионы

оксония. Сильные кислоты навеки расстанутся с атомами водорода, вхо­ дившими в состав их молекул, а сами превратятся в анионы кислот:

HN03+

нр

= N03 +

нр+

При этом анионы сильных кислот (таких, как азотная ная

H 2S04 ,

хлорная

HCI04

нитрат-анион

-

N03,

HN0 3,

сульфат-анион

сер­

so;-,

перхлорат-анион ею; и др.) проявляют в дальнейшем удивительное рав­ нодушие к протонам, «Не замечая» этих юрких частиц, носителей кислот­

ных свойств.

окончания

и

выделить

реакции

кристаллы

Na2S0 3 + 2HCI = 2NaCI +

+ нр + so 2t 2Na+ + so;- + 2н + + 2с1 - = = 2Na+ + 2с1 - + нр + so 2t Кислота и основание при вза­ имодействии дают соль и во­ ду,

и

реакция · обмена тоже

идет до конца. Например, ма­ лорастворимый гидроксид ме­

ди

Cu(OH) 2

реагирует с сер­

Данные анионы принято считать непротолитами, а само их существова­

ной кислотой

ние очень помогает химикам разобраться со странным поведением в вод­

нием

ном растворе некоторых солей, подверженных гидролизу.

растворе появляются катионы

Слабые кислоты в водном растворе подвергаются обратимому протолити­

меди

ческому взаимодействию с водой.

Образующиеся в результате анионы слабых кислот фтороводородной фторид-анион

F-,

HF, уксусной

-

азотистой

СН 3 СООН (такие, как нитрит-анион

NOj,

«симпатии » к протонам, входящим в состав катионов оксония Н 3 0 + :

HN02+

нр+z

N02 +

протон партнерам на химической «сцене».

Передачу протона в молекуле гидрата аммиака

NH 3 • нр (слабого осно­ аммония NH; , обладающего не­

которой (хотя и не очень большой) склонностью к отдаче протонов (а зна­

чит

-

слабокислотными свойствами), отражает следующее уравнение ре­

нр

+z

Nн:

+ он -

Следовательно, гидроксид-ион способен принимать протоны и играть роль основания в протолитических реакциях.

Однако самые главные в протолитических реакциях

в

Cu 2+:

Cu(OH) 2 + 2Н + + so;- = = cu 2+ + so;- + 2нр

Cu(OH) 2 + 2н + = Cu 2+ + 2нр Соль хлорид натрия

-

молекулы раство­

рителя (воды); они то принимают протоны от кислот, то отдают прото­

NaCI

при

взаимодействии с другой со­

AgN0 3 в

лью

нитратом

серебра

водном растворе об­

менивается анионами и выде­

ляет хлорид серебра

акции:

NH3.

выделе­

или в сокращенной форме:

нр +

Очевидно , что катион оксония может играть роль кислоты и отдавать

вания) и получение в результате катиона

H2S0 4 с

одновременно

Cu(OH) 2 + H 2S0 4 = = CuS04 + 2нр

HN0 2 ,

ацетат-анион СН 3 СОО- и др.) проявляют заметные

воды;

AgCI:

NaCI + AgN0 3 = AgCt.!. + + NaN0 3 Na+ + с1 - + Ag+ + N03= = AgCJ.!. + Na+ + NO) Эта реакция обмена идет до конца

-

выпадает осадок . Ес ­

ны , встречаясь с основаниями ... При этом молекулы воды превращаются

ли его отфильтровать , а рас­

в катионы оксония Н 3 0 + или гидроксид-ионы он - .

твор выпарить, можно будет

Словом , это универсальные «актеры» на химической сцене. •

получить

и

второй

двойного обмена

".От слов «Пундус гидрогениум». Ионы водорода н + если уж быть точными, катионы оксония Н 3 0 + ) в растворе любой

рат натрия

-

продукт

соль нит­

NaN0 3• •

кислоты действуют на окончания чувствительных нервных волокон чело-

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

41


века, вызывая субъективное ощущение кислого. Поэтому кислотность любого раствора химики определяют через концентрацию н + или н ) о + , выраженную в моль/л (моль личества вещества ,

1

-

это химическая единица измерения ко­

1

моль катионов водорода имеет массу

г). Эта

концентрация очень мала (составляет миллионные доли моля на литр раствора) . Гораздо удобнее пользоваться предложенными в

1909

г . датским физи­

кохимиком и биохимиком Сереном Серенсеном логарифмическими еди­ ницами измерения кислотности: рН (от лат.

pundus hydrogenium -

« вес

водорода»): рН Химическая

Если рН равен

ляет

7,

= - lg [Н + ]

то концентрация катионов водорода в растворе состав­

1 · 10-1 моль/ли

раствор нейтральный, т.е. не кислый и не щелочной.

Это действительно так , поскольку в воде , которая является амфолитом (т.е. проявляет одновременно свойства кислоты и основания) , протекает реакция автопротолиза:

нр

+ нр +z

он - + нр +

Равновесие автопротолиза количественно характеризуется ионным про­

изведением растворителя (воды). Оно обозначается К8 и при температу ­

ре

25

°С равно

1 · 10- 14 •

В чистой воде концентрации гидроксид-ионов и

катионов оксония равны между собой и составл яют

1 · 10-1 моль/л .

цательный логарифм этой концентрации как раз будет равен

Отри­

7. Чем

мень­

ше значение рН, тем кислее раствор .

Например , при рН

= 3 концентрация

н + равна

10-з моль/л

-

в

10 ООО раз

больше, чем в нейтральной среде , т.е. раствор кисл ый. В щелочной среде значение рН всегда больше

7,

и концентрация катионов водорода во мно­

го раз меньше , чем в нейтральной. •

«Силачи» и «слабаки» в мире кислот и оснований. Чтобы сравнить между собой по силе все и з вестные кислоты , достаточно

выстроить их в ряд в соответствии со шкалой кислотности. Самые боль­ шие степени протолиза (при одинаковых концентрациях) будут отвечать самым сильным кислотам, а самые маленькие

Так , для очень слабой кислоты

-

-

самым слабым .

циановодородной

HCN ,

которая

подвергается протолизу в водной среде с образованием цианид-анио­ «Дымящийся вулкан».

на С№ и катиона оксония:

Если в стакан со смесью кон­

Н CN

центрированных серной и азот­ ной кислот приливать по кап­

лям скипидар, .можно увидеть , как он воспламеняется и сгора­

ет, выделяя густой черный дым

+

Нр

+z

С№

+

Н р+

значение степени протолиза при концентрации О, 1 моль/л равно

7 · 1о-з

процентов . Для уксусной и фтороводородной кислот, протоли з которых ведет к образованию ацетат-ионов или фторид - ионов:

с обилием копоти.

СН 3 СООН

+ Hp+z

+zCH 3Coo- +

HF +

нр

+z F-

нр +

+

нр +

значения степени протолиза при той же концентрации равны

8, 16%,

1,32 %

и

соответственно.

Можно сразу сделать вывод , что уксусная кислота сильнее , чем цианово­

до родная, но слабее , чем фтороводородная . Если все известные кислоты (точнее , все сопряженные пары кисл ота/ос-

42

химия


нование) расположить в порядке уменьшения степени протолиза при одинаковой конuентраuии , то получится шкала кислотности.

С помощью этой шкалы можно оuенивать и силу оснований. Вот пример , который подтверждает применимость этого вывода к любым основаниям.

Хорошо из вестно , что в водном растворе соды

-

щелочная среда. Кстати

говоря, именно на этом основано широкое применение данного вещест­ ва для умягчения воды , стирки и мытья.

Химики объясняют поведение соды

карбоната натрия

-

дролизом . Одна из стадий гидролиза

Na2 C0 3 -

ее ги­

протолиз карбонат-аниона, кото­

-

рый получается при диссоuиаuии карбоната натрия:

к

олбы и реторты. Пер­ выми

химическими

со­

судами были колбы (у алхи­ миков

они

носили

название

«алембик» ). Ими уже пользо­ вался арабский ученый Джа­

бир ибн Хайян (Гебер) в

IX

в.

Вслед за алембиком появи­ лась реторта,

которую до сих

пор считают символом хими­

ческих экспериментов (да и

вообще химии) . Это был пер­ вый перегонный а ппарат , хо­

со;- + нр -= нсо:;·

тя не слишком удобный для

+ он -

использования: ведь налить в

Это уравнение реакции позволяет сделать вывод о довольно заметных ще­

реторту

лочных свойствах соды в водном растворе.

пать

Степень протолиза карбонат-иона составит

(для конuентраuии

4,62 %

О, 1 моль/л). Следовательно , з начение водородного показателя (рН) в та­ ком растворе будет равно примерно

да натрия с конuентраuией

0,004

В протолизе главное

моль/л.

-

почти как в растворе гидрокси­

11 , 7 •

жидкость

порошок

или

засы­

стоило

нема­

лых трудов . Еще сложнее бы­ ло извлечь и з нее остаток хи­

мической всего

реакuии

реторту

-

чаще

приходилось

разбивать . Однако именно с

функция. Чем хороша протон­

помощью

этой

химической

посуды были впервые получе­

ная теория? Она рассматривает проявление веществами кислотных и

ны

основных свойств вне зависимости от их агрегатного состояния и при­

тон , серная и азотная кисло­

меняемого растворителя. Взаимодействие может происходить в газовой,

ты

жидкой и л и твердой фа з е и в растворе, а растворитель может быть лю­

ществ . •

и

и

очищены

спирт

множество

и

других

аuе­

ве­

бым . Например , в реакuии газообразных аммиака

NH 3

и хлороводорода

приводящей к образованию твердого хлорида аммония дород отдает протон молекуле аммиака. Значит , ляется кислотой , а

NH 3 -

HN0 3

в этой реакuии яв­

основанием:

NH 3 + Вещество состава

HCI

HCI , N H 4 CI , хлорово­

НС!=

NH 4 CI

в водном растворе

-

кислота, но не потому, что

оно относится к типу кислотных гидроксидов и называется азотной кис­ лотой , а потому , что при протолизе является донором протонов по отно­ шению к воде.

В друтом растворителе , например во фтороводороде Н

дет уже основанием: ведь здесь

HN0 3

F,

это вещество бу­

служит акuептором протонов , по­

ступающих от фтороводорода!

HN03 + HF <= H 2NO; + FПротонная теория значительно расширяет набор кислот и оснований в

Реторты .

любом растворителе , поскольку в качестве протолитов выступают не толь­

ко нейтральные частицы , но также катионы и анионы (например, катио­ ны и анионы солей). Свойства всех частиu-протолитов теперь можно оха­ рактери зовать количественно.

Кроме того , протонная теория подготовила химическую науку к практи­ ческому использованию разных растворителей наравне с водой и напра­

вила усилия ученых в сторону разработки технологии синтеза соедине­ ний с применением неводных растворителей. А в неводных средах оказа­ лось возможным получить те вещества , которые традиционными спосо­

бами получить не удается.•

РАСТВОРЫ И КРИСТNlЛЫ

43


ДВУЛИКИЕ ВЕЩЕСТВА. АмФОТЕРНОСТЬ В мире существуют вещи, абсолютно противоположные друг другу. «Волна и камень, стихи и проза, лед и пламень», северный и ю:жный полюса магнита, положительный и отрицательный

электрические заряды и, наконец, кислота и основание". Но по­ рой в одном и том же веществе, предмете или человеке можно обнаружить диковинное сочетание, казалось бы, несовмести­ мых свойств .

В ыстроив цепочку химических превращений элемен­ тов-металлов и элементов-неметаллов, можно наблюдать удивительную

картину. Типичные металлы, например натрий, магний , кальций , при окислении превращаются в оксиды ния

MgO,

-

оксид натрия

а 2 0 , оксид маг­

оксид кальция СаО. Они имеют основный характер. Отвечаю­

щие им гидроксиды

аОН ,

Mg(OH) 2,

Са(ОН) 2 совершенно явно делают

среду щелочной.

Неметаллы (такие как углерод , сера , фосфор) образуют кислотные оксиды , которые под действием воды превращаются в кислотные гидроксиды (кис­

лоты)

-

например угольную Н 2 С0 3 , серную

H2S04 ,

ортофосфорную Н 3 Р0 4 .

Однако существуют такие элементы , о которых сказать что-то определен­ ное вряд ли удастся , т.к. в одних условиях они ведут себя как металлы , в других

-

как неметаллы, а их гидроксиды проявляют себя то как кислоты,

то как основания".

Действительно, у элементов бериллия Ве, алюминия свинца РЬ (и многих других) амфотерные.

-

AJ, хрома Cr, олова Sn, -

словно два лица. Их оксиды и гидроксиды

Чтобы отделить осадок от

жидкости, химики при.меняют

Амфоры, аМфИ6ИИ И". амфотерНОСТЬ. Что означает ЭТО

фильтрование

слово? Оно происходит от греч . « амфо»

через бумажные фильтры

пример, амфорами называются древнегреческие сосуды с двумя ручками.

на стеклянной воронке.

1-

воронка с гладки.111 бу.маж-

11ы.111 фильтром;

2-

воронка со складчаты.м бу­

мажным фильтром;

З

-

разные способы закрепле­

-

«двоякий », «двойной » . На­

А земноводных животных (лягушек жаб , тритонов) зоологи зовут амфи­ биями

-

ведь они могут жить и на суше, и в воде.

Амфотерный гидроксид , например малорастворимый в воде гидроксид

бериллия Ве(ОН) 2 , встречаясь с хлороводородной кислотой щается в соль хлорид бериллия

HCI ,

превра­

BeCl 2:

ния воро11ок ;

4-

Ве(ОН) 2 +

стеклянные «Салазки» для

закрепления воронки в стакане.

2HCI = BeCl 2 +

2Нр

и , следовательно , ведет себя впол не « основательно », подражая химическим

свойствам типичных оснований. В ионном виде эта реакция выгл ядит как настоящая реакция нейтрализации:

Ве(ОН) 2

+

2Н + =Ве н + 2Нр

Когда же на гидроксид бериллия « нападает» типичное основание (щелочь)

NaOH, он ведет себя как кислота и образует соль - берил­ Na 2 Be0 2, которая получится , если раствор после реакции вы­

гидроксид натрия лат натрия

парить досуха:

44

химия


Если раствор не выпаривать, то уравнение реакции, протекающей между гидроксидом бериллия и раствором щелочи , придется записать по-друтому:

ф ильтрование. Для отде­ ления осадка от жидкос­

ти

чаще

всего

применяется

фильтрование с помощью бу­ мажных фильтров и гладких стеклянных воронок. Ворон­

а в ионном виде:

Ве(ОН) 2

+

2он-= [Ве(ОН)4]2-

ку с фильтром за крепляют в

Это тоже реакция нейтрализации. Только надо иметь в виду , что в первом

случае бериллий образует катион Вен , а в другом

- входит в состав тетра­

гидроксобериллат-аниона [Ве(ОН) 4 ]2- . Таким образом, гидроксид берил­

кольце штатива либо с помо­ щью

приспо­

ки, стекла или пластмассы .

Для

лия реагирует и с кислотой, и с основанием , превращаясь в соли .•

специального

собления и з толстой проволо­

изготовления

простого

фильтра берут квадратный ку­

Амфолиты. Кроме протолитов-кислот и протолитов-оснований , в мире химических веществ существуют амфолиты. Это такие протолиты , которые могут одновременно вести себя и как кислоты , и как основания. Ионы-амфолиты получаются при диссоциации многих солей

сок фильтровальной бумаги, соответствующий воронки,

размерам

складывают два

ра­

за, а затем обрезают ножница­

гидроор­

ми так, чтобы получился сек­

тофосфатов, гидрокарбонатов , гидросульфидов и других. Зададимся во­

тор круга. После это го разво­

просом, какая среда

соды

-

кислая или щелочная

-

-

-

будет в растворе питьевой

гидрокарбоната натрия?

При растворении в воде гидрокарбонат натрия ирует на катион натрия

Na+ (непротолит)

NaHC0 3 сначала диссоци­

и гидрокарбонат-анион НСО3 :

рачивают фильтр и складыва­ ют уже в виде конуса , одна по­ лови на

которого

из одного. должен

NaHC0 3 = Na+ +

НСО3

+ Н2О +:t со~- + нр + а= 2,2 · I0- 3% (О , 1 моль/л)

плотно

-

фильтр

прилегать

к

ее верхней части , иначе филь­ трование будет идти с трудом .

5-10 мм

ниже края воронки ,

а осадок не должен за полнять

фильтр больше чем на

и принимать (как это делают основания):

а

Гладк ий

Края фильтра должны быть на

НСО3

1/2

его

высоты , т.к . тончайший слой осадка может подниматься по

+ он 2 = 4,8 · 10- % (О, 1 моль/л) +

из

стенкам воронки, особенно в

У иона НСО3 есть возможность отдавать протон (как положено кислоте):

НСО3

состоит

трех слоев бумаги , а другая

Нр <=t Н 2 СО 3

стенкам фильтра и « перепол­ зать» в фильтрат (жидкость) .

Далее следует сравнить значения степеней протолиза между собой. По­

Перед фильтрованием осадку

скольку для второго процесса значение а больше, делаем вывод, что преоб­

дают

ладает протолиз гидрокарбонат-иона по основному типу. А на практике это означает , что в его растворе щелочная среда. •

отстояться,

после

чего

осторожно (порциями , чтобы не прорвать намокшую филь­

тровальную бумагу) сливают раствор по стеклянной палоч­

Протолиз с приставкой «авто». Итак, установлено, что «двули­ кими » могут быть , во-первых , амфотерные гидроксиды , а во-вторых, анионы кислых солей. Кроме того , роль амфолитов способны играть вещества-раство­ рители , например вода . Молекулы воды могут обмениваться протонами и пре­ вращаться при этом в катион оксония и гидроксид-анион:

нр

+

того

будет

от­

раствора , к оставшемуся осад­

ку доба вляют чистый раство­ размешивают

смесь, и

про­

пускают раствор через фильтр .

тому, что устанавливается равновесие автопротолиза, которое характери­

произведением равновесных кон­

В этой операции («промыв­ ке» ) и з осадка удаляется зна­ чительная

часть

с

Вода

растворителя

самый распространенный , уникальный , но далеко не единственный

растворитель-амфолит. Например , этиловый спирт С 2 НрН тоже подверга­

ется автопротолизу и сам по отношению к себе является амфолитом.

примесей.

Наконец взбалтывают осадок

центраций ионов нр+ и он - .

-

как

снова дают отстояться

Конкуренция между молекулами воды за владение протоном приводит к

-

После

фильтрована основная масса

ритель ,

нр <=t он - + нр +

зуется ионным произведением воды К8

ке на фильтр.

небольшим

суспензию

по

количеством и

полученную

палочке

пере­

носят на фильтр .

Когда осадка не жалко и не

Роль растворителей-амфолитов могут играть самые неожиданные химиче­

требуется, чтобы он был чис­

ские « индивидуумы » с разнообразными значениями ионных произведений.

тым, его переносят на фильтр ,

А это означает разный характер участия этих жидких растворителей в реак­

не дожидаясь отстаивания. •

циях , протекающих между растворенными в них веществами. •

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

45


А

ппарат Киппа. Универ­ сальным и очень удобным

в обращении получения кислот

на

прибором для

газов

действием

твердые

вещества

является аппарат Киппа . В 1853 г. голландский химик и аптекарь Петер-Якоб Кипп после

многих

ГИДРОЛИЗ

неудачных

по­

Некоторые соли так активны, что взаимодействуют и с водой. В этом случае их раствор приобретает кислую или щелочную реакцию, хотя изначально в нем не было ни кислот, ни щелочей . Как это происходит?

пыток сконструировал прибор для получения газов при дей­ ствии

кислот

на твердые

ве ­

щества. Он был назван « аппа­ рат Киппа » и не потерял свое­ го значения до наших дней, а ,

более того, стал непременной

В ЧИСТОЙ воде катионов оксония нр+ и гидроксид-анионов он­ L· 10-1 моль/л при комнатной температуре .

одинаковое количество:

Откуда берутся эти ионы? Ответ прост: вода сама по себе немножко дис­

социирует (распадается) на катионы и анионы:

при:надлежностью любой хи­

нр

мической лаборатории.

Устройство аппарата неслож­ ное, и обращаться с ним срав­ отдельных

н+

+ он ­

или, точнее, подвергается протолизу:

нительно легко . Он состоит из двух

.z

2нр

частей :

.z нр + + он -

колбы-реактора , которая явля­

Нейтральная среда потому и нейтральна, что катионов н + и анионов он ­

ется единым целым с нижним

(или, точнее , Н 3 0+ и он-) в ней поровну. •

резервуаром ,

и

воронки

ДЛИННОЙ трубкой ,

с

почти до­

ступают следующим образом .

Среда И гидролиз. Можно проверить с помощью индикатора NaCI, хло­ рида алюминия AICl 3 и карбоната натрия N~C0 3 • Результат окажется уди­

В колбу загружают кусочки мрамора (карбоната кальция

вительным: в растворе хлорида натрия среда нейтральная, как в чистой

воде. Зато раствор хлорида алюминия

СаС0 3 ). Они должны бытьдо­

щелочной .

стигающей дна резервуара.

Для получения газа , напри­ мер

диоксида

углерода ,

по­

статочно крупliыми, чтобы не проваливаться

в

нижний

кислотность чистой воды и водных растворов хлорида натрия

Что же это значит? В растворе

NaCI,

-

кислый , а карбоната натрия

-

как и в чистой воде, количество кати­

резервуар и з средней колбы­

онов н+ и анионов он- осталось равным. В растворе хлорида алюминия

реактора.

AIC\ 3

Затем,

наклонив

вставляют

аппарат ,

воронку ,

проверя­

ют герметичность всех соеди­

нений прибора и наливают в

катионов н+ стало больше, а в растворе карбоната натрия

Na2 C0 3

увеличилось содержание анионов он- . Все это произошло за счет гидро­ лиза

-

обменной реакции вещества с водой, в результате которой среда

раствора становится кислой или щелочной.

него такое количество разбав ­ ленной хлороводородной кис­

лоты HCI, чтобы колба-реак­ тор была наполнена на 2/3 своего объема. Начинается реакция:

+ 2HCI = =CaCl2 + нр + C02t СаС0 3

нить весь воздух, а потом за­

кран .

Кислота под давлением газа ВЫХОДИТ из колбы в нижний резервуар, а оттуда

-

Na+ и

анионы со~- :

N~C0 3 =

2Na+ +со;-

Катион натрия будет аквакатионом , т. к. в воде он гидратирован

ют из колбы-реактора в тече­ ние пяти минут, чтобы вытес­ выходной

этой соли на катионы

-

к нему

со всех сторон присоединяется множество молекул воды. Больше саква­

Образующийся газ выпуска­

крывают

Если соду бросить В воду. Когда в воде растворяют карбонат натрия N~C0 3 , сначала происходит электролитическая диссоциация

обратно

катионом натрия ничего не происходит, т. к. он непротолит (не подверга­ ется протолизу).

Но карбонат-ион является анионом слабой угольной кислоты Н 2 СО 3 , по­

этому в водной среде начинает извлекать из воды катионы водорода н + .

В результате от части молекул воды останутся гидроксидные ионы он-, а

вместо карбонат-ионов со;- в растворе появятся гидрокарбонат-ионы

в воронку. После прекраще­

НСО3. Среда в растворе, где наблюдается избыток гидроксид-ионов ,

ния

щелочная.

подъема

кислоты

в

во­

ронке закрывают кран . Аппа­

рат Киппа готов к работе.

Чтобы получить ток газа , до­ статочно

открыть

газоотвод ­

ный кран колбы-реактора . •

46

химия

-

Точно такими же свойствами , как у карбонат-иона , обладают все анионы слабых кислот. Чтобы сделать среду более или менее щелочной , им обыч­ но бывает вполне достаточно « разобрать на части » всего одну молекулу ВОДЫ.


Что такое степень гидролиза? Степень протекания любого процесса или выполнения любого действия

-

это отношение выполненного объема

« работы» к общему объему. Если в ходе гидролиза превращению подверг­ лось

30

ионов из каждых

ролиза составит

30%,

или

100, присутствующих 0,3 .

в растворе, то степень гид ­

Б

умажный гигрометр. Ги­ грометр

это прибор мя

-

определения

влажности

сказывать погоду : ность

воздуха

Химики определили , что степень гидролиза в растворе сульфида нат­

перед дождем.

рия

Такой

Na2S с концентрацией О, 1 моль/л составляет 90,2%, он сильнощелоч ­ ной - почти как раствор щелочи (гидроксида натрия NaOH) той же кон­ центрации. А в растворе карбоната натрия Na2 C0 3 с концентрацией О , 1 моль/л степень гидролиза 4,6%. На первый взгляд не так уж много, но

воз­

духа. Он тоже помогает пред­ ведь влаж ­

увеличивается

прибор

изготовить

очень просто. Широкую (диа­ метром

2-3

трубку

закрывают

см) стеклянную с

одной

стороны пробкой , к которой с

вполне достато чно , чтобы индикатор почувствовал щелочную среду рас­

внутренней стороны на про­

твора стиральной соды.•

волочке

в

прикрепляют

ку фильтровальной

Соли, которые «ПОДКИСЛЯЮТ» раствор. При растворении воде другой соли - хлорида алюминия AICl 3 - она тотчас подвергнется

электролитической диссоциации и нацело распадется на ионы:

полос­

бумаги ,

смоченной водным раствором

хлорида кобальта и высушен­ ной на воздухе . Трубку подве­ шивают

на

наружную

стену

дома пробкой кверху .

AICl 3 = Аl н + 3CI-

Чем выше влажность воздуха ,

Далее с хлорид-ионом происходить ничего не будет: ведь это анион силь­ ной хлороводородной кислоты НС!.

тем ярче розовая окраска бума­ ги ; в сухом воздухе бумага обес­ цвечивается и даже синеет .

Сильных кислот не очень много , и их нетрудно запомнить. Это хлоро­

Изменение

водородная,

кобальта связано с поте рей

бромовод ородная,

хлорная кислоты

-

НС! ,

иодоводородная ,

HBr, HI, HN0 3 , H 2S0 4

и

азотная,

HCI0 4 •

серная

и

Анионы этих

кислот называются хлорид-ион , бромид-ион, иодид-ион , нитрат-ион ,

сульфат-ион и перхлорат-ион и имеют состав: с1 - , вг- ,

1- , N03,

so~- ,

ею:;-.

Другое дело

-

аквакатиона

Al 3+,

кобальта

[Со(Н 2 0) 6 ] 2 + . При этом хло­ рид гексааквакобальта(ll) си­ при

поглощении

вла ­

ги, наоборот , розовеет.•

непротолиты и не подвергаются гидролизу.

катион алюминия

хлорида

части воды , входящей в со­ став

неет , а

Эти анионы

цвета

которому малорастворимый гидро­

ксид алюминия

дl н (точнее , от

Al(OH) 3 приходится «близким родственником». Так что от [Al(H 20) 6]3+- аквакатиона алюминия) можно ожидать вся­

ких интересных « поступков » . Например , он будет отрывать от одной из шести самых близко подошедших к нему молекул воды ее основную часть

-

гидроксид-ион он - и присоединять к себе , превращаясь при этом

в катион гидроксоалюминия АIОН н:

AI J+ .

нр

+

нр +:t

AIOH2+ +

нр +

От молекулы воды останется только катион водорода Н +, который будет участником протолиза в водном растворе. В целом процесс выглядит так :

аквакатион алюминия [Аl(Нр) 6 ] н (или, в сокращенной записи,

Al 3+ •

Нр)

выполняет функцию кислоты , он отдает растворителю (воде) один проВл ияние температуры на гид­ ролиз.

1

2

1-

нагревание ампул ы с аце­

татом натрия сдвигает рав­

новесие гидролиза в сторону продуктов, и среда становит­ ся сильнощелочной . Индикатор

фенол фталеин

приобретает

малиновый цвет ;

2-

охлаждение ампул ы в ста­

кане со льдом сдвигает равно ­ весие в сторону реагентов. Ок­ раска исчезает .

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

47


с

осуды для хранения га­ зов. Для хранения газов

можно использовать простую

круглодонную колбу вмести­

мостью

2-3

л. Ее наполняют

водой так , чтобы уровень жид­

кости

совпадал

кромкой

колбы ,

с

верхней

осторожно

закрывают пробкой , вытесняя часть вод ы из горловины кол­

тон и превращает ее в катион оксония. Отсюда и кислая среда в растворе соли алюминия .

Точно такие же манеры поведения присущи всем аквакатионам, кроме ионов щелочных и щелочноземельных элементов (лития

калия К, рубидия рия Ва и радия

Rb, Ra).

uезия

Cs,

франция

Fr,

Li,

натрия

кальuия Са , стронция

Na, Sr, ба­

Химики определили , что степень гидролиза в растворе хлорида алюми­

ния с концентрацией О, 1 моль/л равна

0,98 %.

Если сравнить

AIC\ 3 с

ка­

бы и стараясь не оставить под

кими-нибудь более привычными по названию кислотами , окажется , что

пробкой ни единого пуз ырька

эта соль (точнее , ее катион)

воздуха . Затем перевор а чива­

СН 3 СООН , но сильнее, чем , скажем , угольная Н 2 СО 3 . В растворе сул ь­

ют колбу вверх дном , погру­ жают в чашу с водой и закреп­

ляют в штативе . После этого открывают пробку,

вводят в

фата цинка

0,045 %.

ZnS0 4

« кислота », которая слабее , чем уксусная

-

с той же концентрацией степень гидроли з а меньше

Но тем не менее с помощью кислотно-основных инд икаторов

можно обнаружить, что и здесь среда кислая. •

горловину стеклянную трубку и

начинают впускать газ ,

воду. Наполнив колбу газом , извлекают трубку , часть

вод ы

в

оставляя

горловине ,

и

вставляют пробку. Небольшое количество воды над пробкой

будет дополнительно гермети­ зировать собранный газ.

Для хранения и использова­ ния

-

катионов щелочных и щелочноземельных металлов и ани­

Ca(N0 3) 2 ,

сульфат калия

K2S04) .

нитрат кальuия

NaCI ,

Катионы и а нионы этих солей с водой не

взаимодействуют , поэтому в их растворах среда такая же , как в чистой во­

де ,

-

нейтральная . •

Гидролиз и температура. Равновесие гидролиза , как и любое

Их

другое истинное химическое равновесие, подчиняется принципу Ле Ша­

проградуировать,

на­

ти полоску бумаги с деления­

ми , у казывающими объем. Он при

протолитов

онов сильных кислот (например , хлорид натрия

газа

объемов

клеив н а боковой поверхнос­

будет

чувствительные к гидролизу. Это те соли , которые состоят и з ионов-не­

газометры.

больших

применяют можно

«Дети» ионов- непротолитов. Среди солей есть совсем не­

ко­

торый постепенно вытесняет

приближенным ,

гр адуировке и

т. к.

использо­

вании га з а не учитываются ат­

мосферное давление пература

воздуха ,

а

и тем­

след ова ­

тельно , и газа.

телье. Меняя условия реакции

-

температуру, концентрацию растворен­

ного вещества , вводя одноименные катионы или анионы продукта гидро­

лиза,

-

можно добиться сдвига равновесия.

Хороший пример

CH 3 COONa .

-

равновесие гидроли з а в растворе ацетата натрия

Эта соль сначала целиком диссоциирует в растворе; в

рез ультате получаются катион

натрия

Na+

(непротолит) и ацетат­

анион СН 3 СОО- , который затем в воде будет вести себя как слабое основание:

И зобрел газометр шведский хи­

мик Йене Берцелиус в 1839 г. •

В результате гидролиза среда становится щелочной (рН

> 7),

степени протолиза при концентрации О,

характеризует равновесие , будет равно

1 моль/л , которая 7,6 · ~о-з %.

а значение

количественно

Если раствор ацетата натрия нагреть , то среда станет еше более щелочной

(значение рН увеличится). Почему? Ответ ясен: гидролиз

-

процесс эн­

дотермический , т.е. протекает с поглощением теплоты .

Поэтому при повышении температуры равновесная система постарается скомпенсировать изменившиеся условия , поглотит теплоту , и равновесие

сместится в сторону продуктов гидролиза . В растворе окажется больше гид роксид-ионов , чем до нагревания ,

-

вот почему среда становится бо ­

лее щелочной.

Если к раствору ацетата натрия заранее добавить индикатор фенолфтале­ ин , то при нагревании его розовая окраска сменится ярко-малиновой . Но после охлаждения раствора до комнатной температуры окраска индика­ Газометр Берцелиуса.

48

химия

тора станет прежней. •


Эффект добавки. Можно попробовать добавить к раствору аце­ тата натрия щелочь

-

гидроксид натрия

NaOH.

Это сильное основание и ,

кроме того, хорошо растворимое в воде и нацело диссоциирующее.

Такая добавка, разумеется , вызовет сдвиг равновесия протолиза ацетат­ ионов в сторону исходных веществ.

А если в результате гидролиза раствор становится кислым? Скажем, в вод­ ном растворе сульфата меди

меди Сuн

CuS0 4

после диссоциации соли аквакатион

Н 2 О ведет себя точно так же, как другие катионы-протолиты:

·

отдает растворителю протон одной из молекул воды своего ближайшего окружения .

3

еркала Архимеда. В 2vl 2 г. до

н .э.

осадили

римские

воиска

город Сиракузы

на

восточном побережье Сици­ лии. В этом городе родился в

287

г. до н.э. и жил з намени­

тый математик и физик древ­ ности Архимед , сын астроно­

ма Фидия . Когда римские ко­ ра бли атаковали город с моря , з начительная

их

часть ,

как

гласит легенда, была сожжена

В результате среда становится кислой. Чтобы сдвинуть равновесие реак­

зеркалами Архимеда , которые

ции протолиза влево , надо добавить в раствор немного сильной кисло­

представлял и собой тщатель­

ты

-

например серной , азотной или хлороводородной . Какая именно

кислота будет добавлена, не имеет значения, поскольку все они в рас­

но

отполированные

меди

творе нацело подвергаются протолизу.

Такая добав ка катионов оксония резко увеличивает их концентрацию в

и

олова)

плоские

-

бронзовые (бронза

сплав

пластинки .

Стеклянные зе ркала в то вре­ мя не были и звест ны , они по­

растворе и сдвигает равновесие протолиза аквакатиона меди влево.

явились только

Как степень гидролиза зависит от концентрации вещества в растворе?

Бронзовые пласт инки- зе рка­

Чем более концентрированный (т.е. «крепкий ») раствор готовится , тем

ла Архимед собрал в одной ра ­

менее приходится опасаться последствий гидролиза. И наоборот , чем

ме ,

больше вливают в раствор воды, тем он становится «сла бее » и тем боль­ шую власть приобретают процессы гидролиза.

тетрахлорид кремния тимым

-

такие как пентахлорид фосфора

SiCl 4 , трихлорид бора

каждая

PCl 5,

ВС1 3 , то процесс будет необра­

...

И несмотря на все усилия повернуть реакции гидролиза вспять , это ока­

имел а

нуть пластины так, чтобы от­

ной точке. Свет от

40

и более

пластинок легко воспламенял просмоленное де рево

стоянии ,

на рас­

как тогда говорили,

полета стрелы

-

около

100 м.

Вот как римский историк Дио­

жется невозможным.

дор Сицилийский (около

21

-

галогеноводородной и кисло­

от

ни х сконцентрировалось в од­

Данные вещества действительно необратимо разлагаются под действием воды , превращаясь в смесь двух кислот

в.

шарнир , позволявший повер­

ражение солнечного света

Вещества, страдающие «Водобоязнью». Если гидролизу подвергаются галогениды неметаллов

причем

XVI 11

в

90-

до н. э.) описывает дейст­

вие зеркал: « Когда римские

родной кислоты неметалла .

корабли

Так , взаимодействие пентахлорида фосфора

стоянии полета стрелы , Архи­

PCl 5 с

водой можно предста­

вить следующим образом :

находились на

рас­

мед стал действовать шести­ угольным

зе рк алом ,

состав­

ленным и з небольших четы­ рехугольных

зе ркал ,

которые

можно было дв игать при по­

нс1 Н 1 РО 4

+

+

нр

= с1 - + нр +

Нр <==t Н 2 РО;

+

мощи шарниров и металличе­

ских планок : ·· Солнечные лу­ чи, отражаясь , создавали жар,

нр +

В ре зультате реакций гидролиза получаются сильная хлороводородная кислота

HCI

(которая нацело подвергается протолизу) и слабая ортофос­

форная Н 3 Р0 4 , которая протоли зуетс я обратимо. некоторые

соединения

металлов

с неметаллами

-

нитриды ,

Вот как подвергается необратимому гидроли зу нитрид лития

LiOH NH 1 ·

ЗLiOH

+ NH 3 ·

рим­

Сиракузы пали в

212

г. до н.э .

в

ре зул ьтате

а

э пидемия

предательств а ,

чумы

погубила

пришедшее на помощь горо­

карбиды, фосфиды , силициды, даже некоторые сульфиды.

Li 1N + 4Нр =

обращал суда

после многомесячной осады

К числу соединений, подверженных необратимому гидролизу , принадле­ жат также

который

лян в пепел ».

ду карфагенское войско.

Li 3N:

Во

время разгра бления Сиракуз 75-летний Архимед был убит . •

нр

= Li+ +он -

Нр <==t

NH;

+ он -

Каков результат? В полученном растворе среда будет сильнощелочной.

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

49


УГОЛЬНАЯ КИСЛОТА в

небольшой концентрации (менее О , 1%) СО 2 стиму­

лирует

сердечную

деятель­

ность , возбуждает дыхатель­ ные центры мозга.

Большее

количество диоксида углеро­

да

угнетает

организм,

вызы­

вая головную боль , повыше­ ние кровяного давления, уча­

щение сердцебиения. А при вдыхании

воздуха ,

содержа­

щего более

5% С0 2 ,

наступает

смерть

... 1986

от

остановки

дыха­

ния

В

Угольная КИСЛОТа Н 2 СО 3 участвует в обратимой реакции протоли­ за - взаимодействия с водой, в результате чего образуется незначительное количество катионов оксония Н 3 0+ и гидрокарбонат-анионов НСО3 . Как ни странно , эти два иона оказываются мощной «силой », способной пе­

ция СаС0 3 •

сидом углерода СО 2 .

В лаборатории небольшое количество диоксида углерода получают дейст­

вием хлороводородной кислоты

это

случилось.

Вот

Стояла

СаС0 3

озера

произошел

ва С0 2 • Этот газ скопился у

озера

слоем

высотой

более

=

CaCl 2 + Нр + C02t NaHC0 3

(питьевой соды) при

2NaHCO) = Na2CO) + нр + co2t В промышленности СО 2 получают прокаливанием в печах известняка или мела:

двух метров и накрыл « С голо­

СаС0 3

вой » все прибрежные дерев ­

ни ". •

карбоната

-

нагревании:

вы­

брос колоссального количест­

+ 2HCI

или разложением гидрокарбоната натрия

безветренная погода , и вд руг со дна

на кусочки мрамора

HCI

кальция СаС0 3 :

г. в Камеруне на бере ­

сельских жителей.

1700

карбоната каль­

Угольная кислота появляется в подземных водах при их контакте с диок­

гах озера Ниос погибло более как

-

ремещать в земной коре громадные толщи известняка

= СаО + C0 2t

Судьба угольной КИСЛОТЫ. По своим химическим свойствам С0 2 - типичный кислотный оксид. Он хорошо растворяется в воде , обра­ зуя при этом слабую угольную кислоту Н 2 СО 3 , поэтому в водном растворе

диоксида углерода слабокислая среда . Раствор угольной кислоты всем хо­

рошо знаком: это газированная вода. Угольная кислота также служит кон­ сервантом: кислая среда подавляет жизнедеятельность микроорганизмов.

« Содовая вода»

под таким наз ванием и з вестен насыщенный водный

-

раствор диоксида углерода. В начале

XIX

в . в Англии был выдан первый

патент на его получение. Автором изобретения был химик и философ

Джозеф Пристли .. . Как и полагается любой двухосновной кислоте, Н 2 СО 3 взаимодействует со

щелочами , образуя соли двух типов

-

средние (карбонаты) и кислые (ги­

дрокарбонаты). Например, в реакциях с гидроксидом натрия получаются

гидрокарбонат натрия

NaHC0 3 и

Н 2 СО 3

Н 2 СО 3 Если на

l

-

2

Na2C0 3:

+ NaOH = NaHC0 3 + Нр + 2NaOH = Na1C0 3 + 2Нр

моль угольной кислоты в растворе приходится

роксида натрия, получается лоты

карбонат натрия

NaHC0 3 ,

а если на

моля гидроксида натрия , то

Na 2C0 3•

1 моль

1

моль гид­

угольной кис­

Что получится , если

пропускать углекислый газ в раствор щелочи? Сначала, пока в стака­ не будет избыток щелочи , образуется карбонат натрия том ,

при

натрия

пропускании

избытка углекислого газа,

NaHC0 3:

+ 2NaOH = Na2CO) + нр + Na 2C0 3 + нр = 2NaHC0 3

со2 СО 2

Кальцит .

Гидроксид бария

50

химия

-

индикатор на СО 2 .

-

Na 2C0 3,

а по­

гидрокарбонат


Пытаясь обнаружить диоксид углерода в воздухе , азоте, кислороде , арго­ не и других газах, химики не обходятся без водного раствора гидроксида

бария . Раствор В а(ОН) 2

-

бесuветная прозрачная жидкость, которую хра­

нят в плотно за крытой склянке , чтобы избежать ее контакта с воздухом.

V

ислород из углекислого

1'...газа. В современных си­ стемах поглощения С0 2 , вы­ дел яемого людьми при дыха­

нии

в «замкнутых объемах»

Вед ь он содержит диоксид углерода, на который Ва(ОН) 2 очень чутко ре­

(в ПОДВОДНЫХ лодках и косми­

агирует.

ческих аппаратах), применя­

Если пропускать газ, содержащий СО 2 , через водный раствор Ва(ОН) 2 , то

ются

он помутнеет: образуется малорастворимый в воде карбонат бария ВаС0 3 :

Ва(ОН) 2

+ СО 2 = ВаСО 3 ..1. +

ния

кислородные щелочных

пероксиды сиды

Нр

М0 3

соедине­

элементов

-

М 2 0 2 , надперок­

М0 2 и даже оз ониды

-

щелочной

эле­

Когда в газе содержится много СО 2 , то и количество В аС 0 3 будет значи­

мент) . Поглощая диоксид уг­

тельным. Если выпавший осадок исчезает и раствор снова становится

лерода, данные реагенты пре­

проз рачным , это оз начает, что содержание СО 2 в газе велико и карбонат

бария ВаС0 3 превращается в хорошо растворимый гидрокарбонат бария Ва(НС0 3 ) 2 :

вращаются в карбонаты , вы­ деляя

кислород , столь необ­

ходимый для дыхания.

Эти

реакции протекают без погло­

ВаСО 3 + СО 2

+

Нр

=

щ е ния тепла.

Ва(НС0 3 ) 2

Чем больше атом ов кислорода

При кипячении в пробирке этого раствора снова выпадет осадок карбона­

приход ится н а щелочной ме­

та бария:

талл в таком « поглотит ел ьном

патроне » ,

тем

извлекается

э ффективнее

вредная

примесь

из воздуха .

Миграция известняка. В зем ной коре , в разных частях мате­ риков , есть бездонные пещеры

-

своеобразные « черные д ыры », проис­

хождение которых овеяно легендами. Тысячу лет н азад считалось, что пе­ щеры

-

это ворота в обиталище дьявола, в преисподнюю , в ад, к которо­

му опасно даже приближаться .

Одно из таких таинственных творений природы в Грузии , в

24 км

Теперь ясно , тельный

Ново-Афонская пещера

от Сухуми. В ней есть сложные запутанные переходы с ту­

пиками и несколько подземных «зал ов» высотой

30-50

м (там можно раз­

местить даже десятиэтажный дом) ... Как же образовались эти странные пу­ стоты , украшенные белыми сосульками свисающих с потолка сталактитов и

до пусти л

Жюль Верн в своем романе « С Земли на Луну », описанные

им

ДЛЯ

патроны

-

вед ь

космически е

путешественники

вали

-

какой з начи­

промах

исполь зо ­

ПОГЛОЩеНИЯ с

С0 2

гидрокси д ом

на­

трия , который превр а щался

в карбонат натрия , а кисло­ род д обывали прок ал ивани­ ем

бертолетовой

хлората калия

соли

-

KCI0 3.

колоннами сталагмитов?

Вот они , э нергетические за­

Еще более удивительными выглядят сверкающие в лучах солнuа камен­

траты ,

ные « кружева», взд ымающиеся могучими ярусами высотой до

мическом полете!•

200

м , по

нежелательные

в

кос­

которым медленно стекают выходящие из-под земли горячие ручьи. Та ­ кое чудо , например, есть вблиз и вулкана Хоназ-Даг на территории Тур­ ции . Вулкан давно бездейст вует , а горячие воды тысячелетиями текут по склонам многоэтажных террас, выделяя диоксид углерода и оставляя бе­ лые отложения известняка

-

карбоната кальция . Может быть, этот мине­

рал « выносят» из-под земл и воды , образующие пещеры? Однако у подземных рек не хватило бы сил на такую гигантскую работу , если бы не углекислый газ

-

диоксид углерода, который в воде постепен­

но образует очень слабую угольную кислоту .. . Впрочем , интересно про­ следить весь процесс.

У карбоната кальция существуют две кристаллические модификации

кальцит и араго нит . В природе наиболее распространен кальцит

-

-

это из­

вестняк, мел, мрамор , яичная скорлупа, раковины большинства моллюс ­

ков. Арагонит встречается реже , т.к. в обычных условиях он малоустойчив. Арагонит входит в состав жемчуга, кораллов , перламутра. Мельчайшие

кристаллики арагонита в этих образованиях склеены белково-полисаха­ ридным веществом. Смесь кальцита и арагонита образуется в виде накипи в чайнике и любой другой посуде, где кипятят природ ную воду .

Кальцит .

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

51


ЭЛЕКТРОНЫ МЕНЯЮТ ХОЗЯИНА V

оварная «Гла вная кис-

1'uiота>), Серную кислоту H 2S0 4 часто называют глав­

ной кислотой промышленной

химии .

Действительно ,

незаменима и при

минеральных для

удобрений,

производства

сульфатов

она

получении

солей

и

-

(«купоросов»

от

2Mg + 0 2 = 2Mg0 - отд а чи электронов

сильная

Mg -

кислота.

Особенно

2е- = Мgн

0 2 + 4е- = 2 0 2-

вещество ,

большой осторожности тре­

Такого рода реакции , связанные с передачей электронов от одних атомов к

бует обращение с концентри­

друтим,

рованной

тельно-восстановительными реакциями .

Она

серной

настолько

кислотой.

агрессивна,

что реагирует с люб ыми вос­ становителями.

Органические вещества сер­ ная

кислота обугливает, а с

магнием и при­

ема электронов кислородом:

Но серная кислота сильный едкое

вещество ионного типа. Его кристалли­

можно разбить на две полуреакции

строительства до медицины.

окислитель,

-

реакцию:

ном количестве используются

-

Этот продукт реакции

ческая решетка состоит из катионов магния и анионов кислорода, поэтому

и

« Квасцов »), которые в огром­ в самых раз ных областях

Если металлический магний поджигают на воздухе, то металл окисляется - он соединяется с кислородом, образуя оксид маг­ ния MgO.

называют реакциями окисления

-

восстановления

или окисли­

Окислением называется потеря (отдача) электрона , восстановлением на­ зывают приобретение (прием) электрона . К числу окислительно-восстановительных реакций относятся реакции го­ рения , дыхания, гниения , получения металлов из руд и т.д.

неорганическими взаимодей­ ствует, нения ,

п е реводя где

их

в

степени

соеди­

окисле ­

ния атомов будут максималь­ ными.

Изменяется степень окисления ! Взаимодействие водоро­ да с кислородом, как это установил еще английский химик и физик Ген­

ри Кавендиш, приводит к образованию воды :

Сама же концентрированная

2Н 2

серная кислота при этом вос­

станавливается

серы рода

до

диоксида

S0 2 и даже до сероводо­ H 2S (если ей « На закуску»

поп адетс я очень сильный вос­

становитель).

+ 02 ~

2Нр

Это урав н ение реакции очень похоже на реакцию горения магния , но по­ лученное соединение

-

вода

-

не является ионным.

Следовательно , говорить о полном переходе здесь электронов от одних атомов к другим уже нельзя. И тем не менее реакции подобного рода

то­

-

же окислительно-восстановительные: в них меняются степени окисления

атомов веществ

-

участников взаимодействия.

Когда из водорода и кислорода образуется вода, это означает, что водород поменял свою степень окисления от О до этом химики считают,

+1,

а кислород

-

что от атомов водорода к атомам

от О до

- 11 .

При

кислорода пере­

шло несколько элект ронов.

Как же выглядят процессы отда чи и прием а эле ктронов по отдельности? Молекула водорода, встретившись с кисло родом , теряет оба эле ктрона ; степень окисления атомов водорода становится равной

+ 1, а

кислород

отняв эле ктроны у водорода, приобретает новую степень окисления н2

-

2е- = 2н + 1

0 2+ 4е-

=

2 0 - 11

Остается добавить, что и «охотник за эле ктронами » «Же ртва »

-

-

простых веществ

химия

кислород , и его

водород потеряли свою химическую индивидуальность . И з

-

газов с двухатомными молекулами Н 2 и

вратились в составные части нового химического вещества

52

0 2,

- 11 :

-

02-

они пре­

воды Н 2 О.


Кто есть кто в окислительно- восстановительных реакциях? В реакции горения Н 2 в 0 2 водород, отдающий электроны , сл ужит восстановителем , а кислород , принимающий их , является окис­

Химия от А до Я Вака11сия

-

дефект кр и сталл ич еской

ре ш етк и .

л ителем .

Ван дер

Водород окисл я ется не только при встрече с кислородом. Примерно так

( 1837- 1923) -

же на него действуют и хлор

Cl 2,

и з вестный окислитель из семейства гало­

генов , и даже , к азалось бы , совсем безобид ный азот

N2 и

Например , в результате реакции:

1 1 р и в.лек

Ваальс,

Иоха11нес-Дидерик

н идерла ндский ф и з и к,

по н ят и е о межмолекуля рны х

взаимодейств и ях

для

объясне н ия

свойств реаль ны х газо в и ж идкостей.

бром Вг2 •

Вёлер, Фридр11 х

( 1800- 1882) - н емец­

к и й х ими к, п е р в ым п олучил ор га ни че­

Н2

ское вещество (моче вин у) и з н ео р га­

+ Cl 2 = 2HCI

н и ческих реаге н тов , установ ил (вместе

степень окисл ения водорода становится ра вной

+ r,

потому что партнер

по молекуле ему достался «жадный » до чужих электронов , с высокой элек­

троотрицательностью.

Од нако водород может и

восстанавл иваться

-

с

Ю. Либ и хом) фо р мулу бензойной

к и слоты, м н огих

раз работал

м етоды

н еор га ни чески х

и

си н теза

органичес­

к и х ве щ еств .

принимать электроны . Это происходит , если в реакции с водородом уча­

Вер11ер, Альфред

ствуют щелочные металлы или кальций .

ца рск и й х имик - н еор га ник , создатель

При встрече молекул водорода с такими металл а ми он сам становится « охотником » и отнимает у металлов их электроны , причем получаются ги­

д ри д ы металлов

-

н а пример , гидрид натрия

NaH

СаН 2 , в которых водород имеет степень окисления

или гидрид кальция

(1866- 1919) -

коо рд ин а ционной

тео р ии

ш вей­

строе ни я

ком плекс ны х с оедин е ни й.

Водородная связь

оди н

-

меж м олекуля рн ого

из пt пов

взаимодейст в ия,

объеди н яю шего молекулы.

-l.

Таким образом , выясняется , что водород в окислительно-восстановитель­

Водородный

ных реакциях может быть и « охотником » за электронами, и « Жертвой » . •

ри фмич ес к ая ед иница юмерен ия кис­

показатель рН

лот н ост и с реды; рН

=

-

лога ­

- lg IH + i,

ил и

точн ее рН = - l g iНЗO + i .

Драмы на охоте. П еречисляя вещества - типичные окисл ители , кроме кислорода и галогенов ( фтора , хлора , брома и иода) , не надо забы­ вать о концентрированных кислотах-окислителях

(H 2S04 и HN0 3) ,

-

серной и азотной

а также о други х веществах , которые содержат в своем со­

ставе атомы в высших (неустойчивых) степенях окисления.

KMn04 , где марганец имеет степень окисления +VII , K2Cr20 1 , в котором содержится хром в степени окисле­ ния +Vf, висм утат н атрия NaBi0 3 с висмутом в степени окисле ния +V,

Это перманганат калия дихромат калия

диоксид свин ца РЬ0 2 ( свинец в сте ­ пени окисл ения

+ IV)

и др .

Типичные окисл ители охотники з а

счету

-

отличные

электронами,

немало трофеев .

« охота »

у ни х

Но

была успешной ,

на

чтобы

н ужна

и

« ДИЧЬ» ...

К числу типичных восст а новителе й (веществ , всегда готовых подел иться своими пр е жде

эле ктрон а ми) вс е го

щелочны е

и

а ктивные

относятся м еталл ы

щ елочноз емельные ,

а

также ма гний и цинк. Охотно уч аст ­ вуют

в

тельном

окисл ительно-восст а нови­ процессе

в

роли

восста но­

вителя и такие вещества , как серово­

д ород

H2S,

с ул ьфид ы ,

гал огенид ы

(особенно иод ид ы) . Когда встречаются т ипичный окис­ литель и типи 1 1ный восстановитель , исход

охоты

за

электронами

сказать нетрудно.

Вот ,

пред­

н а пример ,

Красно - бурая л егкол етучая жид­

Жел ти- зел еный газ хл ор

кость бром относится к

один из самых сильных окис ­

сил ьных окисл ит елей .

чи слу

-

л ит елей .

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

53


реакция перманганата калия

KMn0 4 с

сероводородом

H 2S

в кислой сре­

де, которую создает добавление разбавленной серной кислоты

H2S04 :

Однако есть множество веществ , которые могут быть и окислителями , и восстановителями

-

все зависит от условий и обстоятельств , в которых они

очутились. Это , например , пероксид водорода Н 2 0 2 , нитрит калия

диоксид серы

S0 2,

сульфит натрия

Na2S0 3

KN0 2,

химические соединения , в

-

которых имеются атомы элементов в неустойчивой промежуточной (не самой высокой , не самой ни з кой) степени окисления. При взаимодействии с перманганатом калия (типичным окислителем) пе­ роксиду водорода ничего другого не остается , как отдать свои эле ктроны и

превратиться в газообразный кислород :

Зато при встрече с типичным восстановителем

-

иодидом калия

KI -

пе­

роксид водорода не упустит своего и заберет все , какие можно , эле ктроны . Взаимодей ствие меди с концен­ трированной

аз отной

кисл о­

той. Выделя ет ся бурый газ

Сам он превращается в воду , а иодид -ионы выделяются в осадок в виде кристаллического иода:

-

диоксид азота.

Таким образом, поведение пероксида водорода определяется тем , с каким химическим партнером он встретился,

лодец против овец ; а против молод ца

-

в точности по пословице: « Мо­

и сам овца! ». •

-

Химический хамелеон. Всем известная «марганцовка» - пер­ KMn0 4 - один и з самых распространенных сильных

манганат калия

окислителей . Это вещество широко применяется в аналитической химии (есть даже специальный метод анализа

-

« перманганатометрия » ). И поч­

ти в каждой домашней аптечке хранится это простое и эффективное сред­ ство помощи , которое подсушивает , прижигает и дезинфицирует.

Перманганат калия

KMn0 4

в твердом виде

-

хорошо растворимые в воде

черно-фиолетовые кристаллы . Разбавленные водные растворы этого ве­ щества

-

розового цвета ; они неустойчивы и под дей ствием солнечных

лучей легко разлагаются, образуя бурый осадок диоксида марганца и выделяя кислород

При реакции .меди с разбавлен­

ной азотной кислотой выделя­ ется бесцветный газ

-

моноок­

Mn0 2

0 2:

Особенно быстро раствор перманганата калия портится в присутствии восстановителей , которые всегда есть в воздухе,

-

например органиче­

ских веществ вроде этилового спирта С 2 Н 5 0Н :

сид азота.

В подкисленном растворе вместо

Mn0 2 обра зу ются

бесцветные катионы

Мnн . Так , в присутствии серной кисл оты вза имодей ствие перманганата калия с таким общепризнанным восстановителем , как сульфит натрия

Na 2S0 3 ,

дает сульфат марганца

сульфат калия

54

химия

K2S04 и

воду) :

MnS0 4

и сульфат натрия

Na 2S04

(а также


Точно такая же реакция , но проведенная в сильнощелочной среде , дает манганатные анионы MnO~- зеленого цвета:

vро мат ы

и

дих ро мат ы .

Ахроматы - соли не суще­ ствующей в свободном состо­ янии

хромовой

кислоты

получаемой лишь в

H 2Cr0 4,

виде водных растворов с кон­

Химики

XIX в.

прозвали перманганат калия «ха мелеоном » . А первоот­

крывателем этого удивительного представителя «х имического живот­

ного мира » был Карл Ш ееле . Он сплавлял « черную магнезию »

-

ми­

Mn0 2, с поташом - карбонатом - нитратом калия KN0 3• При этом получа­ KMn0 4 , нитрит калия KN0 2 и диоксид угле­

нерал пиролюзит , диоксид марганца калия К 2 СО 3 и селитрой

лись перманганат калия

центрацией не выше Растворы

75 %.

хроматов

в

воде

имеют желтый цвет. При их подкислении ,

например

д о­

бавлением небольшого коли­

чества разбавленной серной

кислоты H 2S0 4 , анионы Сго~­ превращаются

в

оранжевые

дихроматные анионы Сг2 0;-,

рода СО 2 :

отщепляя воду :

2сго~- + 2нр+ += += сгр;- + знр Перманганат калия

Почти

очень сильный окислитель.

KMn0 4 -

Окислительные свойства перманганата калия связаны с высокой степе­ нью окисления марганца в этом соединении, равной

+Vll. •

все

хорошо

соли-дихроматы

растворимы

в

воде,

х роматы же , как правило , ма­

лорастворимы

(за

исключе­

нием солей щело чных метал­

Что такое «дисмутация»? В латинском и греческом языках , которые подарили миру множество современных научных терминов, при­

ставка «д ис » означает разделение или отрицание. Например, «д исгармо­ ния »

-

отсутствие гармонии , «дис пропорция »

-

отсутствие пропорций.

Химикам, конечно , ближе термин «дис социация »

-

распад молекул на

лов и аммония) . Дихроматы

имодействии с восстановите­ лями в кислой среде они пре­

вращаются в катионы Сгн . При этом раствор становится зеле ным .

составные части.

Дисмутация (или диспропорционирование)

-

это окислительно-восста­

новительная реакция, в ходе которой атомы одного и того же элемента и

При слабом

сыванием

ны х

ления атомов одного и того же « сорта» становятся одинаковыми , ее назы­

ма(! 11)

Реакции дисмута ции

-

азота

частые гостьи в лаборатории, если химики изуча­

ют взаимодействие неметаллов со щелочами. Например , при кипячении желтого порошка серы в растворе щелочи

трия

a2S и

NaOH -

сульфит натрия

-

получается раствор , содержащий сульфид на­

(N H 4) 2Crz0 7

самовос п ламе ня ется с выбра­

Если же в ходе окислительно-восстановительной реакции степени окис­ вают реакцией конмутации.

нагревании д и­

хромат аммония

повышают , и понижают свою степень окисления.

гидроксида натрия

-

сильные окислители. При вза­

искр

частичек

Crz0 3,

N2 и

-

р аскален­

оксида

х ро­

газообразного

паров воды.

Хромат калия

K 2Cr0 4

плавит­

ся без разложе ния при 968 °С, а дих ромат калия К 2 Сг 2 О 1 раз­ лагается

в

соответствии

с

уравнением реакции :

Na 2S0 3: =

4K 2Crz0 7 = 4K 2Cr0 4 + 2Crz0 3 + 3 0 2t

Атомы серы с исходной нулевой степенью окисления превращаются в се­

ру со степенью окисления

-11

и

+ IV.

Подобным образом в щелочной среде ведут себя селен, фосфор , иод ,

бром". Например , бром в щелочной среде превращается в бромид- ион вг- , где степень окисления брома равна бром в степени окисления

6NaOH +

-1,

и бромат-ион

Br03,

содержащий

+V: ЗВr 2 =

SNaBr + NaBr0 3 +

ЗН 2 О

Азотная кислота реагирует с

порошкообразным металлом ре­

Br2 - 10 е- = 2Br+v Br2 + 2е- =

2вг- 1

ни ем, превращая его в рениевую

кислоту

HReO,.

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

55


1

Стоит слегка подкислить раствор , где имеются и бромид- , и бромат-ионы ,

Хи.мический хамелеон . исходный раствор перман­

1-

2

ганата кал ия фиолетового цве­

как начинается реакция конмутации. Выделяется бром , который окраши­ вает реакционную смесь в бурый цвет :

та ;

2-

5NaBr+ NaBr0 3 +

продукты реакции перман­

ЗН 2 SО 4 = ЗВr 2

+

ЗNa 2 S0 4

+

ЗНр

ганата калия с сул ьфитом на­

2Br+v + 10 е- = Br2

трия в ки сл ой, щелочной

и нейтральной среде.

2вг- 1

-

2е-

=

Вг 2

Загадочные помощники. Еще одна реакция дисмутации это то , что происходит с концентрированным пероксидом

Габер, Фр1щ

( 1868- 1934) -

11емеuки й

х и м и к- 11 еорган 11 к , вместе с К . Бо шем ра з работал метод с интеза а м м и ака. Гашеная 11звесть

2

Са( ОН) .

Mn0 2,

перманганат калия

KMn0 4 служат

катализаторами и дей­

-

разлагается с

Катализатор диоксид марганца

Mn0 2

поможет также получить кислород

прокаливанием одного из з наменитых веществ-окислителей

Гей-Люссак,

Жозеф-Луи

( 1778 -

ф ра н uузск и й х и м и к и физ ик ,

1850) -

марганца

ствуют на Н 2 О 2 так быстро , что он прямо-таки « вскипает» образованием кислорода и воды .

гидро кс ид каль uия

-

водорода при

внесении мельчайшего количества некоторых добавок. Твердые д иоксид

Химия от А до Я

выда юши йся тео рет и к

11 экспе ри ме н ­

калия

KCI0 3•

Г11бр11д11зац11я атомных орбиталей

-

од­

хлората

восстановительная реакция, в ходе которой атомы хлора со степенью

окисления

тато р .

-

При этом происходит внутримолекул ярная окислительно­

+V отнимают

электроны у атомов кислорода(-Il) , превращая

их в молекулярный кислород:

н а из моделей об разова ни я х и м ич ес­ кой связ и , вклю<tаю шая представле ни е

2KCI0 3 = 2KCI + 3 0 2t

об •усреднении • энер ги11 и геом етр и ­ чески х ха рактер и ст ик исход ны х о рби­ тале й uе н трал ьн о го ато м а ч аст иuы .

Г1щролиз

-

обме нн ая реа кuи я ве шест­

ва с водо й , в ре зультате кото ро й м е ня ­

Иоганн-Рудольф

-

хлорида калия и перхлората калия , а сама реакция

( 1604-

не м е uк ий а п тека р ь-алх и м и к ,

1670) -

разование двух солей

носила бы название реакции дисмутации:

ется к и слотность с р ед ы.

Глаубер,

В отсутствие катализатора реакция термического разложения хлората ка­

лия шла бы по-другому. Вместо выделения кислорода наблюдалось бы об­

ос н о во п ол о ж ник х имич ес к о й тех но­

4КСЮ з

= KCI + зксю4

ло ги и н ео р га ни чес ки х ве щ еств.

Глауберова соль - декагидрат сульфата

н атрия

Na 2S04 • 10

Гл1щер1ш

н р.

биологических катали з аторов

- трехато м н ый с пирт соста­

ва С Н ( 0Н ) .

3 5

Глюкоза

3

-

1892) -

( 18 18-

х и м и к - о р га н11к ,

~t з у ч ал а ромат и t1 ес ки е соед ин е ния , х и ­

м 11 ческ и идент иф1шировал а ни л ин .

56

ферментов

-

-

окислительно - восстанови­

основа обмена веществ . Ведь

мальном атмосферном давлении ; в крови или во внутренних органах че ­

л овека не бывает высокой кислотности или щелочности . Тем не менее

Август-В11л ьrельм н емеuк и й

-

тельные процессы в живых орга низ мах

здесь все превращения должны и дти при обычной температуре, при нор­

угл евод, мо11осаха р ид со­

става С 6 Н 120 6. Гофман,

И уж совсем немыслимо представить , как бы могли протекать бе з особых

химия

ферменты (такие , как к аталаза) ока з ываются настолько мощными , что , например , ускоряют процесс д исмутации

пероксида

тысяч раз э ффективнее , чем д иоксид марганца.•

вод орода в десятки


КОМПАС В ОКИСЛИТЕЛЬНО­

Химия от А до Я Дальто11 , Джон

а н гл и й­

( 1766- 1844) -

ск и й х и м и к и ф ю и к , п ер в ы м о преде­

ВОССТАНОВИТЕЛЬНОМ МОРЕ Множество чрезвычайно своевременных открытий и изобрете­ ний, относящихся к концу Х/Х в., связано с исследованием окис­ лительно-восстановительных процессов, происходящих в рас­ творах электролитов. Разгадка удивительных законов, объясняю­ щих работу гальванического элемента, создание теории «двой ­ ного электрического слоя» , изучение свинцового аккумулятора

-

все это результаты работы одного и того же ученого, немецко­ го физикохимика Вальтера Нернста. Однако начало изучению электрических явлений в растворах положили еще работы Галь­ вани и Вольта .

лил

элемент

как

цинка

ZnS0 4 •

CuS0 4 ,

а цинковую

-

в раствор сульфата

Оба раствора должны быть разделены пористой перегород­

кой или « Солевым » мостиком

-

изогнутой стеклянной трубкой , запол­

ненной насыщенным раствором хлорида или нитрата калия . При этом жидкости не перемешиваются , а ионы спокойно « путешествуют», перехо­ дя из одного раствора в другой .

класси ф икац и ю х и мичес ки х элементов

по .тр и адам " юобрёл •огн и во Дёбе­ рейне ра • на основе плати н ового ката­ лизато ра

11 пе р в ы е

хими ч еск и е сп 11 чки.

Дисмутащся (дисп ро гюрци о ни рова н11 е)

-

окисл 1пельно-восстановнтель н ая реак­

ц и я , в ходе которой атомы од н ого и то­ го

же

элеме н та

ме ня ют

с во ю

сте п е нь

ок и сле ни я .

Дэви , Гемфри

англ и й­

(1778- 1829) -

ск и й х 11м 11к , ос н ователь эле ктрох им~1и , п уrем электролиза п олучи л л 1 пий , н а ­

тр и й , кал и й, барий , кальц и й , стро н ци й магю1 й ,

п р овел

электрол113

безо п ас н ую

н ую лам п у, в ы делил

11 юучил

воды,

р уд нич ­ окс ид д и ­

азота.

Дюамель де Монсо, Ас1ри-Л уи

( 1700-

фра нцузский хи ш1 к , ф113 и к ,

178 1) -

ин же н ер , вра ч и бота ни к. П ер в ы м вы­ дел 11л

11 изуч и л

Дюма ,

соду- ка рбо н ат н атр и я.

Жан-Батист

( 1800- 1884) -

француз сю 1 й х и мик , определ и л состав а ц ето н а .

При погружении пл астинки какого-либо металл а в раствор его соли на по­

( 1780-

н еме ц кий х 11м и к , предлож ил

1849) -

и

тинку в раствор сульфата меди

состоящее

Дёбереiiнер, Иоrан11-Вольфганг

ско н стр у ировал

Металл в растворе «своей» соли . Опустим медную плас­

ве щество ,

и з атомов одного вида .

классе

залож и л

с пиртов,

п редставлен и я

уста н о ви л

о

фо рм улу

и нд и го.

верхности пластинки возникает д войной электрический слой: отрица­ тельный заряд на поверхности металла с одной стороны и положительные ионы в растворе

-

Электрический опыт.

с другой . •

Почему заряды разделяются? Исследования показали , что полярные молекулы вод ы способны « вырвать» катионы с поверхности ме ­

Шарл ь ktадей Ванлоо . 1777 г. Современники Луиджи Гальва­ ни и Алессандро Вол ьта с бол ь­ шим итпересо.м на блюдал и де­

талла , оставляя его отрицательно заряженным . Некоторые положительно

мон с трацию

заряженные частицы (катионы) могут вернуться , притянувшись из рас­

опытов».

твор а к отрицател ьной пластинке , причем чем больше концен­ трация сол и в растворе , те м вероятнее возвращение катионов.

Двойному электрическому слою отвечает скачок электрическо­ го потенциала , величина которого зависит от природы металла и

растворителя , концентрации соли и температуры . Но абсолют­

ное значение этого потенциала измерить нельзя.

В озможно

лишь измерение разности потенциалов , которая возникает при соед инении в электрическую цепь двух электродов , погружен­

ных в растворы солей.

Для того чтобы сравнивать потенциалы , нужно чтобы один из электродов всегда был одним и тем же

-

электродом сравнения.

П отенциал , измеренный в определенных , стандартных услови­ ях (при давлении , равном

1 атм ,

температуре

298, 15

К и концен­

трации ионов J моль/л) по отношению к электроду сравнения , потенциал которого известен, называется стандартным. Обо­

значают его греческой буквой <р с индексом

0

дартности » . Единица измерения потенциала

-

-

знаком «стан­ вольт (В) .

П ринято использовать в качестве электрода сравнения « Водо­ родный электрод» , принимая его потенциал за нулевой . Тогда потенциал цинкового электрода будет отрицательным, а мед-

«эл ектрич ес ких


в

конце XVllI в . итальян­ ский физиолог Луиджи

Гальвани

впервые

появление

кратковременного

электрического тока

заметил в

мыш­

ного

-

положительным. Если подключить вольтметр сначала в электриче­

скую цепь из водородного и цинкового электродов, а потом

в такую же

цепь из водородного и медного электродов, то стрелка этого прибора бу­ дет отклоняться от нулевого значения в противоположные стороны.

цах лягушки , лапка которой

При соединении электродов во внешней цепи начнет протекать электри ­

находилась

ческий ток. Он возникает за счет того , что цинк , как более активный ме­

в

соприкоснове­

нии с д вумя различными

таллами

ме­

(мед ной проволоч­

кой и железной сеткой) . Широко

известный

цинковый

медно ­

гальванический

его

нович Якоби. А в 1840 г. в России появился еще один гальванический

элемент

Багратиона

действия » .

-

очередь , в стеклянный сосуд , заполненный раствором сульфата цинка.

Электрический ток в элементе Даниеля

пропитанной

Zn° +

аммония землей , на

некотором

в

Л<:р = <:p

0

0

(Cu 2+/Cu 0) - <:p (Zn н /Zn°) = 0,34 - (-0, 76) = 1, 1 В 0

(из стандартного потенциала для окислителя надо вычесть стандартный

потенциал восстановителя) .

расстоянии

нанту Петру Романовичу Баг­ племяннику

зна­

менитого полководца. Н а сче­ Багратиона,

Cu 0

хлорида

ретение принадлежало лейте­

ту

= zn н +

которую

и цинковую пластины. Изоб­

-

Сu н

а электродвижущая сила будет составлять:

Он

д руг от друга втыкали медную

ратиону

Якоби возникает за счет хими­

по­

концентриро­

раствором

-

ческой реакции:

представлял собой горшок с ванным

-

с раствором сульфата меди. Пори стый сосуд (диафрагма) помещен , в свою

русский ученый Борис Семе­

стоянного

Якоби)

-

наиболее известный пример гальванического элемента. Такой элемент со­ стоит из медной пластинки, погруженной в пористый керамический сосуд

Усовершенствовал

« цепь кня зя

ра. Подобная медно-цинковая ячейка (или элемент Даниеля

г.

1836

Джоном-Фредериком Дание­ лем.

переходят к медному электроду и « захватывают» катионы меди из раство­

исследователем

элемент был создан в английским

талл, охотнее отдает свои электроны и при этом окисляется . Электроны

кроме того ,

есть несколько крупных изоб­ ретений в области металлур­

Остается разобраться , что же такое « водородный электрод» : ведь водо­ род

-

газ , неметалл".

Водород И электрод. Водородный электрод, изобретенный не­ XIX в" состоит из платиновой пластинки , покрытой « платиновой чернью » - тончай­ шим порошком платины Pt, который увеличивает активную поверх­ мецким физикохимиком Вальтером Нернстом в 80-х гг.

ность электрода и хорошо поглощает водород .

гии (в частности , цианидный

Тако й электрод погружают в водный раствор кислоты (хлороводород­

способ извлечения золота из

ной НС\ или серной

бедных руд). •

1 моль/л. равной 298, 15 ной

с концентрацией катионов оксония нр + , рав­

H2S04)

1 атм

Туда же подают под давлением

и при температуре ,

К , газообразный водород Н 2 , который как бы «омывает»

платину.

Н а водородном электроде протекает обратимая реакция : Н2

+

2нр

-

2е-

+z

2нр +

Равновесие будет смещаться вправо или влево , в зависимости от потенци­ ала измеряемого электрода .

Если и для измеряемого электрода (например , цинкового) условия стан­ дартные , то зна<1ение электродвижущей силы принимают за стандарт­ 0

ный потенциал <р для пары zn н;zn°: <:р (Zn н;zn°)

0

= -0,76

В

Отрицательная величина потенциала говорит о том, что цинк

Zn

в раство­

ре своей соли самопроизвольно окисляется (ионы металла переходят в раствор , оставляя на электроде избыток электронов) .

Для пары

Cu 2+/Cu 0

стандартный потенциал положительный

(+0,34

В) .

Другими словами , преобладает процесс восстановления (катионы меди за­ бирают электроны с электрода) . Вот почему медная пластинка в растворе своей соли приобретает положи­ тельный заряд.

58

химия


Ряд НАПРЯЖЕНИЙ

Хим ия от А до Я Извесrnяк, мел

п ри род ны й карбонат

-

к ал ьuи я СаСО 3 .

РАССКАЗЫВАЕТ

Изомерия

яме ни е су ществования

-

изоме р о в ,

соед ин е ни й

кол ич ест в е нн о го

од ин акового

соста ва,

но

р азн ы х

свойств и з-за разл ичий в строе ни и м о­

Атомы некоторых металлов очень легко расстаются со своими внешними электронами и превращаются в катионы. Для щелоч ­ ных и щелочноземельных элементов это происходит уже при встрече с обыкновенной водой . Пример - металлический на­ трий Na.

Кусочек натрия , брошенный в воду, не тонет: плотность ЭТОГО ме­ талл а

(0,97

г/см 3 ) немного меньше, чем у воды

( 1,00

г/см 3 ) . Но дело не

тол ько в этом . Натрий ср аз у же начинает э н е ргично вз аимодействовать с вод ой и даже плавится , превр а щаясь в блестящую капел ьку , которая быс­

тро «бегает» по поверхности , шипит и выделяет и з воды пуз ырьки га за

-

водорода Н 2 • Если п е ред опытом добавить в воду инд икатор фенолфтале­ ин , то можно уви деть , что за « бегущей по волнам » капел ькой н атрия тя­ нется ярко-малиновый след.

-

ги д роксид натрия

Изоморфизм

с п особность веществ

-

образов ы ват ь т ве рд ы е растворы за м е­ ще ни я.

Изотопы

-

х имич еск и н е разл ич имые

р аз н о ви д н ости

атомов

за р ядом

но с

яд р а,

с

од ин аков ым

р аз н ой

атом н ой

массой.

Ингибиторы

-

замедл ител и хим ич ес­

к 11х р еак uи й.

Индикаторы uве т

в

-

ве щества.

за в ис~1 мости

от

меняющие

кислотност и

с р ед ы .

Ионное

произвед ение

кол ич естве нн ая р а вн овес и я

Значит, в резул ьтате реакции пол уч а ется не только водород Н 2 , но еще и щелочь

лекул .

во д ы

Кв

-

характер и ст и ка

авто пр отолиза

вод ы ,

пр и 25 °С Кв = 1 · 10- 14 .

NaOH:

2Na + 2нр

= 2Nаон

+ н 2t

Суть дела в том , что атом н атрия охотно расстается со своим электроном и передает его атому вод орода в степени окисления

+I , входящему

в со­

став воды . Натрий здесь восстановитель , а вода служит окислителем :

Каждая мол екул а вод ы , получившая от натрия электрон, « избавляется » от атомов водорода , превр а щаясь в ги дроксидный анион он - . Эта ре­ акция идет с выделением большого кол ичества теплоты. •

Поединки в кислой среде . Реагирующих с водой металлов не так уж много (щелочные , щелочноземельные и

некоторые другие) . Зато с кислотами реагируют почти все ме ­ таллы. Эти « поединки » происходят по правилам , которые д иктуют химические законы.

Кисл оты (серная

H2S04 ,

хлороводородная

HCI

и др . ) в вод­

ном растворе выделяют множество катионов водорода н + . Точнее , они обра з уют с водой множество катионов оксо­

ния Н 3 0+ . А такие металлы, как алюминий

магний

Mg,

Al , железо Fe

или

легко отдают свои электроны катионам водоро­

да . Катионы водорода превращаются в газообразный водо­ род , а атомы металлов

-

в катионы:

Mg + H 2S0 4 = MgS04 + H 2t

2AI + 6HCI = 2AICl3 + ЗН 2 t Fe + 2HCI = FeCl 2 + H2t

Соляная кислота взаимодей­ ствует с

алюминием.

РАСТ В ОРЫ И К Р ИСТАЛЛ Ы

59


с

одовая «rад~ка». Это очень

простои

и

и з ящ­

ный опыт получения « черной

з меи ». В столовую тарелку на­ сыпают 3- 4 ложки сухого просе янного речного песка и

делают из н е го горку с углуб­

лением в вершине . Затем го­ товят

реакционную

смесь ,

При этом все участники химических « поединков » выводят друг друга из строя: металлы окисляются до катионов , а кислоты , выделив восстанов­

ленный водород , превращаются в кислотные остатки

анионы . В резуль­

-

тате получаются соли. Химическая схватка , описанная данными реакция­ ми , заканчивается .

Разбавленные хлороводородную и серную кислоты принято называть « Кислотами-неокислителями ». Правда , это не совсем верно , потому что

состоящую И З

они все же участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Но к

сахарной

этому « неправильному» названию химики привыкли.

1 чайной Л ОЖКИ пуд ры и 1/ 4 чайной

ложки гидрокарбон ата н атрия

а НС0 3 (питьевой сод ы). Песок пропитывают 9698-процентным этанолом С 2 Н 5 0Н , з асыпают в углубл е­ ние

горки

Не вступают в поединки с разбавленными

них

ми

-

все же

подвержены

химическим

например с азотной кислотой.

реакциям

смесь,

а

после

минуты н а поверх­

лов.

ности смеси появляются чер­

ные

шарики ,

горки

-

а

у

основания

ч е рн а я

жи д кость .

«з мея » , состоящая

модействовать

и з кар­

частичками

таллы ,

в

ряду

ряду

на­

с

кислотами-нео­

расположенные левее водо­

род а в ряду напряжений: от калия Никол ай Никол аевич Бекетов.

К до свинца РЬ (химики объединя-

угля ,

ют их под названием « неблагород­

который образ уется при горе­ нии сахара. •

местом

кисл ителями. Это могут делать ме-

горит

боната натрия , смешанного с мелкими

их

Водород служит эталоном для срав­

спирт , тем длиннее получает­ ся

последова­

зависимости

нения способности металлов взаи­

массу ,

дольше

в

пряжений .

з аст а вляя ее ползти , подобно Чем

строгая

металлов

определяется

2NaHC0 3 = = Na 2C0 3 + нр + co 2t

з ме е .

установлена

жение разных металлов в этом

ответствии с ре акцией:

горящую

участвуя

от их химической активности. Поло­

ра зложении

г ид рокарбоната натрия в со­

всп у чивает

реакци­

тельность

толст ая черная « гад юка » .

при

окисли­

ми

и з вивающ аяся

Диоксид угле рода С0 2 , вьще ­ ля ющи йся

в

тельно-восстановительных

ях с кислотами или солями. Учены­

рит , смесь поч е рне е т , и и з пе­

выпол з ет

Раз ные металлы по-разному

« напрягаются »,

Когда почти весь с пирт сго­ ска

кислотами-окислителя­

Субординация ... метал­

э того поджигают спирт.

3- 4

с

приготовленную

реакционную

Через

кислотами-неокислителями

только медь , серебро, золото , ртуть и другие металлы . Хотя некоторые и з

ные » ). Металлы, расположенные справа от водорода, с кислотами-неокислите­ лями не реагируют по причине своего «благородного происхождения » .

Впервые строгие научные представления об электрохимическом ряде напряжений металлов сформулировал российский физикохимик Нико­

лай Николаевич Бекетов в работе « Исследования над явлениями вытес­

нения одних элементов другими » , опубликованной в

1865

г. Он и на

практике доказал, что можно восстанавливать ( « вытеснять» ) менее актив­ ные металлы из растворов солей более активными: например барий

-

алюминием. Более того, оказалось , что такие металлы , как серебро и ртуть , можно восстанавливать из солей водородом! •

Металл и катион. Кто кого? Ряд напряжений дает возмож­ ность , не проводя опытов , зара н ее определить, как металлы будут « вытес­ нять » д р уг друга из растворов солей.

Напри мер , железо

Fe

расположено в ряду напряжений левее меди

Cu.

Значит , отдавая элект роны , оно будет восстанавливать медь из растворов солей , а само при этом окислится и превратится в катио н соли:

CuS0 4 + Fe

60

химия

=

FeS0 4 + Cu..J..


Действительно, если в голубой раствор сульфата меди

CuS0 4 опустить же­

лезный гвоздь, предварительно очищенный наждачной бумагой, то вско­ ре он покроется красноватым слоем металлической меди.

Раствор (теперь уже сульфата железа

FeS04)

приобретет бледно-зеленую

окраску. Металл может вытеснять из растворов солей все друтие металлы, Например, металлическая медь

AgN0 3 -

Cu

риключения «Медного всадника » .

Франuуз­

скому скульптору Этьену Мо­

рису Фальконе, с

1766 г. рабо­

тавшему в России , предстояло очень

ответственное

дело

создание памятника Петру

стоящие в ряду напряжений правее него .

трата серебра

п

Ag:

вытеснит (восстановит) из соли

своего металлического «брата»

-

серебро

ни ­

2AgN0 3 + Cu = Cu(N03) 2 + 2Ag На медных стружках, погруженных в раствор

AgN0 3 ,

1.

Сложность задачи, связанная с

огромными

нумента,

не

размерами шла

ни

в

мо­

какое

сравнение с трудностями

ин­

женерными. Ведь статуя была

постепенно вырас­

очень сложной конфигурации

тут ветвистые кристаллы серебра, похожие на деревья или кустарник. а

и имела всего три точки опо­

раствор приобретет нежно-голубой цвет.

Значения потенциалов <р для окислительно-восстановительных пар могут 0

быть положительными или отрицательными. Если стандартный потенци­

ал пары н +

/ Н 2 (водородного электрода) считать равным

нулю, то все ме­

0

таллы с отрицательными значениями <р окажутся в электрохимическом ряду напряжений слева от водорода, а все металлы с положительными

значениями <р

0

-

справа.

В электрохимическом ряду напряжений металлы располагаются в строгом соответствии

с

увеличением

стандартных

потенциалов,

слева

направо.

Ч ем левее расположен металл, тем меньше его стандартный потенциал, тем в большей степени выражены его восстановительные свойства.

Поэтому такой металл способен «вытеснять» (восстанавливать) своего правого соседа из растворов или расплавов солей

-

т. е. превращать кати­

оны солей в атомы металла . Так, цинк «вытесняет» (восстанавливает) медь

необходимо

счет того, что нависающая пе­ редняя

часть

покрывалась

бронзой более тонко , чем зад­ няя.

К отливке фигуры приступи­ ли

24 августа 1774 г.

Из-за тре­

щины в литейной форме в ма­ стерской возник пожар: струя расплавленного

металла

дожгла мусор на полу. главлявший

работы

по­

Воз­

мастер

спас дело. История сохранила

его имя

-

Емельян Михайло­

вич Хайлов. Однако верхняя часть фигуры оказалась ис­ порченной . Н едостающие де­

из ее раствора.

Если значение стандартного потенциала у металла меньше нуля, то он «Вы­

тесняет» (восстанавливает) и водород из растворов кислот-неокислителей. Медь , ртуть, серебро, золото, стоящие правее водорода , не взаимодейству­ ют с кислотами-неокислителями.

ры. Значит, ей

было придать устойчивость за

тали статуи были готовы толь­ ко через три года .

Наконец в

1778

г. работа была

завершена , и статую водрузи­

ли

на

железные

« пирроны»,

стержни

закрепленные

в

гранитном постаменте на глу­

бину около метра". •

Взаимодействие соли меди с железом.

1 -

железо,

погруженное в

раствор сульфата меди, вос­

станавливает катионы Си2+ до металла;

2 -

на железном гвозде по­

явился слой меди.

РАСТВОРЫ И КРИСТNlЛЫ

61


БЛУЖДАЮЩИЕ РЕАКЦИИ.

КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ п

очему болеют статуи? Почти две тысячи лет

тому на зад

Капитолийский

холм в Риме украшала статуя императора Марка Аврелия

-

единственный из конных п а­ мятников ,

сохранившийся

со времен анти чности . Время и

з агрязнения

среды

привели

окружающей к тому , что в

конце 70-х гг. ХХ в . статую пришл ось

сроL1но

« Лечить »:

бронза в некоторых местах напоминала решето , а от по ­ золоты

остались

лишь

жал­

кие островки . Трещины в по­ золоте

з аполнялись

которая

вместе

с

водой,

растворен ­

Каждый наверняка видел ржавые гвозди. Химики говорят, что такой металл «nрокорродировал» или что произошла коррозия (от лат . corrosio - «разъедание») .

«Разъедает» металл все , что так или иначе может с ним взаимо­ действовать: кислород 0 2, вода Н 2 О , оксиды серы S0 2, S0 3 , оксид азо­ та N0 2, растворы различных солей , например морская вода. Особый случай представляет газовая коррозия , когда химически актив­ ный газ непосредственно контактирует с металлом. При этом на его по­ верхности образуется тонкая пленка из продуктов взаимодействия ве­ ществ .

Особенно интенсивно газовая коррозия идет при высоких температурах , продолжаясь до тех пор , пока поверхностный слой («окалина» ) не станет достаточно толстым и плохо проницаемым для молекул химически актив­

ного газа . Этот защитн ый слой становится еще менее проницаемым, если

ными в ней веществами игра­

металл легирован

ла роль эл ектролита в элект­

почему в сталь добавляют хром, никель , алюминий и некоторые другие ве­

рохимическом

участием

процессе

золота

и

с

бронзы .

И з - за этого памятник пре­

т.е. содержит добавки , улучшающие его свойства. Вот

-

щества.

Оказывается, и газообразный водород может явиться причиной коррозии:

вратился в гигантский галь­

при высоких температурах и давлениях он активно взаимодействует с уг­

ванический

леродом стали и

талл

элемент,

а

ме­

прокорродировал и раз­

рушился . •

вызывает понижение ее прочности

родная хрупкость» .

-

возникает «В одо­

« Ржа железо ТОЧИТ». Самый известны й пример коррозии ржавление . С химической точки зрения это окислительно-восстанови­

тельный процесс с участием железа как восстановителя. Роль окислителя выпол няет кислород воздуха . Часто в этом процессе участвует вода.

Сначала железо в присутствии влаги окисляется кислородом воздуха до

гидроксида железа(/1)

Fe(OH) 2: 2Fe +

Затем

2Нр

+ 0 2 = 2Fe(OH) 2

Fe(OH) 2 превращается в оксид железа(III) Fep 3, метагидроксид же­ FeO(OH) и тетраоксид дижелеза(lll) - железа(Щ (Fe 11 Fe/ 11 )0 4 :

леза(I/1)

4Fe(OH)2 + 0 2 + (2п - 4) = 2(Fep 3 • пНр)

Метам

2FeO(OH) +

(п

Fe(OH) 2 + Fep3 •

=

=

FеРэ . пнр

=

Нр

-

\)Нр

пНр

= (Fe 11 Fe 2111 )04 + (п +

=

I)Hp

Все процессы протекают медленно , поэтому состав ржавчины со време­

нем меняется. Рыхлые рыжие чешуйки на поверхности железных изделий содержат в основном метагидроксид железа(l 11) Процесс, металл

62

-

FeO(OH).

Чем больше его

идущий на границе

образуется, тем быстрее протекает окислительно-восстановительный про­

раствор .

цесс.

химия


Принято говорить , что реакция автоката­ литическая. Это з начит , что од ин и з про­

дуктов , а именно

FeO(OH) ,

является ката­

ли затором ржавления. Кроме того , он по­ стоянно

отслаивается ,

открыв а я

поверх­

ность железа для воздействия неблагопри­ ятных факторов: влаги , агрессивных газов ,

кислот и т.д . Образовавшиеся соединения плохо « Пристают» к поверхности металла.•

Эффект чистоты и опасные КОНТаКТЫ. Интересно , что очень чис ­ тое железо не ржавеет . Присутствие при­ месей , часто менее активных , чем желе з о

(расположенных в электрохимическом ря­ ду правее) , « Провоцирует» процесс корро­

з ии , с которым люди сталкиваются бук­ вально на каждом шагу .

Два различных металла, контактирующих друг с другом , образуют так называемую « Гальваническую пару »

.

Такие контакты могут быть весьма неприятны.

Например , чтобы избежать корроз ии , зубные (и всякие другие) протезы

Кол осс Родосский . Со старинной гравюры .

делают из одного материал а, иначе более активный металл постепенно

Грандиозный .маяк в виде брон­

исчезнет, и вместо него останется небольшая « кучка» его оксида или гид­

зовой статуи был смонтиро­

ван на жел езном каркасе. Сре ­

роксида.

Подобная « несовместимость » металлов отражается в «теории микроэле­

ментов», которую в

1830

г. раз работал швейцарский физикохимик Артур

де ля Рив. Ученый обнаружил ре з кое увеличение количества выделяющегося водо­

рода при взаимодействии разбавленной серной кислоты

H2S04 с

дизе.мноморский воздух оказал ­ ся губительным для исполина

-

за бблет он проржавел и в кон­ це концов разрушился.

цинком ,

загрязненным железом , мед ью , сурьмой . И ответственность за такую ак­ тивность была припис а на наличию большого количества микрогальвани­ ческих пар , в которых цинк является а нодом и окисляется , а примеси яв­

г

ибель Колосса. В

111

в.

до н. э . на острове Родос

был построен маяк в виде ог­

ляются микрокатодами и восстанавливаются.

ромной статуи Гелиоса (у гре­

Такая контактная коррозия наиболее опасна в морской воде. Сохрани­

ков

лись сведения о том , что в 20-е гг. ХХ в. по заказу одного американского

ный замысел и совершенство

миллионера была построена роскошная яхта «Зов моря ». Ее днище было обшито монель-металлом (мед но-никелевым сплавом) , а рама руля, киль и другие детали изготовлены из стали.

Яхта , спущенная на воду , превратилась в гигантский гальванический эле­ мент , который состоял из катода (монель-металла), стального анода и элек­ тролита

-

морской воды. Можно представить, какими оказались послед­

ствия! Еще до выхода в открытое море яхта полностью вышла из строя , а

-

бог Солнца) . Грандиоз­

исполнения ского света

-

Колосса

Родос­

одного и з семи чудес поражали

всех ,

кто

его видел. Однако исполин простоял всего лишь 66 лет и рухнул

во

время

землетрясе ­

ния . Ученые считают, что ис­ тинной

причиной

вечности

недолго­

рукотворного

чуда

« Зов моря » запомнился только как романтическое название ...

была

Известно , что соль, которой посыпают зимой дороги, спасаясь от гололе­

что бронзовую оболочку ги­

да ,

-

злейший враг автомобилистов. Ее раствор в воде

-

знакомая каждо­

му слякоть городских улиц. Фактически это тот же электролит , сыграв­ ший роковую роль в судьбе яхты.

бопроводы неизменными в течение длительного времени , да еще в небла­

-

Оказалось ,

гантского памятника смонти­ ровали

на железном

каркасе.

Легко представить, что про­ изошло с Колоссом под дей­

Металл, принесенный в жертву . Сохранить стальные тру­ гоприятных условиях ,

коррозия.

ствием

влажного ,

ного солями

насыщен­

средиземномор­

ского воздуха.

задача непростая . Чтобы уберечь трубы электро­

химическим способом, приносят в «жертву» магниевые блоки, располо-

РАСТВОРЫ И КРИСТАЛЛЫ

63


женные во влажном грунте на некотором расстоянии друг от друга . Более активный магний окисляется, а те ионы железа, которые все же образуют­

ся, восстанавливаются до металла. Так же (с помощью блоков из активно­

го металла

-

магния, цинка) «с пасают» и стальные корпуса кораблей, по­

долгу находящиеся в агрессивной среде

-

морской воде.

Нет худа без добра. Оказывается , иногда ржавчина бывает по­ лезной. Известен такой почти анекдотический случай. Американский ар­

хитектор Джон Диннел , создатель одного из небоскребов , еще в

1956

г.

призвал вернуться в строительстве к более грубому стилю. Он считал, что Днище яхты «Зов .моря» было

обшито .медно-никелевы.м спла­ во.м, а ра.ма руля и киль сделаны из стали.

В результате кон­

тактной коррозии яхта при­

« окисление » фасадов и образование ржавчины

-

реальный способ изба­

виться от унылого однообразия похожих на консервные банки домов. Па­ радокс, но автору «ржавого» здания Институтом американской архитекту­

ры была присуждена золотая медаль . Правда , до сих пор неизвестно, реа­

лизовано ли предложение Диннела на практике.

шла в негодность еще до выхода

Ржавчину можно применять и в более серьезных делах. Было доказано, что

в открытое л1оре.

оксидная пленка , образующаяся на верхней грани резца токарного станка, при

высокой

скорости

ме­

таллообработки препятству­ ет привариванию стружки

инструменту. усилие

В

резания

к

ре зул ьтате уменьшает­

ся, а качество обработки по­ верхности улучшается.

Раз­

работаны также препараты, в состав

которых

тительные

и

входят

рас­

синтетические

дубильные вещества.

Они взаимодействуют с ок­ сидами железа, входящими в состав

ржавчины,

и

служат

хорошей основой для лако ­ красочных покрытий.

Низколегированные стали, содержащие

тые

ля

доли

Ni,

десятые

процента

хрома

Cr

и

со­

нике­

и меди

Cu ,

быстро ржав еют, но потом становятся

...

нержавеющи­

ми. Под слоем рыхлой ржав­ чины образуется плотная плен­ ка

оксидов,

прочно сцепляю­

щаяся с металлом и практичес­ ки

полностью

защищающая

его от дальнейшей коррозии.

Защитный слой « растет» в те­ чение нескольких лет, а затем коррозия

приостанавливает­

ся. Таким образом , стальной лист с уже образовавшейся защит ной пленкой проржа­

вел бы за

0,0003

100

лет только на

миллиметра. •


р азноцветное

МЕТАЛЛЬI

мородное

золото. Са­

золото

никогда

не бывает чистым, т. к. всегда

содержит примеси серебра , ме­

И НЕМЕТАЛЛЬI

ди и других металлов, изменя­ юших его

цвет от соломенно­

желтого до зеленого, ярко-ро­

зового, красного и даже белого.

Золото: миФы

В чистом виде золото имеет красивый соломенно-желтый uвет с сильным металлическим

И ДЕЙСТВИТЕЛЬНОСТЬ

блеском. Можно сказать, что золото

всех

-

«самый желтый» из

металлов .

Сходство

цвету зол ота и серы

Золото - очень редкий металл, но, как ни странно, именно с ним человек повстречался в первую очередь. Есть все основания счи­ тать, что люди были знакомы с золотом за 5000лет до н.э. Пер­ вым золотодобывающим государством в IV тыс . до н.э . стал Египет. Золотые рудники находились в гористой местности между Красным морем и Нилом - в Нубии . Многие археологи считают, что ее название происходит от древнеегипетского слова «нуб» - «золото». Фараоны Египта действительно владе­ ли большими запасами этого драгоценного металла. Количество золота, добытого в самом Египте и в Нубии с 4200 г. до н.э. по 50 г. н. э., составило около 3200 т. На территории Египта был обнаружен каменный нож, рукоят­ ка которого отделана золотом. Считают, что его изготовили за 4 тыс. лет до н.э. В городе Уре (Месопотамия) археологи на­ шли в погребениях, относящихся к 3500 г. до н . э" скелеты с зо­ лотыми браслетами на руках.

по

вводило в

заблуждение алхимиков, кото­ рые считали эти вешества род­ ственными.

Золото, содержашее от

20%

палладия,

-

8

до

белого цвета.

Его называют «белы м золотом » или

« Палладистым

ЗОЛОТО М ».

Золото, содержашее

25% сереб­

ра, окрашено в зеленый цвет.

Примесь меди

(25%)

придает

золоту красноту, и его называ­

ют <« 1ервонным ». Когда при­ месь меди в золоте составляет

около

16%,

оно имеет розова­

тый uвет . Сплав и

22%

78%

золота

алюминия будет руби­

ново-красным .•

Карл Фаберже. « Память Азо­ ва»,

Завораживающий блеск и химическая стойкость. Золото Au обладает приятным зол отистым цветом, а его куски сплавля­ ются без окисления - остаются блестящими, не

1891

серебро,

г . Золото, платина , бриллианты,

рубин,

аквамарин, гелиотроп.

покрываясь окалиной. Это очень тяжелый металл

и, кроме того , очень мягкий. Он легко куется и растирается в тончайшую пыль. Чтобы изделия из этого драгоценного металла служили долго, к не­

му для твердости добавляют серебро или медь.

с

помощью

ковки

можно

пластинку толщиной около

получить

0,00 l

золотую

мм; она будет

прозрачной и зеле новатой . И з 1 г з олота можно

вытянуть проволоку длиной более то

-

300

м. Золо­

хороший проводник тепла и электричест­

ва, хотя по этим свойствам уступает серебру и

меди. При

1064 °С золото

плавится и частис1но ис­

паряется.

Золото

-

металл малоактивный в химическом от­

ношении. Даже при нагревании оно не реагирует ни с одной кислотой. Только смесь концентриро­

ванных азотной и хлороводородной кислот

(HN0 3

и НС!) действует на этот благородный металл. Золото может перевести в раствор также концент­ рированная

хлороводородная

кислота,

насыщен-

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

65


B

XI в. в южной части Аф­

ная хлором

ганистана,

дихлорохлорат(I) водорода

в

провинции

Зарубан , был найден саморо­ док диаметром больше полу­

Cl 2•

лорид золота

Такая жидкость содержит очень сильный окислитель

2Au +

ка, вероятно, состамяла око­

2500

самый золота,

-

который превращает металл в трих­

AuCl 3:

метра. Масса этого самород­

ло

H[Cl(Cl) 2],

ЗH[Cl(Cl) 2 ]

= 2AuCl 3 + ЗНСI

кг. Это был, видимо , большой

самородок

когда-либо

При избытке

HCI

образуется тетрахлороаурат(III) водорода

найден­

H[AuCl 4 ]:

ный людьми.•

Самым активным по отношению к золоту окислителем-галогеном является бром

Br2,

с парами которого оно реагирует уже при комнатной температуре.

Жидкий бром превращает золото в монобромид

в

36

России самый крупный

2Ан

самородок золота (массой

кг) был найден в

Южном Урале .

1842 r.

+ 2Вr2 (ж) = AuBr + AuBr3

на

Его назвали

« Большой треугольник». •

AuBr и трибромид AuBr3:

Иод

12 также

не щадит золота. Его парЬ1 при

то в моноиодид

60-11 О

0

С превращают золо­

Aul: 2Au + 12 (г) = 2Aul

С растворами и расплавами гидроксидов щелочных элементов золото не взаимодействует, но не может устоять в водных растворах солей-циани­

дов, превращающих его в растворимые комплексы. Например, цианид

калия

KCN

переводит золото в дицианоаурат(I) калия

4Au + 8KCN + 0 2 +

2Нр =

K[Au(CN) 2]:

4K[Au(CN) 2] + 4КОН

Эту реакцию используют для извлечения металла из золотонос­ ных песков. •

Морское ЗОЛОТО. Золото встречается не только в горных породах и золотоносных песках. Его очень много в морской воде

-

около

27

млн т , хотя концентрация жел­

того металла здесь ничтожно мала

-

от 0,001 до

0,4 мг/м 3 •

Очень любопытно , что она не везде одинакова. Так , в Карибском море около берегов Кубы она достигает

15- 18

мг/м • Не потому ли , что именно здесь потоп­ 3

лены пиратами многочисленные корабли с золотом,

которые плыли из Мексики и Перу в Испанию и Португалию? У берегов Австралии содержание золота в морской во-

65 мг/м 3 • (1-5 г/м 3 ).

де еще выше и достигает Самородное золото.

ря

-

настоящая кладовая золота

А донный ил Красного мо­

Золото попадает в моря и океаны вместе с выносами рек, с грунтовыми водами и водами минеральных источников, размывающими золотонос­

ные горные породы. Так , река Амур ежегодно выносит в Татарский про­ лив более

8000

кг золота. Это больше, чем годовая промышленная добы­

ча в некоторых золотодобывающих странах.

Кислород и хлорид-ионы с1- , содержащиеся в морской воде , способству­ ют окислению металлического золота и переводу его в растворимое состо­

яние, часто в виде тетрахлороаурата натрия

Na[AuCl 4 ] ,

который поглоща­

ется иловыми частицами и скапливается на дне океанов. Однако добыча золота из морской воды и ила пока экономически неэффективна .

66

химия


МНИМАЯ ИНЕРТНОСТЬ АЗОТА По распространенности в земной коре азот

N находится на шест­ 2, 65% по

надцатом месте, зато в организме человека азота

массе, и он уже занимает четвертое место. Но в составе атмо­ сферы этот элемент - подлинный лидер: воздух на 3/4 состоит из газообразного азота.

Азотсодержащие минералы земной коры - это различ­ ные «селитры » : индийская , или калийная , - нитрат калия KN0 3 , чилий­ ская, или натронная (натриевая), - нитрат натрия NaN0 3 , норвежская , или остравская (кальциевая), - нитрат кальция Ca(N0 3) 2• Азот - очень важная часть живой материи: он входит в состав белков и аминокислот , основных « строительных материалов » земной формы жиз­

А зототкрыл шотландецДа­

J-\.н иел Резерфорд в 1772 г.

Учась в Эдинбургском уни­ верситете ,

молодой

форд увлекся

Резер­

химическими

опытами с воздухом . Удалив кислород (для этого под стек­ лянный колпак была постав­ лена горящая свеча) и образо­

ни . Однако непосредственно из воздуха азот могуг усваивать только азо­

вавшийся при горении диок­

тобактерии , обитающие в клубеньках корешков бобовых растений (горо­

сид углерода со 2 (раствором

ха, фасоли, люпина , клевера). Все другие растения , а также животные по­ требляют только « Связа нный » азот

-

в виде солей аммония, нитратов,

растительных белков.

Соединения азота

-

гидроксида

де. Азот потребляется по-раз ному, а выводится из организма человека и

животных в виде карбамида

-

мочевины

тительных остатков образуется аммиак

(NH 2) 2CO; при NН з- •

разложении рас­

в

« удушливом

возду ­

хе» (а это и был азот) огонь свечи гаснет .

Современное название эле­ менту дал француз ский х и­

мик

Два «Не» И три «без». Свободный (молекулярный) азот N 2 - газ

NaOH

пак) , он обнаружил , что в ос­ тавшемся

главные участники обмена веществ в живой приро­

натрия

чашке , помещенной под кол­

зье .

греч.

Антуан-Лоран «А-зоос »

-

в

Лавуа­

переводе с

« безжизненный ». •

без цвета, вкуса и запаха , он не поддерживает горение и непригоден для ды­ хания. Столько «Не» и «без» при описании свойств азота накапливается из­ за того , что он имеет совершенно особенные по строению молекулы.

У каждого атома азота есть три неспаренных валентных электрона . При пе­ рекрывании атомных орбиталей в пространстве они дают три ковалентные

связи. Таким образом , атомы в молекуле азота соединяются друт с другом тройной химической связью, которая очень прочна. Вот почему молеку­ лярный азот химически неактивен , или , как говорят ученые, инертен.

Молекула аммиака

NH3•

При комнатной температуре «ленивый » азот реагирует только с щелоч­ ным металлом литием

Li

с образованием нитрида лития

6Li + N 2 =

Li 3 N:

2ЦN

Для того чтобы добиться взаимодействия азота с другими металлами (да­

же такими активными, как магний) либо с водородом и кислородом , тре­

буются высокая температура

(500-600 °С)

или электрический разряд:

ЗМg

+ N 1 = Mg3N 2

ЗН 2

+ N 2 ~ 2NH 3

Пара

N 1 + 0 2 = 2NO В этих реакциях получаются нитрид магния

оксид азота

NO.

Mg 3N 2 ,

аммиак

NH 3

и моно ­

Но людям нужен именно «связанный » азот: из него полу­

чают множество необходимых продуктов, от удобрений для повышения урожайности полей и азотной кислоты, применяемой в синтезе лекарств , красителей , до нитроцеллюлозы

и

нитроглицерина , составных частей

Атом

- -• "::t

водорода

взрывчатки. Как же преодолеть инертность молекулы азота? •

МЕТАЛЛ Ы И Н ЕМЕТАЛЛЫ

67


Д

жозеф П ристл и . Джо­ зеф Пристли

богослов,

-

философ и химик

занимал

-

очень независимую позицию по

отношению

к

англикан­

Аммиачная вода из угля и цианамид кальция из воз­ духа. К началу прошлого века, помимо природной и полученной из рас­ тительных и животных остатков селитры , люди использовали в качестве

источника « связанного» азота раствор аммиака

NH 3

в воде

-

аммиачную

ской церкви , главной в Бри­

воду. Ее получали как побочный продукт при переработке каменного уг­

тании, поэтому жизнь его бы­

ля на «светильный газ».

ла чрезвычайно беспокойной .

Кроме

всего

прочего,

этот

« честнейший еретик» симпа­

На первый взгляд кажется , что в угле не должно быть никаких соединений азота. Н о там все-таки присутствуют заметные количества сложных орга­

тизировал Французской рево­

нических соединений , из которых при сильном нагревании получается

люции.

аммиак. На газовых заводах из

Пристли был одним из обра­

чить, помимо

зова ннейших

ной воды , а также

времени

людей

(он знал

своего

не только

французский, итальянский и

700

1 т хорошего каменного угля можно полу­ 50 кг каменноугольной смолы и 40 кг аммиач­ «светильного газа» - смеси водорода Н 2 с мета­

кг кокса,

300

м3

ном СН 4 и монооксидом углерода СО.

арабский, но даже халдейский

В самом начале ХХ в" в

я з ык)

аммиака непосредственно из воздуха. При этом способе, названном «ц иа­

и

выдающимся

хими­

ком. Кроме кислорода , он от­ крыл еще монооксид азота

NO,

монооксид углерода СО иди­ оксид серы

S0 2 ,

исследовал

намидный », преодолевалась мнимая инертность атмосферного азота.

Карбид кальция СаС 2 , получаемый прокаливанием извести (карбоната кальция СаСОз) с углем:

свойства аммиака.

2СаС0 3

В годовщину штурма Басти­ лии

в Бирмингеме, где жил

Пристли, на

всех,

начались гонения кто

сочувствии

подозревался

к

в

республикан­

книги

Пристли

были

и

рукописи

сожжены ,

а

-

= 2СаС 2

+ 3C0 2t,

CaCN 2: СаС 2

А цианамид кальция выделением аммиака

ему самому пришлось бежать

в Лондо н, а потом

+ 5С

при высокой температуре реагирует с азотом из атмосферы с образовани­

ем цианамида кальция

ской Франции. Дом, лабора­ тория,

г" появился и химический метод получения

1905

CaCN 2, N Н 3:

+ N2 = CaCN 2 + С

в свою очередь, разлагается кипящей водой с

CaCN 2 + 3Нр

в Ам е ри­

ку. Там он и провел послед­

= СаСО 3 -!.-

+ 2NHJ

Синтез аммиака . Однако чуть раньше , в 1901 г. , владельцем N Н 3 из азота N2 и водоро­ Н 2 в присутствии катализатора стал француз ский химик, знаменитый

ние десять лет своей жи з ни . •

первого патента на способ получения аммиака да Молибденит

MoS2•

става

-

минерал со ­

Соединения мо­

автор принципа смещения химического равновесия Анри-Луи Ле-Ша­ телье.

л ибдена служат катализато­

До широкого использования этого процесса было еще далеко. Первый

рами

промышленный аппарат синтеза аммиака создали немецкие ученые хи­

в

процессах

«связаююго азота» .

полу чения

мик Фриц Габер

1913

(1868-1934)

и инженер Карл Бош

(1874- 1940) только

в

г. Для Габера это стало осуществлением на практике заветной меч­

ты: он начал эксперименты по получению аммиака из водорода и азота

еще в

1904 г.

Однако все его попытки добиться взаимодействия азота с во-

дородом под действием электрической искры, дугового ра з ряда либо на­

гревания смеси при атмосферном давлении до

1000 °С

были безус пеш­

ными. И только применение сразу трех факторов , влияющих на равно­

весие в химической реакции ,

(200 атм)

-

температуры

(500

"С) , давле ния

и катализатора , да еще использование целого « букета » техно­

логических приемов , позволили наконец решить проблему.

Впоследствии и Габер , и Бош (правда, с интервалом в

13 лет) были

удо­

стоены за данную работу Нобелевской премии.

О том, насколько трудоемким был подбор наилучших условий синтеза аммиака, говорят такие красноречивы е факты. С

1903

г. до

1919

г. в ка-

11 естве катализаторов этого процесса в мире испытывалось более ч етырех тысяч ра зл ичных веществ. Хороший катализатор получился бы из метал­

ла осмия, но он до роже золота и п лати ны. Сейчас в а ппаратах синтеза ам­ миака работает де шевый , но достаточно эффектив ный катализатор на ос-

68

химия


нове железа

Fe

мя получают методом Габера и Боша.

соединений азота и

Впервые изучил свойства этого вещества английский химик Джозеф При­ газ с характерным острым за пахом , от которого пе­

рехватывает дыхание. Аммиак легче воздуха, и его сравнительно просто

можно перевести в жидкое состояние (при комнатной температуре для этого требуется избыточное давление всего лишь

8,5

атм). Жидкий амми­

распространенный хладагент и широко используется в промышлен ­

ных и бытовых холодильниках.

Если газообразный аммиак вратившись в азот

N2 и

с образованием монооксида азота

ленности,

который

ускоряет ее протекание.

тальное

-

главное п , орби ­

магнитное т 1 характеризу­

ют зада нн ую атомную орбиталь; зна­ чение п определяет э нергию орбитали

и её размеры, значение /

-

орбитали, значение т 1 -

геометрию ориентацию

орбитали в пространстве.

Кекуле, Фридрих-Авrуст

( 1829-1896) -

немецкий химик-органик, определил

лекулы бензола , осуществил синтез

NO

используется для

( 1824- 1887) -

немецкий фи з и к , разработал вместе с

Р. Бунзеном метод спектрального а на­

Pt)

и воды.

а она и есть тот самый продукт химической промыш­

HN0 3,

вещество, которое не

Кнрхrоф, Густав-Робе~rr

Реакцию каталитического окисления аммиака применяют в синтезе азот­ ной кислоты

-

многих органических веществ .

воду Нр :

Окисление аммиака в присутствии катализатора (например, платины

-

Катализатор

расходуется в химич еской реакции , но

понятие • валентность•, структуру мо ­

поджечь в кислороде, то он сгорит, пре­

NH 3

4NH 3 + 302 = 2N 2 + 6Нр идет иначе

групп СООН.

Квантовые числа

стли

-

органические

ся одна или несколько карбоксильных

потому заслуживает более подробного разговора.

( 1733-1804). Аммиак - бесцветный

-

Карбоновые кислоты

вещества, в молекулах которых имеет­

Что такое аммиак? Аммиак NH3- самое важное из водородных

ак

Химия от А до Я

с добавками оксидов калия и алюминия (КР и А\ 2 0 3 ).

Практически весь аммиак в мировой промышленности в настоящее вре­

производства

взрывчатых

ве­

ществ.

лиза.

Кирхгоф, Константин Сигизмундович российский химик, от­

(1764- 1833)крыл

способ

получения

сахара

из

крахмала.

Кислота - в протонной теории части ­ ца (молекула или ион) вещества , кото­ рая способна отдавать протон в реак­

Молекула аммиака

NH 3

имеет пирамидальное строение. Атом азота

N-

вершина пирамиды с тремя атомами водорода Н в основании. У атома

ции протолиза . При этом в воi\.е появ­

,

3

ляются катионы оксония Н 0 рые создают кислую среду.

азота остается одна пара электр онов , не участвующая в химической связи

Клапрот,

с водородом (химики называют такие пары «неподеленными») . В подхо­

1817) -

Мартнн-Ге11рих

кото­

(1743-

~1емецкий химик, открыл эле­

менты уран, цирконий и титан.

дящих условиях она может служить, к примеру, для присоединения кати­

она водорода н + в реакциях аммиака

NH 3 с

кислотами либо для образова­

ния комплексных соединений

аммиакатов . Например , взаимодействие

аммиака с хлороводородом

приводит к образованию хлорида аммо­

ния

HCI

Клаус, Карл Карлович русский

фарма­

ства плати новых металлов.

-

дисперсные си­

стемы, которые содержат распределен­

ные частицы с размерами

NH 3 +НС\= NH 4C\

Ко11мутация

а в результате взаимодействия с сульфатом меди лексная соль

и

цевт, открыл рутений, элемент семей­

Коллондные растворы

NH 4CI:

( 1796- 1864) -

химик-неорганик

-

сульфат тетраамминмеди

CuS04 образуется [Cu(NH 3 ) 4 ]S04 • •

комп­

-

1+ 100 нм .

окислительно-восста­

новительн ая реакция , в ходе которой степени

окисления

атомов

одного

и

того же элемента становятся одинако­ выми.

Цветной фонтан и химическая елка. Аммиак очень хоро­ (1170 л NH 3 на 1 л воды при температуре О С). При этом он частично превращается в слабое основание - гидрат аммиа­ ка NH 3 • Н 2 О, который в водном растворе подвергается обратимому про­ 0

шо растворим в воде

толизу с образованием некоторого количества гидроксид-ионов:

NH 3 •

Н 2О ~

NH;

Коррозия металлов

-

разрушение их в

неблагоприятных услов ия х под дейст­ вием кислорода , влаги и д ругих окис­

лителей. Крахмал

-

полимерных

чают

полисахарид, состоит и з молекул,

которые вклю ­

1-6 тыс. одинаковых фрагментов

\СбН1оО5 ].

+он - ,

Куртуа , Бер11ар

в результате чего меняется окраска индикаторов, т.к. среда раствора ще­

( 1777-1838) -

фран­

цузский химик-технолог и фармацевт, открыл эл емент иод.

лочная. На этих свойствах аммиака основан эффектный демонстрацион­

ный опыт

-

<щветной фонтан ». Для его «включения» достаточно впрыс­

нуть в колбу с аммиаком несколько капель воды. Они растворяют со­

Кучеров, Михаил Григорьевич

1911) -

( 1850-

русский х имик-орган и к, от­

крыл реакцию каталитической гидр а­

бранный аммиак, создается разрежение , и под действием атмосферного

тации

н епредель ны х

давления вода с растворенным в ней индикатором (обычно это фенолф­

ц1111 Кучерова.).

углеводо родов

с

получением этилового спирта («пе~к­

талеин) с силой устремляется в колбу. Там она мгновенно окрашивается в малиновый цвет: среда в растворе аммиака щелочная.

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

69


Характерная реакция на соли аммония

выделение аммиака при нагре­

-

вании пробы со щелочью .

Чтобы убедиться в наличии

NH 3 ,

не надо принюхиваться: достаточно подне­

сти к смеси влажную красную лакмусовую бумажку. Она должна посинеть, поскольку аммиак

-

слабое основание. Можно также поднести стеклянную

палочку, смоченную концентрированной хлороводородной кислотой НС!. В присутствии аммиака образуется белый «ДЫМ», состоящий из мельчайших кристалликов хлорида аммония

NH 4 CI.

Если поставить под стеклянный колпак игрушечную пластмассовую елочку и внести туда же в двух стаканчиках концентрированный раствор аммиака и концентрированную хлороводородную кислоту, то можно будет наблюдать,

как елочка постепенно покрывается «инеем» (кристаллы хлорида аммония) . Аммиак

-

важнейший продукт химической промышленности. Из него по­

лучают удобрения, используют его в производстве карбоната натрия

N1tiC0 3 ,

синтезе азотной кислоты и т.п. В быту водный раствор аммиака применяют Кристаллы природного хлорида

для мытья оконных стекол , хрусталя, золотых и серебряных изделий. •

Шf.МОНUЯ.

«Веселящий газ», «бурый газ» и другие оксиды азо­ та. Как известно, азот в кислороде не горит, поэтому при обычных усло­ виях (в отсутствие электрических разрядов, возникающих во время гроз) в

Химия от А до Я Лавуазье, Аmуан-Лоран

воздухе оксидов азота почти нет . И все-таки они существуют.

( 1743- 1794) -

французский химик, один из осново­ положников классической хими и , раз­

работал вместе с К . Бертолле, Л . Гито­

ном де Морво и А. Фуркруа принципы

N 20 -

монооксид диазота, который в

званием « веселящий газ»,

XIX

в. больше был известен под на­

не имеет цвета , обладает слабым приятным за­

-

пахом и сладковатым привкусом.

химической номе нклатуры , предложил

В смеси с воздухом он действует на людей по-разному

•Таблицу простых тел•

ствительно «веселит», а кого-то погружает в сон (все зависит от возраста

- первую клас­

сификацию элементов , открыл кисло­ род.

Лакмус

-

кислотно-оснОвный инди ­

катор .

Ле-Шателье, А11рн-Лун

( 1850- 1936) -

французский физикохимик. Сформу­ лировал принцип смещения химичес­

кого равновесия (принцип Ле - Шате­ лье) .

Лебедев, Сергей Васильевич ( 18741934) - российский химик, первым

некоторых дей­

человека , концентрации газа и дозировки). «Веселящий газ» применяется в медицине как вполне безопасный нар­

коз. Монооксид диазота почти нерастворим в воде. Кроме того, он не взаимодействует с водой, растворами кислот и оснований и является не­ солеобразующим оксидом.

Монооксид азота

NO -

тоже несолеобразующий оксид. Это бесцветный

газ , который на воздухе постепенно приобретает бурый цвет, из-за того

что окисляется кислородом до диоксида азота

N0 2 -

«бурого газа»:

2NO + 0 2 = 2N02

получил искусственный бутадиеновый каучук.

-

Монооксид азота плохо растворим в воде и совсем с ней не реагирует. Он

Леблан, Никола

фран­

( 1742- 1806) -

цузский врач и химик-технолог , изоб ­

так же , как

N 20,

не взаимодействует с кислотами и щелочами.

ретатель способа получен ия соды из

Зато « бурый газ»

сульфата натрия.

комнатной температуре реакция приводит к образованию азотной

Либих, Юстус

и азотистой

(1803- 1873) -

нем е ц­

-

( Н N 0 2)

диоксид азота

N0 2 -

активно реагирует с водой. При

(HN0 3)

кислот:

кий химик, автор теории минерально­

2N0 2+

го питания растений и п е рвой теории катализа.

Лоури, Томас-Мартн11

(1874-1936) -

англ11йский химик , авто р работ по тео­ рии водны х и неводны х раство ров кис­

лот и оснований .

Чуть снизится температура

-

Нр

= HN03 + HN0 2

и красно-бурый ядовитый

N0 2 превращает­

ся в бесцветную жидкость. Если к ней добавлять воду , охлажденную до

О С, тоже получится азотная кислота и кроме того , оксид азота

0

N 20 3

-

жидкость красивого синего цвета: Лумuй, Раймо~щ

(1235- 1315) -

ита ­

4N02 +

льянский алхимик и теолог.

Льюис, Гилберт-Ньютон американский

(1875-1946)-

физикохимик ,

автор

кислота

зовании химической связи.

лодная):

химия

= 2HN03 + NРз

При реакции с водой кислотного оксида

иде и у•1астия электронных п ар в обра­

70

нр

HN0 2

N 20 3 будет

получаться азотистая

(но только в самый первый момент и пока вода очень хо­


А

ммиачный фонтан. Этот

А потом все идет по-другому:

ЗNРз

опыт основан на высокой

+ нр = 2HN03+ 4NOt N 20 3 на•шнает

пузыриться

и пениться, выделяется красно-бурый «ДЫМ »

диоксид азота

N02:

ся азотная кислота

HN03и ЗNО 2

N02 с

нагрева­

(он легче воздуха) наполняют круглодонную колбу. Собран­

горячей водой сразу получает­

монооксид азота

NH 4Clc Са(ОН) 2 при

ни.и . Газообразным а ммиаком

Np3<==t N02 + NO При взаимодействии диоксида азота

в воде.

Аммиак получают реакцией

При комнатной температуре голубая жидкость

-

N Н3

растворимости

NO:

ный

NH 3 поглощают неболь­ шим количеством воды. В ре ­ зультате создается вакуум , во­

да засасывается в колбу, обра­

+ Нр = 2HN0 3+ NOt

зуя фонтан.•

Чтобы заставить диоксид азота взаимодействовать с водой без всяких « фо­ кусов» вроде выделения второго продукта

(NO, NP 3 или HN0 2) , придет­ +IV до +У, ина­

ся помочь ему повысить степень окисления атома азота с че говоря , добавить кислород:

4N0 2 + 2Нр + 0 2 = 4HN0 3 Вот какой пышный букет окисл ительно-восстановительных реакций мо­ жет быть составлен с помощью диоксида азота!

Если же в контакт с диоксидом азота вступают такие вещества, как уголь, фосфор или сера, то

N0 2 играет

роль окислителя. Например:

2N02 + 2S У азота есть еще один оксид твердое вещество

3.

= N 1 + 2S02

- N 20 5•

растворила собранный амJ.1иак,

При обычных условиях это белое

кислотный оксид и очень сильный окислитель . Его

-

В колбу с аммиаком впрысну­

ли несколько капель воды . Она

поэтому в колбе создалось раз­ режение .

получают из азотной кислоты действием сильнейшего водоотнимающего

средства

-

оксида фосфора Р4 0 10 :

24HN03+ Р4 0 10 = 2Np5 +

(НР0 3 ) 4

NP 5 снова превращается

При контакте с водой

в азотную кислоту. •

Колба для сбора аммиака

4. Под действием атмосферно­ го давле11ия вода устремляется Ал1.Миак

-------1-

в колбу, образуя фонта11.

Стеклянная палочка, смоченная

НС! Лакмусовая

бумажка ----11---

Смесь Са(ОНЛ и

NH4 CI

5. Вода «аммиацнога» фонта11а 1.

В присутствии амл1иака от стеклянной

малинового цвета : индикатор

Когда колба заполнена аммиа­

палочки, смоченной концентрированной со­

2.

ляной кислотой, поднимается белый «ды.м»

ком, поднесенная к ней влажная

что

лак.мусовая бумажка синеет.

лочная среда.

образуется хлорид aмJ.IOHUЯ

N н4 С/.

-

фенолфталеин в растворе

показывает, аммиака

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

ще­

71


ЛЕМЕНТ-АГРЕССОР ФТОР Фтор F2 в свободном виде - очень ядовиты й газ. Но соединения его жизненно важны. Они входят в состав зубной эмал и и прида­ ют ей твердость и прочность . Поэтому соединения фтора, на­ пример фторид олова SпF2, добавляют в зубную пасту.

Фтор находит сам о е широко е пр им ене н ие при син­ тезе лека р стве н ных пр епа ратов . Его о р ган и ческие соеди н ения приме­ ня ют для лечения болезней щитовидной железы, диабета, ревматизма, астм ы , используют для профилактики малярии и ст р е п тококковой ин ­

фекции , а также для надежного и безопасного наркоза в хирургии. Све рхпрочные и све р хустойчивые конструкционные мате р иалы , п ласт ­ массы с уникальными свойствами, маслостойкие каучуки, хладагенты и окислители р акетного топлива

-

чтобы только перечислить все случа и

применения соединений фтора в технике , вряд ли хватит нескольких

страниц. Од н ако исто р ия открытия этого элемента изобилует драма­ Анри Муассан.

тическими эпизодами. •

Такой особенный гало ген. в обычных условиях фтор F2 блед н о-зеленый газ , при понижении температуры до щается в светло-желтую жидкость, а затвердевает при

-

-188 °С он превра­ -228 °С. Фтор - са­

мый « неметаллический» из всех неметаллов, в том числе среди своих « Со­ братьев », элементов-галогенов.

Свойства химических элементов

Ma plТJlaф , Андреас-Сиrизмунд

( 1709-

немецкий х имик , одн 11 м из

1782) -

первых применил в химическнх иссле­

дова 1т ях микроскоп , открыл сахарозу

в сахарной свекле, и сследовал состав многих солей и м11нералов.

Марте11 , Пьер

( 1824- 1915) -

те н овской печи• для передела ч угу н а в сталь.

Ме tщелеев , Дм 11тр и й Ива11ов 11 ч ( 18341907) - великий русский х~1мик и уче­ ны й - эн ци клопедист, создатель П ери­ одической систем ы х имич еских эле­ ме нтов.

11ростейший

-

предельный

углеводород состава С Н 4 , газ.

М и •1ерл и х, Эйльхард

( 1794- 1863) -

н емецк ий х11мик, открыл явле11ие и зо­

морфизма , юучал соли

-

пермангана­

ты , осуществил с инте з молоч1-юй кис­

л оты, получил и з бензойной кислоты

бе н зол.

( 1852- 1907) -

химик ,

впервые

фтор, синте з ~tровал

фран ­

полу•нtл

г11дридр1

метал­

лов, получил в ч1-1стом виде молибде н

и вольфрам.

72

это, как известно, результат строения

П ериодической системы, на внешних атомных орбиталях на­

ходятся семь электронов , причем два и з них

битали, а еще пять

-

-

электроны s-атомной о р ­

электроны р-атомны х орбиталей. Ровно одного элек­

трона атомам галогенов недостает до устойчивой восьмиэлектронной обо­

-

такой же, как у благородных газов. Так что атомы галогенов все­

гда настороже: нет ли возможности где-нибудь « поживиться » чужими эле­ ктронами , чтобы , завершив до устойчивого состояния свое электронное окружение , превратиться в однозарядный анион

F-, с1 - ,

химия

Вг- или

1-.

Это означает, что все галогены ведут себя как активные окислители . Они спо­ собны отнимать эл ектроны у атомов металлов и даже у многих неметаллов .

Самый активный окислитель среди элементов-галогенов

-

конечно,

фтор: ведь у него самая высокая электроотрицательность. Он реагирует со всеми элементами, не исключая большинства благородных газов . Только гелий и неон пока не поддаются его окисляющему действию.

Сосед фтора по групп е галогенов хлор проявляет окислительную способ­ ность в меньшей степени . Круг веществ, которые могут быть окислены бромом , более узок, чем для хлора, и еще меньшее их число способен ОКИСЛИТЬ ИОД.

Итак, окислительная способность галогенов в ряду фтор

Муасса 11 , Аири цузск 11 й

VI l А-группе

лочки француз­

с ки й металлург , изобретатель • мар­

Мета 11

-

их электронной оболочки . У элементов-галогенов, которые размещены в

Хим ия от А до Я

-

хлор

-

бром

-

иод уменьшается. Особенно ясно это видно, когда свободный галоген, рас­ положенный в Периодической системе выше , окисляет галогенид-анионы элеме нтов , расположенных в группе ниже. Н а пример , бром окисляет иодид­ ионы до иода :


хлор способен окислить и иодид-ионы до иода, и бромид-ионы до брома:

Cl 2 + 2 1- = 2с1 - + /2 Cl 2 + 2вг- = 2с1 - + Br2

м

а самый агрессивный галоген фтор окисляет и иодид-, и бромид-, и даже

хлорид-ионы. Еще легче сопоставить окислительную способность эле­ ментов VIIA-rpynпы по тому, как идут их реакции с водородом Н 2 • Взаи­ модействие водорода со фтором:

Н2

вой кислоты. Для этого он на­ гревал

-

Hl

идет

-

бромоводородная

HBr и

иодоводо­

сильные и в воде протолизуются (отдают протон

На одном

электроде

водород ,

на

выде­

другом

-

разрушающих свойствах фто­

тролизер

целиком

ны, а электроды

-

из

плати­

из иридие­

во-nлатинового сплава, а что­

бы « ох1щдить пыл » элемента­ незнакомца ,

+ Н 2О = нр+ + c1-

при

HBr + Hp

= нр + + BrHI + нр = нр + + 1-

Фтороводородная кислота Н

а затем полученный фторово­ дород подвергал электролизу.

ра , поэтому он изготовил элек­

молекулам воды) необратимо:

HCI

и

KF

ное вещество. Муассан знал о

в водном растворе ведут себя как кислоты.

кислоты

калия

очень агрессивное газообраз­

+ I2 +=t 2Н/

HCI,

фторида

фтороводорода Н F:

лялся

галогеноводороды, которые образуются в результате та­

Интересно, что хлороводородная родная

HBr

даже не до конца, а обратимо:

Н2 ких реакций,

гид­

KHF2 = KF+ HF

ным потоком света. Реакция водорода и брома с получением

-

расплавленный

нием

происходит, если, смешав газообразные водород и хлор, облучить их мощ­

Все соединения

г.

торый разлагался с образова­

+ F2 = 2HF

+ Cl 2 = 2HCI

-

1886

ролизом безводной плавико­

хлор. Но взрыв при реакции:

спокойно, а иода с водородом

В

Муассан вьщелил фтор элект­

родифторид калия КН F2, ко­

сопровождается взрывом. Весьма бурно взаимодействует с водородом и

Н2

нимое фиаско Ан ри Муассана.

F-

электролиз

вел

°С.

-23

Анри Муассан сообщил об от­ крытии

нового

элемента ,

и

Парижская академия наук на­

слабая , ее протолиз в растворе обра­

значила

комиссию

для

про­

верки результатов. Перед на­

тим:

н

F + нр

+:t нр +

чалом испытаний ученый по­

+ r-

вторно

Это происходит потому , что фтор , этот «особенный» элемент-галоген, слишком крепко держит химической связью атом водорода, и тому очень трудно даже в водном растворе оторваться и уйти в «свободное плавание» .

перегнал

кислоту, очистить

чтобы

-

И , о ужас!

плавиковую

еще

раз ее

на всякий случай.

-

опыт не полу­

чился: очень чистая плавико­ вая кислота не проводила элек­

Фтор и фтороводород отличаются от остальных галогенов и галогеново­

трический ток ... Только в по­

дородов и другими свойствами. Так, многие соли с фторид-анионом (со­

следующих опытах Муассану

ли фтороводородной кислоты) малорастворимы (например, фторид ли­

удалось доказать , что добав­

тия

ление нескольких кристалли­

LiF

или фторид магния

MgF 2) , в то время как хлориды, бромиды, ио­ - прекрасно растворимые в воде вещества . - хлорид серебра AgCI , бромид серебра AgBr и

диды и у лития , и у магния

ков фторида калия

А вот «серебряные» соли

чивало проводимость. Имен­

иодид серебра ребра

AgF -

Agl,

наоборот, нерастворимы в воде, тогда как фторид се­

KF

увели­

но наличие примесей объяс­ няло успех первого опыта.

хорошо растворимая соль.

Но не только этим отличается элемент фтор от других галогенов. Высо­ чайшая окислительная способность фтора и полное нежелание его ато­ мов отдавать кому бы то ни было свои электроны у фтора, кроме нулевой (в свободном степень окисления

-1.

F 2),

-

вот причина того, что

еще только одна-единственная

А все другие галогены, помимо О и-/, могут при­

нимать и положительные степени окисления: от

+l до +YII.

Кроме того,

фтор (и только фтор!) способен «расшевелитм благородные газы и заста­ вить их вступать в химические реакции. •

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

73


Фториды благородных газов. в середине 30-х гг. ХХ в. попытки окислить благородные газы крип­

тон Кr и ксенон Хе фтором

F2 оказались

неудачными , и

это надолго остановило развитие химии благородных га­

зов. Лишь в начале 60-х гг. канадский химик Нил Барт­ летт синтезировал первое соединение ксенона, смешав

благородный газ и гексафторид платины

Хе+

PtF6 :

PtF6 = Xe[PtF6]

Сразу же образовывался желтый осадок. Чистый гекса­ фтороплатинат(У) ксенона(I)

Xe[PtF6]

удалось выделить

после разбавления смеси газообразным гексафторидом

серы

SF6• Таким

образом, инертность благородных газов

оказалась условной. В структуре полимера

-

фто­

Перед тем как заняться изучением благородных газов, Бартлетт исследо­

ропласта атомы фтора защи­

вал свойства очень сильного окислителя

щают углеродную цепь от воз­

который мог отнять электрон даже у кислорода

действия агрессивных реаген­

гексафтороплатинат (У) диоксигенила

тов.

гексафторида платины

-

0 2•

PtF6,

При этом получался

0 2[PtF6]:

Ученый заметил, что катионы диоксигенила о; и ксенона Хе+ очень похо­ жи и по размерам , и по энергетическим характеристикам. Вот почему пер­ вое соединение ксенона было получено практически так же, как и гекса­

фтороплатинат (У) диоксигенила

0 2[PtF6]. Так

научная наблюдательность и

теоретическая подготовка талантливого химика позволили получить экзо­ тические новые соединения.

Химия от А до Я Наша11>1рныil спирт аммиака

-

Фториды ксенона

водный раствор

NH 3.

Нашап.~рь

-

хлорид аммония

N H4 CI .

XeF2, XeF4 , XeF6 образуются

при непосредственном взаимо­

действии ксенона и фтора, которые предварительно активируют («возбужда­ ЮТ») нагреванием или световым облучением с определенной длиной волны.

Например, дифторид ксенона XeF2 получают при освещении смеси исходных веществ ртутной дуговой лампой. Непосредственное взаимодействие ксено­

Heilтpo11 (п°) - нуклон , элементарная

на и фтора при

частица с нулевым электрическим за­

300 °С

400 °С дает твердое вещество тетрафторид ксенона XeF4 , - жидкость гексафторид ксенона XeF6:

а при

и высоком давлении

рядом.

Нер11ст,

Хе+

Вальтер-Фридрих-Герман

(1864-1941) -

Хе(г)

немецкий физик и фи ­

зикохимик , изобрел водородный эле к­ трод и свинцовый аккумулятор. Сфор­

+

2F 2 = XeF4 = ХеF6 (ж)

3F 2 (г)

Образующийся легкокипящий гексафторид ксенона

XeF6

оказался очень

мулировал третий закон термодинами ­

реакционноспособным (в отличие от одного из своих «родителей»

ки,

нона). Он реагирует с водой, водородом, фторидами металлов и неметал­

ввел по1·1ятие «абсолютный

нуль

температур• .

Нефп.

-

Нобель,

Альфред-Бернхард

1896) -

шведский химик, инженер

( 1833-

и предприниматель, изобретатель ди -

Учредил

Нобелевские

пре ­

мии.

Ньюлендс

ксе­

лов, проявляя свойства окислителя и фторирующего агента:

природная смесь углеводоро­

дов , пол ез ное ископаемое .

11амита.

-

Джон-Александер-Реilна

(1 837- 1898) -

английский химик, ав ­

тор •закона октав• дпя кл ассификации химич ес ких эл ементов .

XeF6 + 3Н 2 =Хе+ 6HF XeF6 + 3Нр = Хе0 3 + 6HF XeF6 + 2NaF = Na2 [XeF8 ] Более устойчив тетрафторид ксенона XeF4 , молекулы

которого имеют ква­

дратную структуру.•

Фреон

-

КТО он? Если атомы водорода в простейших предель­

ных углеводородах заместить на атомы фтора и хлора, то можно получить вещества , известные под названием «фреоны » .

Фторпроизводные метана СН 4 и этана С 2 Н 6 значительно менее токсичны,

чем другие rалогенсодержащие углеводороды . Теплокровные животные могут существовать в атмосфере с большим содержанием дифтордихлор-

74

химия


метана и трифторметана

(CCl 2 F2 и

СН F3) и погибают лишь из-за недостат­

ка кислорода, а не из-за токсических свойств этих соединений . Если все газообразные вещества распределить по степени «вредности», то триоксид

серы

S03 ,

например, окажется наиболее токсичным , затем идуr аммиак

NH 3 ,

к

адмий и краски. Старин­ ные желтые и оранжевые

пигменты

постепенно были

вытеснены

-

« Кадмиями »

красками на основе сульфата

диоксид углерода со 2 и, наконец, практически безвредные фреоны, на­

кадмия,

пример

ми немецким химиком Фрид­

Фторпроизводные метана и этана негорючи, неядовиты,

CCl 2F2•

обладают низкими температурами плавления и кипения.

Вот почему фреоны до недавнего времени широко использовали в каче­

впервые

полученны­

рихом Штромейером

( 1776-

1835). Сначала эти краски стоили

стве хладагентов, инертных растворителей, а также веществ, помогающих

очень дорого . Но потом хими­

погасить пламя.

ки

Применяли фреоны и для получения аэрозолей. Впервые в такой роли

видности, более доступные по

они выступили во время Второй мировой войны

-

на кораблях Тихооке­

анского флота СССР. С помощью инсектицидов, растворенных в легко­

стали

готовить

цене, например кадмопон .

перемешивая

фата кадмия

секомых, укусы которых приводили к массовым заболеваниям в войсках.

да бария

Никого не удивишь сейчас лаками, красками, моющими средствами в

док

бы струя раствора вырвалась наружу. Фреон тут же испаряется , а раство­ ряемое вещество распределяется по опрыскиваемой поверхности.

-

МНОГОе другое . При проведении сварочных работ обычно использу­

ются специальные горелки , «потребляющие» смесь ацетилена и кислоро­ да. Еще более эффективны горелки , которые работают на смеси трифто­

NF3

и водорода Н 2 • Сравнительно невысокая агрессивность и

термическая устойчивость окислителя ра

F2,

NF3

выгодно отличает его от фто­

тепловой эффект реакции окисления намного выше :

более энергично, чем в кислороде

минат натрия

Na3 [AIF6].

-

CdS

BaS + CdS04 = + BaS04,j..

= CdS,)..

В зависимости от температу­ оттенок

0 2•

Получают

кадмопона

меняется

от лимонно-желтого до оран­ жевого .

Масляная

краска

на

основе

кадмопона («кадмиевая желТЬ») дает красивую блестящую по­

верхность . К тому же этот пиг­ мент

огнеупорен ,

так

что

он

но

и

для

расписывания

краска, изобретенная в

1907 г. ,

содержит смесь сульфида и

Интересно, что раскаленный уголь сгорает в атмосфере трифторида азо­

Одно из природных соединений фтора

(бело­

BaS04

фарфора. Кадмиевая красная

Однако вьщеляющейся энергии вполне достаточно для резки металлов.

NF3 еще

нерастворимых

(желтого цвета) :

си ,

+ F2 = 2HF + Q (542 кДж) ЗН 2 + 2NF3 = 6HF + N 2 + Q (1360 кДж) та

Получается оса­

пригоден не только в живопи­

Н2

лизом расплава гидрофторида аммония

BaS.

смесь

ры и концентрации растворов

Необычная горелка, нетающий лед криолит и

рида азота

суль­

и сульфи­

го) и сульфида кадмия

сферы разлагаются (подвергаются фотолизу) и взаимодействуют с озо­ вергается космическому излучению.

растворы

CdS04

сульфата бария

Фреоны очень устойчивы, но под действием света в верхних слоях атмо­ ном . Содержание озона в атмосфере понижается, и Земля сильнее под­

разно­

Эгу краску получаюr, сливая и

кипящих фторуглеродах, в те годы уничтожали громадное количество на­

аэрозольных упаковках . Достаточно надавить на клапан баллончика , что­

их

NF3 электро­

NH 4 HF. минерал криолит, гексафтороалю­

Огромные глыбы криолита (который, кстати, был

найден впервые под вечными льдами Гренландии) очень похожи на ледя­ ные . Криолит в огромных количествах применяется в технологии электро­

литического получения алюминия . Однако природного криолита явно не хватает, поэтому его получают искусственным путем, для чего требуется

селенида

кадмия

и

отвечает

соста ву CdS · CdSe. Примечательно , что сульфид кадмия

CdS

окрашивает пла ­

мя в синий цвет. Это вещест­ во используется в пиротехни­

ке.

А селенид кадмия

CdSe

может придать стеклу цвет ру­

бина. Рубиновое стекло было использовано

нии

звезд

при

изготовле­

кремлевских ба­

шен. •

фтороводородная кислота Н F. Но у этой кислоты есть и другие области применения

-

например, травле­

ние различных материалов (стекла, кварца, металлов и т. п.). Обработка по­ верхности кварца и других силикатов известна давно, а травление внешне­

го слоя полупроводниковых материалов, таких как кремний и германий, применяется относительно недавно.

Фтороводород часто используют как катализатор химических реакций, а в жидком виде

-

как растворитель в новых химических синтезах. Одним

словом, этот агрессивный и опасный реагент незаменим для человека. •

МЕТА/IЛЫ И НЕМЕТА/IЛЫ

75


СЕРА И РТУТЬ - ДУХИ МЕТАЛЛОВ Немецкий философ и богослов Альберт фон Больштедт, или Аль­ берт Великий (около 1193-1280), которого называли самым об­ разованным европейцем XIJJ в., в своей « Малой книге об алхи­ мии» писал о четырех «духах металлов»: ртути, сере, мышьяке и нашатыре ... Почему алхимики обьединили столь разные веще­ ства? Как могли оказаться рядом ртуть и сера? Это не так странно, как кажется на первый взгляд. Хотя ртуть - типич­ ный металл, а сера - типичный неметалл, в их свойствах мож­ но найти немало общего.

Рожденная в недрах и рождающая медь. Сера - один - значит « РОЖдающие медь » (от греч. « халькос» - «медь» и «генес» - «роЖдаю»). Такое , на первый взгляд из элементов-халькогенов. Халькогены

неподходящее, имя элементы У/А-группы Периодической системы полу­ чили потому, что все руды , из которых выплавляли медь с глубокой древ­

ности, содержат серу. Это минералы халькозин

Cu 1S,

халькопирит

и другие. По распространенности на Земле сера занимает

Киноварь.

15

CuFeS 1

место, обра­

зуя соединения со многими металлами, в том числе и ртутью. Большинст­ во этих природных соединений

или свинцовый блеск) манка)

с

у~ствует несколько вер­ сии происхождения чер­

ZnS,

PbS,

сульфиды : сульфид свинца (галенит,

-

сульфид цинка (сфалерит, или цинковая об­

сульфид меди (халькозин , или медный блеск)

основных минералов железа

нение с серой

-

пирит

-

Уникальное « МестороЖдение» соединения серы

тают, что он мог образоваться

Черного моря. На глубине от

из пресноводных животных и

которые

погибли

достигает

100

Один из

FeS 1 .

номорского сероводорода. Счи­

растений ,

Cu 1S.

тоже представляет собой соеди­

200

м до

2000

-

сероводорода

м, концентрация

H 1S

-

вода

местами

мг/л. В такой среде не могут существовать животные и рас­

вод

тения. Здесь обитают только бактерии: одни используют для выработки

Черного и Средиземного мо­

необходимой им энергии реакцию восстановления серы, превращая суль­

рей .

фат-ионы в сероводород, а другие

когда-то

при

слиянии

Предполагается

также ,

что в земной коре на глубине

5-6 км

при высокой темпера­

туре сульфат-ионы реагируют с

углеводородами,

образуя

сероводород, который проса­ чивается в морскую воду и во­ ды

минеральных источников.

Сероводород в воде не только непрерывно образуется, но и расходуется,

окисляясь

150

глубине около

на

м находя­

Нередко встречается в приро­ де и самородная сера. Она об­ разуется при окислении выде­ из

земных

реакцию окисления сероводорода до

роводорода в Черном море.

Металл из подземного царства. Ртути Hg на нашей плане­ 7 · 10- 1 % от об­

те не очень много: в земной коре она составляет примерно

щей массы. Правда , геохимики считают, что в глубине Земли данного ме­ талла гораздо больше. Ртуть

-

довольно рассеянный элемент. Это зна­

чит , что во многих минералах содержится примесь

Hg.

Часто ртуть кон­

центрируется в рудах меди, цинка, золота, молибдена. Она образует и собственные минералы и встречается даже в самородном виде.

щимся там кислородом .

ляющегося

-

серы. Согласно одной из теорий, именно бактерии стали источником се­

недр

Вероятнее всего, поведение ртути в земной коре связано с ее особыми фи­ зическими свойствами: при обычных условиях это единственный жидкий

металл, затвердевающий лишь при

-39 °С.

Кипит она при

357 °С ; для

ме­

сероводорода. Особенно ча­

талла это очень низкая температура . Поэтому ртуть поднимается по тре­

сты

щинам из горячих земных недр вместе с рудными растворами или распла­

местороЖдения

серы

в

районах с активной вулкани­

ческой деятельностью. Самый известный пример

-

острове Сицилия

в Среди­

сера на

земном море, где ее добывали в античности .

76

химия

вами, а одновременно путешествуют и ее пары. Часть паров оказывается в атмосфере, а остальное количество связывается в сульфиды, поглощается другими минералами или рассеивается в породах.

Если содержание

Hg

в руде около

1%,

она считается богатой ртутью. Не­

редко для переработки используют гораздо более бедные руды . Тем не


менее ежегод но добываются тысячи то нн ртути. Поч ти каждый с едьм о й литр ртути в мире получают в руд никах близ испанского города Альмаде­

на , расположенного в горах Сьерра-Морена. Добытый металл ра зли­ вают в сталь ны е бутыли емкостью

35

2,8

л , каждая из которых вмещает

кг ртути.•

Жидкие сплавы. На старинных гравюрах ртуть нередко изобра­ жена в виде белого льва, пожирающего Солнце

символ золота . В дейст­

-

вительности ртуть может поглотить не только золото , но и большинство других металлов. Растворы металлов в ртути, жидкие или тве рдые, называ­

ют амальгамами. Это слово пришло к нам через арабский язык от гречес­ кого « малагма »

-

« мягкая подкладка » . При их на гревании ртуть обычно

испаряется , а растворенный металл выделяется в своем прежнем виде. Однако амальгамы

-

это не _ просто сплавы и ли растворы других металлов

в жидкой ртути. Ч асто в составе амальгам присутствуют устойчивые хими­ ческие соединения ртути определен ного состава

меркур и д калия

-

меркуриды , такие как

KHg1 .

Одни металлы хорошо растворяются в ртути (например, индия

гаме может содержаться более

70%), другие,

ln

в амаль­

особенно те , которые плохо

ею смачиваются, малорастворимы. Так , максимальное содержание ко ­

Fe в амальгаме - менее миллионной доли процента. Смесь ртути с таллием (8,55 % TI) - самый легкоплавкий металлический сплав. О н затвердевает лишь при -59 °С. бальта Со или железа

При нанесении ртути на поверхность растворимого в ней металла образу­

ется пленка жидко й амальгамы. С помощью амальгамирования часто уда­

« Рука философов» . Пальцы ру­ ки

увенчаны

сu111волами:

алхим ич ескими

повареююй

соли

(ключ) , квасцов (фонарь), на­ шатыря

(солнце} ,

жел ешого

купороса (звезда) и селитры (корона с луной) . Ры ба в огне

-

символ ртути и серы .

ется разрушить за щитны й слой многих малоактивн ы х металлов. Напри­

Ри супок из ю1иги ученого

мер , н анеся ка п л ю ртути на поверхность алюминия , мож но заставить его

И. Голланда.

XV в.

бурно реагировать с водой. Амальгамы применяют для получе ния из руд и очистки многих металлов ,

в том числе благородных. В амальгамах металлы сохраняют свою хими че­ скую индивидуальность. Н а пример , амальгама натрия реа гирует с водой

так же, как металлический натрий , выделяя водород. Одн овременно полу­ чается гидроксид натрия

NaOH.

Од н ако присущие металлам реакции в

слу чае амальгам протекают гораздо спокойнее, и это их свойство часто ис­ пользуют , проводя синтез новы х соединений. •

Серная радуга и серная тянучка. Многие элеме нты суще­ ствуют в виде нескольки х различных простых веществ , и сера не является

исключением . При обычных усл овиях она представляет собой мелкие кристаллы желтого цвета. Большие прозрачные желтые кристаллы серы можно вырастить при медленном испарении ее раствора в сероуглеро­

CS 2• Это ромбическая сера , устойчивая при обычных условиях. При на­ 95,4 °С ромбическая сера превращается в моноклинную, ко­ торая существует при более высокой температуре, вплоть до 119,3 °С . Кри­ де

гревании до

сталлы моноклинной серы имеют игольчатую форму . Их можно получить из расплава серы, но при комнатной температуре они со временем пре­

вращаются в скрепленные между собой микрокристаллики ромбической Галенит и сфалерит на кварце.

серы.

И ромбическая , и моноклинная сера состоят из молекул состава

S8 ,

име­

ющих форму короны.

Можно получить и другие формы серы. При быстром охлаждении паров серы жидким азотом образуется « Пурпурная » сера , а из раствора в бензо­

ле С 6 Н 6 выделяется « перламутровая » . Сера может быть также оранжевой

МЕТNIЛЫ И НЕМЕТNIЛ Ы

77


и лимонно-желтой. Все эти формы различаются составом циклических молекул , который может меняться от

S4 до S20 • 119,3 °С. Жидкая сера, нагретая до

В обычных условиях сера плавится при

140 °С, приобретает светло-желтую окраску и чрезвычайную подвижность, 160 °С она превращается в темно-коричневую вязкую массу, пото­ му что кольца молекул S8 разрываются, а затем соединяются в цепочки.

а выше

Если коричневый расплав серы вылить в холодную воду , получится тягу­ чая пластическая сера, которая сохраняется не более часа , после чего по­ степенно превращается в ромбическую серу.

Если жидкую серу продолжать нагревать, то при температуре выше она, оставаясь коричневой, вновь становится подвижной

цепочки рвутся. При температуре кипения держат от

(444,6

-

300 °С

полимерные

°С) молекулы серы со­

2 до J2 атомов. •

Ртутные цепочки. Образование цепочек из атомов неметаллов не -

редкость. Достаточно вспомнить, что вся необъятная органическая химия

это химия углеродных цепей. Однако связи металл-металл встречаются до­ вольно редко и, как правило, только в комплексных соединениях.

Однако для ртути такие связи обычны .

Ртуть философов, или алхими ­ ческий дракон . Со старинного рисунка.

Ртуть

находится во JIБ-группе Периодической системы вместе с цин­

ком

кадмием

Hg Zn и

Cd.

Для этих трех элементов характерна степень окис­

ления +П. Для цинка и кадмия она

мий(ll) и ртуть(l

1)

-

единственная. Цинк(II), кад­

образуют оксиды, сульфиды и многочисленные соли.

Правда, и здесь ртуть отличается от своих соседей.

Обычно растворимые в воде соли

-

галогениды металлов полностью дис­

социируют, образуя катионы и анионы. Но хлорид ртути(II)

HgCl 2,

с древ­

них времен известный под названием «сулема » , растворяясь в воде, почти

не образует ионов. Такое соединение нельзя назвать солью, это скорее комплекс. И это не единственная особенность ртути. В отличие от цинка и кадмия , ртуть образует целый ряд соединений , где сте­

пень ее окисления

+I.

Это , например , « каломель» (дихлориддиртути

Hg2Cl 2).

Фрагмент, состоящий из двух атомов ртути с ковалентной связью между ними , имеется во всех соединениях, содержащих ртуть

(1),

и называется

кластером.•

«Серная печень» и цепи из атомов серы. Цепочки из атомов серы можно встретить не только в простых веществах. Известно

множество полисульфидов став

H2S" и

-

солей сульфанов (соединений , имеющих со­

родственных сероводороду). Выделены и изучены сульфаны ,

содержащие до восьми атомов серы , соединенных в цепочку , на концах

которой находятся атомы водорода. Сульфаны представляют собой жел­ Структура молекулы

Sa-

тые маслянистые тяжелые жидкости с резким запахом.

Полисульфид с наибольшим содержанием серы

сульфид аммония

(NH 4) 2S9•

-

ярко-красный нона­

Низшие полисульфиды аммония

и оранжевого цвета. Самые устойчивые из этих соединений

-

желтого дисуль­

фан

H 2S2 и дисульфиды, например N~S 2 • В природе встречается упоминав­ шийся ранее пирит FeS 2 - один из основных железосодержащих минералов. С давних пор использовали «серную печень>) - смесь полисульфидов на­ трия, которую получали сплавлением серы с содой. Эту зелено-бурую массу, растворимую в воде, применяли в кожевенной промышленности для удаления шерсти со шкур.

Кристаллы ромбической и мо­

Цепочки из атомов серы могут входить в состав политионатов. Это соли

ноклинной серы.

неустойчивых политионовых кислот

78

химия

H03S-S"-S0 3 H.

Их устойчивость


резко падает с увеличением числа атомов серы, но тем не менее это впол­

не реальные химические соединения .

с

ера и каучук. стал известен

1738 r.,

Сера, ртуть И ЖИЗНЬ. Сера относится к числу биоэлементов .

Каучук

Европе в

когда Пари жской ака­

демии наук были представле­ ны образцы изделий и описа­

Она играет важную роль в жизнедеятельности растени й и животных. Се­

ние

ра входит в состав некоторых аминокислот, образующих животные и рас­

рального каучука из сока бра­

тительные белки.

Через атомы серы соединяются фрагменты сложных белковых молекул и

цепи

двойной

спирали

ДНК

В молекулах многих ферментов

(дезоксирибонуклеиновой

-

кислоты).

биологических катализаторов

тоже

-

способа

зильской

добычи

гевеи.

нату ­

Но приме­

нять его стали лишь после то­

го , как в

1823

г. шотландский

химик и изобретатель Чарльз

Макинтош нашел для этого

есть сера.

вещества подходящие раство­

Сера

рители и изготовил непромо­

-

составная часть лекарств, например сульфамидных препаратов и

антибиотиков. Некоторые присыпки и мази содержат серу. Широко ис­

каемую ткань, двух

слоев

состоящую

материи,

из

соеди­

пользуются сероводородные грязи и ванны. Хотя сероводород , известный

ненных

своим

Но эта одежда оказалась не

неприятным

запахом,

ядовит ,

в очень низких концентрациях он

-

одни из основных загрязнителей окру­

жающей среды. При сжигании топлива, в металлургических процессах и

химических прои зводствах, связанных с обжигом сульфидов, образуются большие количества ди оксида серы

S02 ,

часть которого попадает в атмо­

сферу. Именно он вызывает кислотные ДОЖДИ -

ВОДНЫЙ раствор

so2

представляет собой кислоту . Как ни странно, в живых организмах довольно много ртути : столько же ,

сколько и жизненно необходимого кобальта, входящего в состав молекул кобаламина

-

витамина В 12 • Содержание ртути в почве почти такое же.

Ежедневно человек поглощает с пищей

каучука .

очень удобной: в жару ткань

оказывается полезен при многих заболеваниях. Вместе с тем соединения серы

раствором

0,02-0,05

мг ртути. Это количе­

ство не опасно. А вот увеличение ртутной дозы чаще всего приводит к от­

равлению, порой со смертельным исходом. До сих пор биологическая

распол з алась

и

становилась

липкой, а на морозе треска­

лась. В

1839 r.

американский

химик Чарльз Гудьир обнару­ жил, что добавка серы к при­ родному

каучуку

и

нагрева­

ние смеси изменяет его свой­ ства :

он становится жестче и

прочнее ,

сохраняя

упругость,

-

при

этом

получается

но­

вый материал (рез ина). Так

был

открыт

процесс

вулканизации каучука , а че­

ре з пять лет на это изобрете­

ние был выдан патент . Вул­

роль этого вещества до конца не выяснена, но уже хорошо известно, что

канизация приводит к обра­

оно пагубно влияет на поглощение и обмен многих микроэлементов и

зованию

активность ферментов.

в

Ртуть легко испаряется , ее пары моrуг проникнуть в организм через кожу

молекулы

и легкие. Ядовито и большинство соединений ртути. Время от времени в разных частях планеты появляются очаги ртутного за­

ражения. Самый известный случай массового отравления ртутью

сетчатых

которых

структур,

длинные

каучука

макро ­

«с шиты »

между собой атомами серы .

При этом эластичность кау­ чука заметно увеличивается.

«син­

Вскоре после этого Нельсон

дром Минамата » . Сотни жителей этого японского города пострадали ,

Гудьир (брат Чарльза Гудьи­

долгое время

питаясь рыбой , выловленной

в заливе,

-

вода которого

содержала ртуть .

Тем не менее загрязнение окружающей среды ртутью продолжается. Толь­

ра) длительным нагреванием при более высокой темпера­ туре смеси каучука с большим количеством

серы

получил

ко из разбитых термометров ежегодно вытекают десятки тонн этого метал­

эбонит («роrовый каучук» )

ла . Около половины всей добываемой ртути теряется в процессе промыш­

одну из первых пластмасс .

-

ленной переработки. До сих пор природа справлялась с потоком этого жидкого металла , но возможности ее самоочищения не безграничны.

Серная кислота и металлы. Важнейшее химическое соеди­ - серная кислота H 2S04 • Это сильная кислота, проявляющая

нение серы

свойства, характерные для данного класса химических веществ , и в то же

время сильный окислитель.

Серная кислота реагирует с большинством металлов , но в зависимости от ее концентрации и положения металла в ряду напряженийскорость и про­ дукты реакции моrуг существенно различаться .

Особенно активно идет процесс со щелочными и щелочноземельными

металлами. В

1808 г.

английский химик Гемфри Дэви наблюдал , как впер-

Самородная сера.

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

79


Е

сли пролили ртуrь. Жид­ кая ртугь используется во

многих приборах , самый рас­ пространенный из которых

-

обычный медицинский тер­ мометр. Что же делать со рту­ тью ,

если термометр

или

со­

держащий ее сосуд разбились? Прежде всего нужно помнить, что бесполезно пытаться со­ брать пролившуюся ртуть ве­ ником или тряпкой : она распа­ дется на множество мельчай­

ших капелек и бороться с ними будет еще труднее . Нужно ак­ куратно

поднять каждую

кап­

лю с помощью листа бумаги и

поместить в баночку. выливать

ртуть

в

Нельзя

канализа­

цию - она останется в изгибах труб и все равно будет отрав­ лять атмосферу: доказа но , что ртугь

испаряется

даже

из-под

вые полученный им металлический барий тонет в концентрированной серной кислоте, а затем всплывает, окруженный пузырьками выделяюще­ гося газа.

Калий и натрий взаимодействуют с разбавленной серной кислотой со

взрывом . Даже при охлаждении до

-50 °С

происходит воспламенение вы­

деляющегося водорода. Лишь вблизи температуры замерзания кислоты (для 35-процентной

H2S04 она

ниже

- 70 °С)

реакция прекращается.

А вот с концентрированной серной кислотой натрий реагирует медлен­

нее, чем с водой. Но реакция с калием все равно может закончиться взры­

вом. Среди прочих продуктов в результате данных реакций образуются сульфиды этих металлов:

8Na + 4H2S04= Na 2S + 4Нр + ЗNa 2 S0 4 8К + 4H 2S0 4 = K2S + 4Нр + ЗК 2 SО 4 Немец Роберт-Вильгельм Бунзен (1811-1899) и француз Анри Муассан ( 1852- 1907) провели немало опытов с серной кислотой. Они установили , что кальций и стронций могут восстанавливать серную кислоту до д иокси­

да серы , серы и сероводорода. Такие же продукты образуются при взаимо­

слоя воды. Баночку с ртутью необходимо плотно закрыть и

действии концентрированной серной кислоты с цинком. Оказалось , что

закопать подаль ше от жилья.

реагирует, а при

Можно засы пать место,

где

была пролита ртугь , мелким порошком серы ( « Серным цветом»). Ртугь Hg ре аги рует с серой S при комнатной температуре, образуя очень устойчивый и малораствори­ мый сульфид HgS:

Hg + S = HgS

при комнатной температуре магний с концентрированной кислотой не

170 °С

восстанавливает ее до д иоксида серы.

Немецкий химик Фридрих Велер , получив в

1827

г. металлический алю­

миний, изучал взаимодействие этого элеме нта и с серной кислотой. П о­ верхность алюминия покрыта плотной защитной пленкой оксида , поэто­

му разбавленная серная кислота на него почти не действует. При увеличе­ нии концентрации кислоты скорость реакции сначала немного увеличи­

вается, но затем снова замедляется. Холод ная концентрированная серная кислота совсем не реагирует с алюминием, а вот горячая взаимодействует довольно активно :

2AI + 6H 2S04= Ali S04)3+ зsoJ + бНР Железо интенсивно реагирует с растворами серной кислоты, выделяя во­

дород , если ее концентрация не превышает

60%.

При более высоких кон­

центрациях скорость реакции резко снижается. Действие концентриро­ ванной серной кислоты на железо и зу чали многие химики , в том числе и

секретарь

П арижской академии

наук

Марселен

Бертло

( 1827-1907).

Оказалось , что в случае 92-процентной кислоты идет медленная реакция , причем в зависимости от температуры среди продуктов можно обнару­ жить водород , диоксид серы и серу. А безводная серная кислота и ол еум

(раствор триоксида серы в серной кислоте) не действуют на железо . Они

пассивируют этот металл даже при температуре кипенИя (поверхность железа покрывается тончайшей защитной пленкой оксида железа). По­ этому серную кислоту можно хранить и перевозить в стальных емкостях,

нуж н о лишь следить , чтобы туда не попадала вода . Концентрированная серная кислота проявляет окислительные свойства, поэтому она способна реагировать с металлами, стоящими в электрохи­

мическом ряду напряжений правее водорода. Н апример, для отделения серебра от золота используют способность первого растворяться в горячей концентрированной серной кислоте:

2Ag + 2H2S04= Ag 2S04 + S0 2t+ 2Нр Образующийся сульфат серебра при охлаждении раствора кристалли­ зуется. •

80

химия


САМЫЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МЕТАЛЛЫ В группу щелочных металлов входят литий Li, натрий Na, ка­ лий К, рубидий Rb, цезий Cs и франций Fr. Их обьединяет стро­ ение атомов, а также сходство химических и физических свойств. В Периоди ческой системе Менделеева группа щелочн ых металлов обозначена как /А. Их ат омы имеют на внешнем элек­ тронном уровне только один электрон, перемещающийся внут ­ ри сферической s-атомной орбитали.

Всего известно ш есть щелоч ных металлов, и каждый из них возглавляет один из периодов табли­ цы Менделеева . Эти элементы легко отдают свой единствен­ ный электрон и потому всегда проявляют только одну сте­

пень окисления

+1. Среди них можно найти и самый легкий

металл, и единственный металл , взаимодействующий с азо­ том, и тот , который легче других теряет свой электрон, и ме-

таллы, взрывающиеся при соприкосновении с воздухом. Словом , все щелочные элементы

-

самые металлические из металлов. •

« ЩеЛОЧНОЙ камень». В

Цезий в запаянной ампуле. Это

1800 г. бразильский минералог Андра­

де да Сильва нашел два новых минерала , которые заинтересовали Йохана Арведсона, шведского химика-аналитика. В

1817

один

из немногих металлов,

имеющих золотистый цвет .

г. он произвел полный

химический анализ одного из них и обнаружил там кислород О, кремний

Si Al. Однако суммарное содержание этих элементов составляло только 96% - 4% не хватало. После того как ученый выделил из минерала и алюминий

кислородные соединения алюминия и кремния, остался какой - то белова­ тый оксид, растворимый в воде и придающий ей щелочные свойства . Ар­

ведсон назвал его «огнепостоянной щелочью » и сделал вывод, что это со­ единение нового , ранее неизвестного элемента.

Другой шведс кий химик, учитель Арведсона Йене-Якоб Берцелиус, предложил назвать новый эле мент «л итионом » (от греч. «литое»

о

пасны й калий. В 1807 г. английский химик Гем­

фри Дэви , пропуская элект­ рический ток по платиновым эле ктродам,

погруженным

в

расплавленный гидроксид ка­

«ка­

лия КОН , обнаружил у катода

мень»), ведь в отличие от калия и натрия новая « щелочь» была найдена в

маленькие серебристо-белые

царстве камней.

капли какого-то неи з вестного

Позднее этот элемент, который получил имя «литий» и символ

Li,

-

обнару­

жили в других минералах, минеральных источниках, морской воде , в та­

баке и лютиках ... По распространенности в земной коре литий занимает

28 В

место. В природе его больше, чем олова Sп, свинца РЬ , ртути

1818

Hg и

иода

1.

г. английский химик Гемфри Дэви электролизом расплава гидро­

ксида лития

LiOH получил в небольшом количестве металлический литий. Серебристо-белый литий оказался самым легким из металлов - в пять раз

металла , которые, увеличива­ ясь,

загорались

и

мелкими

брызгами с треском разлета­

лись по лаборатории . Нема­ ло

дыр

наделали

они

в

кос­

тюме Дэ ви ... Н е з ная химиче­ ских свойств выделенного им

калия,

Дэви

однажды

для

охлаждения погрузил тигель с

легче алюминия и почти в два раза легче воды. П оэтому литий должен

ним в воду. Вода попала на

плавать на воде и даже на керосине, как металлическая «Льди н ка» .

металл,

Спортивный одноместный самолет , построенный из лития , могли бы лег­ ко поднять два человека. Однако этот металл не годится ни для самолетов, ни для судов.

и

тотчас

раздался

взрыв. Осколки тигля и капли расплавленного калия попали

Дэви в лиuо. Он потерял пра­ вый глаз и получил глубокие

Литий можно прессовать, прокатывать в проволоку , резать ножом , хотя

раны , шрамы от которых ос­

он тверже остальных щелочных металлов. По сравнению с ними у лития

тались на всю жизнь. •

наиболее высокие температуры плавления

( 180 °С) и кипения (почти МЕТАЛЛ Ы И Н ЕМЕТАЛЛ Ы

81


1330 °С) .

В

1818

г. немецкий химик Леоnольд Гмелин

( 1788- 1853) устан о­

вил , что nары лития имеют ярко-красный цвет, а его соли превращают

бесцветное пламя в малиново-красное. Поздне е эту особенность металла стали использовать для обнаружения его в различных веществах.

Литий на воздухе. Гемфри Дэви, впервые получивший металли­ ческий литий, нич его не знал о его химических свойствах. Он оставил бле­ стящий кусочек этого металла в открытой чашке, намереваясь продолжить опыты с ним после поездки в Италию. Вернувшись в Лондон nосле долго­ го отсутствия , Дэви не обнаружил в чашке лития. В место него там находи­ лось тем но -серое вещество с зеленоватым оттенком, от которого после до­

бавления нескольких капель воды распространился запах аммиака.

Позже химики установили, что литий на воздухе взаимодействует с атмо­ сферным азотом, превращаясь в нитрид лития

Li 3 N.

Ни один другой ме­

талл н е обладает подобными свойствами. С водой нитрид лития реагиру­ ет, выделяя аммиак

NH 3 и ЦN

Галит.

превращаясь в гидроксид лития

LiOH:

+ 3Нр = 3LiOH + NH)t

Однов рем енно с нитридом лития образуется оксид лития

Li 20,

реагирую­

щий с влагой воздуха с nолучением опять-таки гидроксида лития . Он жад ­ но ПОГЛОЩает ИЗ воздуха ДИОКСИД углерода С0 2 И nревращаеТСЯ В карбонат

лития

Li 2C03:

Lip + Н р = 2LiOH 2LiOH + СО 2 = Li 2C0 3 + Нр Именно смесь карбоната лития с небольшим колиt1еством нитрида лития

обнаружил Гемфри Дэви, вернувшись из Италии. •

Вода , водород и галогены не дают литию покоя. С водой литий реагирует менее энергично, чем д ругие щелочные метал­ лы,

-

без плавления и вспышки. Но если, например, сделать из него чай ­

ную ложку, то в горячем чае она сразу же исчезнет без остатка. Литий ре­ агирует с горячей водой бурно

-

выделяется водород, который воспламе­

ня ется, а сама ложка может даже взорваться! Пр и нагревании литий взаимодействует и с водородом

рид лития

-

получается гид­

LiH : 2Li +

Н2

= 2LiH

Калий реагирует с водой с вос­

В этой реакции водород ведет себя как окислитель, отнимающий у лития

пламенением.

эле ктроны и образующий гидрид-ионы н - , которые несут отрицательный

Индикатор фе­

нолфталеи11 окрашивает рас­ твор в малиновый цвет (ще­

лочная среда) .

зарнд. Гидрид лития еще чувствительнее к присутствию влаги, чем метал­ лический литий, в воде он тотчас воспламеняется, и происходит взрыв:

LiH + нр = LiOH + н 2 t LiOH . F2 литию лучше не В атмосфере хлора Cl 2 литий воспламе­

В результате реакции получаются водород и гидроксид лития А как чувствует себя литий в среде галогенов? С фтором соприкасаться

-

неизбежен взрыв.

няется , нередко со взрывом. Попав в жидкий бром Вг2 , литий плавает на его поверхности и горит ярко-желтым nламенем, обрастая коркой бесцвет­

ного бромида лития

LiBr.

С порошком иода

12 литий

не взаимодействует

даже при растирании; для начала реакции смесь надо нагреть. Продукты реакций лития с галогенами бромид

82

химия

LiBr и

иодид

Lil, -

-

галогениды лития: фторид

LiF, хлорид LiCI,

бесцветные кристаллические вещества.•


Калий и натрий

дети поташа и соды. Еще в глубокой Na 2C0 3 и конечно же , хлорид натрия NaCI - поваренная

-

древности человеку были известны карбонаты натрия и калия К 2 СО 3 (сода и поташ) и ,

соль (галит).

Металлические натрий

Na

и калий К впервые получили только в

1807

г.

т

опливо для ионных дви­ гателей.

Легко ст ь пре­

вращения атомов цезия

в ио ­

ны, их большая масса и срав­

нительно низкая

(686 °С) тем­

пература кипения цезия

при­

Это удалось сделать Гемфри Дэви электролизом расплава гидроксидов на­

влекли внимание конструкто­

трия и калия в платиновой чашке, служившей одновременно и катодом.

ров двигателей для

Эти гидроксиды в расплаве распадаются на ионы:

нетных

межпла­

космических

кораб-

лей.

NaOH

= Na+ +о н -

Принцип

действия

ионных

двигателей состоит в следую­

КОН =к+ + он -

щем. Из хранилища-бака це ­

Катионы получают от отрицательного электрода (катода) недостающие им

зий поступает в испаритель , а

электроны и превращаются в металлы, всплывающие на поверхность рас­

затем в ионизатор , где остав­

плава:

ляет свои внешние эл ектроны

Na+ + е- = к+

+ е- =

(по одному из каждого атома) .

Nа 0 (ж)

Цезий превращается в иони­

К 0 (ж)

зированный газ, который раз­ гоняется

электрическим

по­

А гидроксид-ионы отдают свои отрицательные за ряды графитовому аноду

лем до большой скорост и

(положительному электроду), погруженному в расплав. При этом они пре­

выбрасывается щей

вращаются в кислород и пары воды:

4он - - 4е

камеры

и

из ускоряю­

в космическое

пространство. Тем самым со­

= 0 2t + 2нрt

здается тяга двигателя.

Для ионных двигателей тре­

По распространенности в природе натрий и калий занима ют среди прочих

буется

элеме нтов соответственно шестое и седьмое места. Они присутствуют в

без примеси других щелочных

виде химических соединений всюду, кроме, пожалуй, атмосферы. Только

металлов ,

в воде морей и океанов содержится

вия

1 · 1О 1 6 тонн

солей натрия.

И натрий, и калий имеют серебристо-белый цвет, но натрий, когда он тщательно очищен, приобретает розоватую окраску. С водой натрий и ка­

очень чистый

цезий,

ухудшающих

ионизации

и

щих ресурс двигателя. ные

двигатели

усло­

уменьшаю­

Ион­

непригодны

для взлета ракеты с Земли, их

лий бурно реагируют, выделяя значительное количество теплоты. От это­

применяют только для манев­

го они плавятся и воспламеняются:

рирования и полета космиче­

ского корабля в открытом кос­

2Na + 2Нр = 2NaOH + H2t 2К

+ 2нр = 2КОН +

мосе.

нJ

Расчеты

показывают,

что на цезиевом топливе мож­ но

проделать

путь

в

сто

раз

Капелька расплавленного натрия или калия «бегает» по поверхности воды,

больший, чем на таком же ко­

ее подталкивает выделяющийся водород. Если к воде добавить несколько

личестве любого другого топ­

капель бесцветного спиртового раствора индикатора фенолфталеина, за

лива. •

бегающей капелькой потянется малиново-красный шлейф, свидетельству­ ющий о появлении в воде растворенного гидроксида натрия или калия. Та­ кая капелька, прилипая к краю сосуда, с треском взрывается.

Химическая активность калия и натрия очень высока. На воздухе серебри­ сто-белая поверхность металлов быстро тускнеет из-за образования не­ скольких соединений с разным содержанием кислорода.

Расплавленные металлы на воздухе загораются. Их ослепительное пламя окрашено в разные цвета: у натрия

не-фиолетовый. В атмосфере озона

- в желтый, а у калия - в слабый си­ 0 3 металлы вспыхивают и горят, а так­

же часто взрываются, оставляя твердый продукт реакции в виде темно­

красных порошков

-

озонидов натрия и калия

(Na0 3 и К0 3 ) . F2 со взрывом, а в хлоре Cl 2 бром Br2, на удивление спо­

Оба металла воспламеняются в атмосфере фтора горят. Кусочек натрия, брошенный в жидкий

койно плавает на поверхности этого сильного окислителя , и не думая отда­

Калий в запаянной ампуле.

вать ему свои электроны. Взаимодействие натрия с бромом по реакции :

2Na + Br2 = 2NaBr МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

83


о

блака из цезия. Облака из ионизированного

зия создают на высоте

це­

70-

километров для удобства

100

передачи секретной военной

или

промышленной

инфор­

начинается только при нагревании. Кусочки калия лучше в бром н е бро­ сать: реакция и дет столь бурно, что сосуд может разлететься на части, и

экспериментато ру в этом случае не поздоровится. С иодом

12

натрий в

обычных условиях не реагирует, а смесь калия и иода при растирании взрывается. •

мации. Эти облака отражают радиоволны ,

как

природная

ионосфера , а обнаружить их очень трудно, т. к. они служат

-

недолго

дается

только пока пере­

и

принимается

сооб ­

« Цветные» имена металлов. Цезий Cs был открыт в 1860 г. нем ецкими учеными Робе ртом Бунзеном и Густавом Кирхгофом при по­ мощи спектроскопа. И сследуя сухой остаток , получившийся после выпа­ ривания воды минерального источника, они обнаружили в спектре две не­

щение. Подобная система от­

известные голубые линии. Так появился повод назвать новый элемент це­

ражения

зием: слово

дает

возможность

использовать радиосвязь всех видов,

включая

телевизион­

ный диапазон .

caesius у древних

римлян означало « голубой цвет неба» .

Год спустя Бунзен и Кирхгоф, изучая спектр одной из солей калия, увиде­ ли в нем две новые линии, лежащие в самой дальней , красной части спек­

Цезиевое ионизированное об­

тра. Ученые назвали новый элемент рубидием

лако создается с помощью ра ­

но-красный » ).

кеты

в

конкретном

месте,

на

заданной высоте и в опреде­

ленное время.

При ра з рыве

ракеты цезий превращается в пар

и

одновременно

ионизи­

Rb

(от лат. ruЬidus

Металлический рубидий впервые выделил Бунзен в чить только в

1882

CsCN

в ап п арате, наполненном азотом (чтобы за­

В о время вьетнамской войны

По распространенности на Земле рубидий занимает

ретных сообщений пользова­ службы

связи

армии

С ША. Цезиевые облака « ра­

17 место среди всех элементов , его содержание в земной коре составляет 0,03%. Это н емало: почти столько же на Земле и азота . Цезий находится только на 42 месте, но зато, в отличие от рубидия, у него есть собственные минералы.

ботал и » при любых атмосфер­

Рубидий

ных условиях , днем

ми нералах, и разделить эти два элемента

а

возможность

формации

и НО'!ЫО,

перехвата

была

ин ­

полностью

исключена.

1863 г. восстановле­

г . шведскому химику Карлу Сеттербергу электролизом

расплава цианида цезия

щитить расплавленный цезий от кислорода воздуха).

лись

«Тем­

нием одной из его солей углеродом. А металлический цезий удалось полу­

руется.

этим способом передачи сек­

-

-

рассеянный элемент, постоянный спутник калия во всех е го

-

одна из самых сложных анали ­

тических и технологических задач.

Если цезий встречается в природе только в виде стабильного изотопа с

Масса цезия, заключенного в

массовы м числом

133

(цезий- 1 33), то рубидий состоит из смеси изотопов

контейнере ракеты , составля­

с массовыми числами

ла

д иоактивн ы й изотоп руби дий-87 (период полураспада

85 и 87. Это стабильный изотоп рубидий-85 и ра­ 6 · 106 лет). При ра­

2- 1О

связь

в

кг: если требовалась течение

хватало и

3

двух

ч асов,

кг. П отом при не­

обходимости запускали

д иоактивном распаде рубидий-87 превращается в стронций-87, выбрасы-

еще

одну ракету , но в но вом месте

и на др у гой высоте.

Лучи света

Применение цезия .

1-

2 -

цезиевый фотоэлемент; система передачи инфор ­

мации

с помощью

искусствен­

ного облака из ионизированного цезия .

84

химия


вая Р-частицы (электроны) . В результате распада радиоактивных изото­

щ

елочной элемент фран­

искали

ловое излучение нашей планеты в космос на

щелочных

мя элементами

Защита

-

3/ 4

обеспечивается четырь­

калием , рубидием, ураном и торием.•

керосин. Серебристо-белый металлический рубидий

-

мягкий, как воск ; золотистый цезий еще более мягок. Температура плав­

ления рубидия

39 °С ,

цезия

- 29

°С. Оба металла тяжелее воды. Пары ру­

Fr

ций

пов калия и рубид ия выделяется очень много теплоты. Считается , что теп­

в

металлов ,

можно наблюдать только в вакууме , т. к . в воздухе они загораются со

актиния Ас.

нением , а цезий ские пероксид ы

- даже со взрывом, образуя белые мелкокристалличе­ (Rbp 2 и Csp 2) и надпероксиды (Rb0 2 и Cs0 2). Поэтому

их хранят под слоем обе з воженного керосина или вазелинового масла .

Любое соприкосновение этих металлов с воздухом опасно дл я эксп е ри­ ментатора , поэтому манипулировать с ними приходится тоже под « защи­

той » упомянутых жидкостей.

радиоактивного

1885

г. сообщили об од ном и х

опасном свойстве . Когда эти металлы пытались защитить от окисления ,

помещая в сосуды с д иоксидом углерода со2 (который , как известно , не поддерживает горения), то сосуды разнесло на куски , а всю лабораторию

распад а

В 1938 г. ученица Марии Скло­ довской-Кюри француженка Маргерит Пере подтвердила наблюдения Крэ нстона . Акти­ ний-228 действительно испус­ кает а-частицы (ядра атомов гелия) и превра щается в эл е­ мент номер 87. В 1939 г. Пере официально объявила о свое м открытии , а ч е ре з

Химики, и зучавшие рубидий и цезий , еще в

соле­

щелочной элемент в продук­ тах

Твердые рубидий и це з ий на воздухе мгновенно окисляются с воспламе­

других

в

ной воде Мертвого моря, в та­ бачном пепле и даже в грибах. Английский химик Джон Крэ нстон первооткрыва­ тель протактиния Ра, в 1918 г . первым обнаружил новый

бидия и цезия окрашены в интенсивный зеленовато-синий цвет, который

взрывом.

химики долго

минералах

с е мь

н аз вать

лет

пре дл ожила

элемен т в ч есть своей род ины . Фра нций

Fr

новый

ока зался посл ед ним хими­

ч е ским

элемен том ,

н а йд ен­

ным в природ е.

засыпало сажей. Оказалось , что оба металла восстанавливают СО 2 до угле­

Н а Земле чре з вычайно мало франция во всей земной

При этом выделяется много теплоты , так что реакция идет очень бурно ...

роткоживущий

рода, а сами окисляются, превращаясь в надпероксид ы

Rb0 2 и Cs0 2•

коре не более

500

г . Это ко­

рад ио а ктив­

Бунзен , получив металлический рубидий, решил сохранить его под сл оем

ный элем е нт , его период по­

обезвоженного тетрахлорида углерода СС1 4 , но потерпел неудачу. Как

лур а сп ада лишь 22 минуты. Щел очной металл франций в обычных условия х жид кий и

только в специальной камере с сухим азотом первый кусочек металла был

опущен в склянку с СС1 4 , произошел взрыв, и камера внутри вся почерне­ ла от выделившегося углерода :

4Rb +

СС1 4

= 4RbCI

Цезий реагирует с СС1 4 еще более энергично.

ским свойствам похож на це­

зий , но еще более опасен в обращении , т . к . на во зд ухе

немедленно взрывается.

Рубидий, цезий, вода и аммиак. Даже небольшие кусочки рубидия и цезия (размером с горошину) не следует бросать в воду: метал­ лы взаимодействуют с ней активнее, чем с кислородом воздуха. Даже при

контакте со льдом при температуре

похож на ртуть , только с жел ­

товатым оттенком . Он п л а­ вится при 19 ° С , по химиче­

-50 °С происходит их воспламенение,

Маргерит Пере начала рабо­ тать лаборанткой у Марии Кю­ ри в 1929 г . , когда ей было все­

го

20

лет . В обычных резино­

вых перчатках она выполняла различные химические опера­

а выделяющийся водород вспыхивает и горит красно-фиолетовым пламе­

ции с высокорадиоактивными

нем. Уравнения реакций мало что скажут о реальной опасности их прове­

веществами,

дения :

2Rb + 2нр 2Cs + 2нр Зато в жидкий аммиак

= 2RbOH + н 2t =

2CsOH + нJ

NH 3 при температуре -33 °С

явились

кусочки рубидия и це­

зия можно бросать без опасений: оба металла ведут себя спокойно и обра­ зуют растворы синего цвета, обладающие электронной проводимостью.

При хранении эти растворы постепенно обесцвечиваются в результате об­

разования амидов рубидия и цезия

RbNH 2 и CsNH 2•

ляется водород:

2Rb + 2NН 3 (ж) 2Cs + 2NН 3 (ж)

= 2RbNH 2 + H2t = 2CsNH 2 + H2t

При этом еще выде­

повторяя

опыты

своей наставницы. Открытию франция предшествовали ты­ сячи экспериментов. После этого Пере заболела; у нее по­ признаки

радиодер­

мита, кожной болезни, кото ­ рая вскоре распространилась и

на костную ткань. Врачи кате­ горически запретили Марге­ рит работу с радиоактивными веществами, и она уехала в де­

ревушку на Лазурном берегу Средиземного моря. Там в не­ большом домике она прожила до 1975 r. и скончалась в возра­

сте

66 лет.•

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

85


ВЕЗДЕСУЩИЙ НЕМЕТАЛЛ КИСЛОРОД Хотя кислород - один из самых распространенных химических элементов, его открытие пришлось лишь на конец XVIll в. Ус­ тановить состав и природу этого вещества никак не удавалось, хотя люди, сами того не зная, постоянно использовали кислород, разжигая костры или освещая горящими свечами свои жилища .

Кислород подцерживает дыхание и горение , без него невозможна жи з нь.

300 лет

назад химики считали, что этот эл емент «по­

- « кислород» ). ( 1743- 1794) первым исполь­

рождает кислоты » (отсюда идет его русское название Французский химик Антуан-Лоран Лавуазье зовал латинское название

oxygenium -

« кислотообразующий».

4 млрд лет назад атмосфера Земли состояла из азота N2 , диоксида углерода СО 2 и водорода Н 2 • Кислород стал составной частью га­ зовой оболочки нашей планеты значительно позднее - после появления в Считается , что около

морской воде сине-зеленых водорослей, которые усваивали водород из воды и углерод из растворенного в ней диоксида углерода в ходе особого Опыт

Джозефа

Пристли

с

цветком и свечой показал, что

рода фотосинтеза.

Этот процесс сопровождался выделением кислорода. Постепенно его со­

21 % (по

растения на свету поглощают

держание в атмосфере достигло

углекислый

ки, автомобили и множество дышащих кислородом живых существ , со­

газ

и

выделяют

кислород.

став воздуха практически не менялся.

объему), и , несмотря на все печ­

Как был открыт кислород? в 1772 г. шведский химик Карл

и

15%

нтересно , что при содер­ жании в атмосфере менее

кислорода горение ста­

новится

невозможным.

На­

оборот, если

бы

кислорода

стало больше

30%,

первый же

удар молнии сжег бы на Земле

Шееле сумел получить кислород разными способами:

• взаимодействием диоксида марганца форной Н 3 Р0 4 или мышьяковой

•термическим разложением оксида ртути

2Hg0

На долю кислорода приходит­

зе мной коры

(47 ,4%).

В со­

• или карбоната серебра

став атмосферы входит около

78%

азота и

инертных газов, диоксида уг­ лерода и паров воды.

Если кислород

-

первый по

распространенности на Земле элемент, то почему же он был

• или нитрата калия

в конце

XVlll

в.?

Причину

бесцветный

газ не обладает

запахом и не проявляет себя

каким-либо заметным обра­ зом при обычных условиях .

ортофос­

+ 0 2t

HgO:

Ag 2C0 3:

KN0 3

+ 2C02t+ 0 2t

и нитрата ртути

Hg(N0 3) 2:

2KN03 = 2KN0 2 + OJ Hg(N0 3) 2 = Hg + 2N0 2t + 0 2t • или оксида серебра

Agp:

открыт сравнительно поздно ,

следует искать в том, что этот

H 2S04 ,

= 2Hg + 0 2t

2Ag2C03 = 4Ag

кислорода

21 %

(по объему) , очень немного

с серной

2Mn02 + 2H 2S04 = 2MnS04 + 2Нр

все, что способно гореть. ся примерно половин а массы

Mn0 2

H3As0 4 кислотами:

2Agp

= 4Ag + 0 2t

Эти опыты были описаны ученым в книге «Химический трактат о воздухе и огне». А сам кислород Шееле назвал «огненным воздухом», посредством которого поддерживается циркуляция крови у животных и соков у расте­

ний. Он отметил, что если внести зажженную свечу под колокол, напол­ ненный «огненным воздухом>) и поставленный в воду, то «весь воздух бу­ дет потреблен, и вода будет подниматься, пока свеча не погаснет>).

86

хими я


Независимо от Шееле кислород был открыт английским естествоиспыта­ телем Джозефом Пристли. Этот ученый так описывал свой опыт: « Перво­ го августа

1774 года

Оксид ртути

я попытался извлечь воздух из ртутной окалины и на­

шел, что воздух легко может быть изгнан из нее посредством линзы. Этот воздух не поглощался водой. Каково же было мое удивление , когда я об­ наружил, что свеча горит в этом воздухе необычайно ярким пламенем. Тщетно пытался я найти объяснение этому явлению». Пристли не смог до конца понять результаты своих опытов, а сейчас , навер­

ное , каждый школьник может объяснить, что под действием тепла (линза фокусировала солнечные лучи) порошок оксида ртути

лина») разлагался на газообразный кислород Образование кислорода наблюдалось и

02и

HgO

( « ртутная ока­

металлическую ртуть

Hg.

при термическом разложении

красно-оранжевого свинцового сурика РЬ 3 0 4 :

2РЬр4

= 6РЬ0 + OJ

Жидкая ртуть

Опыты Шееле были выполнены раньше , но сведения о них опубликова­

ны позже первых сообщений о новом газе, полученном Пристли из окси­ да ртути

HgO.

Но ни тот, ни другой химик до конца не поняли сути своих

открытий , т. к. были приверженцами господствовавшей в то время «тео­

рии флогистона». Флогистоном считали гипотетическую составную часть веществ, которую они якобы теряют при горении и обжиге. Согласно этой теории, чем больше флогистона содержит данное вещество, тем

Пристли получил кислород из

оксида ртути, фокусируя на него солнечный свет с помощью

линзы. Лодочку с оксидом рту­ ти он помещал на поверхность

жидкой ртути под стеклян­

больше его горючесть. Поэтому нагревание оксида металла с углем, кото­

ным колпаком. Выделяющийся

рый считался почти чистым «флогистоном», объясняли «возрождением

газ (кислород) вытеснял ртуть

металла» с помощью этого вещества-невидимки. Научное толкование

из-под колпака в чашу.

всех наблюдаемых явлений дал французский химик Антуан Лавуазье. В конце сентября

г. Лавуазье получил от Шееле письмо, в котором

1774

тот сообщал, что при нагревании карбоната серебра

Ag2C03 получается,

кроме углекислого газа СО 2 , еще один газ, в атмосфере которого могут го­

реть свечи и существовать животные. А уже в октябре того же года Прист­ ли приехал в Париж и рассказал Лавуазье о своих опытах с оксидом рту­ ти

HgO. Лавуазье

решил последовать примеру английского химика. В сво­

их знаменитых опытах, длившихся

12 дней,

он использовал реторту с рту­

тью. Один конец реторты был соединен с сосудом, также заполненным

этим жидким металлом. Выступающий конец трубки реторты был накрыт стеклянным колпаком. Сначала были определены масса ртути и объем воздуха в приборе (в верхней части реторты и под колпаком).

Затем реторту нагревали при температуре

250-350 °С, и поверхность рту­ HgO. После окончания

ти покрывалась оранжевыми чешуйками оксида

опытов было обнаружено, что объем воздуха в приборе уменьшился. Ис­ чезнувший воздух соединялся с ртутью

Hg,

образуя

HgO

(те самые оран­

жевые чешуйки). При нагревании оксида при более высокой температуре

(около

500 °С)

снова получалась ртуть и та часть воздуха, которая пошла

на первоначальное окисление металла. Исчезающую часть воздуха Прист­ ли и Лавуазье назвали «жизненным воздухом». Кислород О

-

химический элемент VIА-группы Периодической системы,

в которую также входят сера

S, селен Se, теллур Те и полоний Ро. Поряд­ - 8. Он находится во втором периоде и располо­ фтором F. Валентных электронов, участвующих в

ковый номер кислорода жен между азотом

N

и

образовании химических связей, у кислорода шесть, но обычно он исполь­ зует всего два. В общей сложности в атоме кислорода восемь электронов (их число равно порядковому номеру элемента), а занимают они только

s-

и р-атомные орбитали ; электронная формула атома кислорода такова:

Агат

-

минерал состава

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

SiO"

87


ls2 2s2

2р4 • Кислород может отдавать свои эле ктроны только фтору

еще

-

более сильному окислителю, и никому больше! Однако атом фтора спосо­ бен принять лишь один электрон, т. к. у него имеется единственное «ва ­

кантное» место на 2р-атомной орбитали. Так происходит образование мо­

с

екрет серебряной отлив­

лекул дифторида кислорода

ки . Серебро, даже рас ­

Образуя связи во всех прочих химических соединениях, атом кислорода

плавленное, с кислородом

не

взаимодействует. Но при тем­

пературе

960 °С расплав сереб­

ра жадно поглощает кислород

OF 2•

отнимает электроны у атомов других элеме нтов. Но сколько? Только два, большего количества электронов кислороду поселить негде

-

ведь

на его внешних атомных орбиталях имеется лишь два свободных места.

и з воздуха: каждый литр жид­

Получив дополнительные электроны на 2р-атомную орбиталь , кисло­

кого серебра может при этой

род превращается в оксид-анион

температуре и обычном атмо­

сферном давлен ии растворить

почти

22 л

кислорода. К ат мо­

сфе рном у азоту серебро

не

0 2- . Так что степень окисле ния атома -11 . Теперь становится понятно , по­

кислорода в оксидах равна именно чему при образовании связей

не используются все шесть валентных

электронов.

проя вляет ник акого интереса:

Как простое вещество кислород существует в « обр азе» двухатомной моле­

н е ре а гирует с ним

кулы

и

не рас­

творяет его.

А в твердом серебре кислород

практич ески нерастворим . По ­ этому при

затве рдева нии рас­

0 2•

Есть у него и трехатомная молекула состава

03-

это аллотроп­

ная модификация кислорода , именуемая озон. Газообразный кислород

превращается в голубую жидкость только при температуре -183 °С . При - 219 °С он становится твердым светло-голубым веществом . •

пл ава растворенный кислород

выделяется подчас так бурно, что расплав как бы кипит , раз­

брызгивая вокруг металл. Знаменитый итальянский скульп­ тор и золотых дел мастер Бен ­

венуто Челлини

(1500-1571)

был хо рошо з наком с эт им яв­

лением. В

1553

г. он получил

заказ от п а пы римского на от­

ливку

большой

серебряной

Много ли кислорода на Земле? в земной коре кислорода 55%, причем в горных породах он чаще всего связан с кремнием Si и алю­ минием А1 - элементами, которые по распространенности занимают второе и третье места. Вместе с кислородом они составляют основу минералов - си­ ликатов и алюмосиликатов. А в общей сложности известно более 1400 мине­ ралов , содержащих в своем составе кислород !

В водной оболочке Земли (гидросфере)

- 86%

кислорода, ведь молекула

вод ы Н 2 О состоит из атомов кислорода и водорода. Растворимость газооб­

скульптуры высотой около ме­

разного кислорода в воде невысока: при нормальных условиях в

тра. Ч елли ни объяснил своему

ды растворяется только

ученику,

как

надо выполнить

эту работу , и уехал во Фран­ цию , где с нетерпением ждали золоту ю

статуэтку,

изготов­

1 · 10 13 т 0 2,

100 л

во­

кислорода. Всего в воде океанов и морей около

и этим кислородом дышат планктон , рыбы и д ругие обитатели

водной стихии .

Кислород входит в состав почти всех веществ, из которых построена жи­

ленную мастером для короля .

вая природа. Так , например , организм человека примерно на

Вернувшись , Челлини увидел

из кислорода.

65%

состоит

серебряную отливку в ужас ном состоянии, всю в раков инах и

трещинах , как будто и з нее вы ­

Кислород-окислитель. Кислород 0 2 -

газ без вкуса, запаха и

дували пузыри . Ученик заб ыл,

цвета . Он умеет незаметно для человека « подкрадываться » к простым ве­

с какой скоростью следовал о

ществам и крепко заключать их в свои « объятия » . Об этом можно узнать

охлаждать расплав и какое ве­

щество надо было добавить к

серебру , чтобы уменьшить рас­

творимость кислорода. Состав

по внешним признакам агрессии кислорода: вдруг вспыхнуло пламя , ра з­ дался взрыв, посыпались искры , появилась ржавчина или просто вещест­

во исчезло. Кислород образует соединения почти со всеми химическими

добавки до сих пор не разга­

элементами, кроме гелия Не , неона

да н: этот секрет Челлини не

ловиях он непосредственно взаимодействует только с белым фосфором Р4 ,

открыл никому .

Ne и

аргона Аг. Однако в обычных ус­

щелочными и щелочноземельными металлами.

Галогены от хлора

Cl 2 до иода 12 не взаимодействуют с кислородом даже N 2 вступает с ним в реакцию при очень высокой тем­ S, селен Se и теллур Те, его соседи по группе, сгорают в

при нагревании. Азот пературе, а сера

кислороде , если их предварительно поджечь. При этом образуются диок­

сиды серы , селена и теллура

S0 2, Se0 2 и

ТеО 2 •

Если нагревать медные стружки на воздухе, то они становятся черными

из- за образования оксида меди

CuO.

Этой реакцией пользуются для удале­

ния примеси кислорода из азота и благородных газов . Цинк

88

химия

Zn

и кадмий

Cd


в атмосфере кислорода при нагревании теряют свой серебристо-белый

цвет и превращаются в оксиды белого

(ZnO)

и коричневого

(CdO)

цвета.

В присутствии влаги железо медленно окисляется кислородом воздуха, превращаясь в ржавчину

-

метагидроксид железа

FeO(OH):

4Fe + 302 + 2нр = 4FeO(OH) А раскаленная железная проволока горит в кислороде, разбрасывая во все

стороны искры. При этом образуются оксид железа

дижелеза

(111) -

железа

(11)

(111) Fep3

и тетраоксид

(Fe Fe~'')0 4 :

11

4Fe + 30 2= 2Fep 3 3Fe + 20 2=

(Fe 11 Fe~ 11 )0 4

Даже уксусная кислота загорается в кислороде. Если 80-процентную ук­

сусную кислоту СН 3 СООН нагреть в пробирке до кипения , то ее пары можно поджечь спичкой:

сн зсоон

+ 202 =

2нрt

+ 2co 2t

Добытчики кислорода. Задолго до получения кислорода из воздуха методом его сжижения и низкотемпературной перегонки химики

использовали свойство оксида бария ВаО поглощать кислород воздуха

при нагревании до

500-600 °С:

Горение фосфора в цилиндре, наполненном кислородом.

2Ва0

+ 0 2 = 2Ва0 2

При этом образуется пероксид бария

-

соль очень слабой кислоты перок­

сида водорода Нр 2 . Если затем нагревать пероксид бария до температуры

700-800 °С,

бария ВаО:

то кислород отщепляется и Ва0 2 переходит в исходный оксид

В лабораториях до сих пор использу ют этот способ, если нет возможности приобрести кислородный баллон. Другой вариант добычи кислорода из воз­ духа

-

длител ьное нагревание металлической ртути до

приводит к образованию оксида ртути

тойчиво и при нагревании выше

HgO. Это

400 °С

300-400 °С ,

которое

вещество термически неус­

разлагается н а ртуть и кислород .

Лабораторные источники кислорода. Для получения кислорода в лаборатории часто применяют два вещества, безопасных в об­

ращении ,

-

пероксид водорода Н 2 О 2 и перманганат калия

сид водорода в присутствии ди оксида марганца

KMn0 4 • Перок­ Mn0 2тотчас же разлагает­

ся на кислород и воду:

При этом диоксид марганца служит только катализатором реакции. Раз­ ложение пероксида водорода н а блюда ется и при его контакте с тканями живого организма,

содержащими

биологические

катализаторы,

что

позволяет использовать это вещество в виде разбавленных растворов при

лечении открытых ран и как кровоостанавливающее средство. Такая об­

работка травмированной кожи обогащает кровь кислородом и способст­ вует более быстрому заживлению.

Фиолетовые кристаллы падаются

KMn0 4 при

на зеле ные кристаллы

аморфный диоксид марганца

нагревании выделяют кислород и рас­

Горный хрусталь

манганата калия

состава

K2Mn0 4

и черный

-

минерал

SiO"

Mn0 2:

МЕТАЛЛЫ И НЕМЕТАЛЛЫ

89


о

днажды Уильям Кларк,

В кислой среде, созданной серной ки.слотой

химик , работавший в ме­

при контакте с

дицинском

колледже

амери­

канского штата Алабама, ре­

KMn04 выступает в роли.

ряют два электрона, превращаясь в молекулы

шил угопить пойманную кры­ су в первом

на

глаза

сосуде

с

силиконо­

вым маслом. Он полностью погрузил

ее

в

жидкость

плотно закрыл сосуд . удивлению ,

нулась ,

а

нр 2 -

попавшемся ему

крыса

не

«дышала »

тью почти 6 часов! Оказалось , что силиконовое масло предназначалось для ка­

кого-то опыта и потому бьuю насыщено кислородом . Эrо на­

блюдение, сделанное в

1916 г. ,

послужило толчком к со:щанию

«дыхательной жидкости » и « Ис­

кусственной крови».

02и

два катиона н +:

= 0 2 + 2н +

Перманганат-анионы

MnO; , забрав эти электроны, тратят их на понижение +Vll до +II. Получаются катионы Mn 2+: MnO; + 8Н+ + 5е = Mn 2+ + 4Нр

и

з адох­

пероксид водорода

степени окисления марганца от

К его

жидкос ­

2е-

H2S04 ,

Пероксидные молекулы Н 2 О 2 те­

«Беспризорные» протоны н + выхватывают из анионов

5Нр 2 + 2KMn04 + ЗН 2 SО4

= 502t + 2MnS04 + K2S04 +

1-

Интересно, что если к Н 2 О 2 добавить

Mn0 2 в присутствии

кислородные маски, камеры

и кислородные ванны в медицине; З

4-

химический синтез; окислитель горючего в ра­

кетной технике;

56 -

взрывные и буровые работы;

кислородное дутье в ме­

тШlЛургии;

7-

сварка и резка метШl//ов .

серной кислоты ,

в молекулярный кислород.

Диоксид марганца, приняв два электрона и «бесхозные» протоны, остав­

Mn 2+ и дает жизнь

д вум молекулам воды:

Нр 2 + Mn0 2 + H2S0 4 = 0 2t + MnS04 + 2Нр

мических аппаратах, авиации и

2-

8Нр

лителем. Он отнимает у пероксида водорода два электрона, превращая его

дыхательные смеси в кос ­

при подводных работах;

атомы кис­

то диоксид марганца уже не ведет себя как катали затор , а становится окис­

шиеся от пероксида водорода , превращается в катионы Применение кислорода.

MnO;

лорода, объединяясь с ними в молекулы воды . И вот что получается :

Виноват .кислород. Действие водного раствора аммиака на раз­ XIX в. многие химики. И однажды было сде­

ные металлы изучали в начале

лано интересное наблюдение . Оказалось, что если в открытом стакане с водным раствором аммиака

NH 3 оставить медь Cu

в виде стружки , то через

несколько часов раствор приобретет голубую окраску , а через сутки станет ярко-синим.

Было над чем задуматься химику , первым заметившему странные превра­ щения! Ведь посинение было неи збежно и не зависело ни от концентра­ ции аммиака , ни от температуры раствора.

А если попробовать избавиться от растворенного в

воде воздуха? Для этого надо прокипятить дистиллированную воду, растворить в ней аммиак , потом внести в этот

раствор

медные

стружки ,

предварительно

промытые разбавленной серной кислотой , и по­ местить полученную смесь в склянку , плотно за­

крыв ее пробкой. Целую неделю раствор в склян­ ке будет прозрачным и бесцветным. Значит , дей­ ствительно ,

виновник

посинения

-

кислород

во здуха!

Как это проверить? Очень просто: надо пропускать воздух через раствор аммиака с медными стружка ­

ми. Когда пузырьки воздуха проходят через смесь , она тут же синеет. При этом кислород окисляет ме ­ таллическую медь , которая в присутствии аммиака

образует устойчивый комплексный катион тет­

раамминмеди(II) [Cu(NH 3 ) 4 ] н ярко-синего цвета:

2Cu + 0 2 + 8NH 3 +

2Нр_ =

2[Cu(NH 3) 4](0H) 2

Так был найден способ удаления примеси кисло­ рода из азота, водорода, благородных газов.


МИР УГЛЕРОДА УГЛЕРОД И ЕГО ЗНАМЕНИТЫЕ РАЗНОВИДНОСТИ

Кристалл ическая

струк тура

графита .

По распространенности на Земле углерод занимает 13-е место, его содержание в земной коре, атмосфере и гидросфере не превы­

шает

0,14%.

Сосредоточен углерод в основном в карбонатах металлов, преж­ де всего кальция и магния. Углерод - главная составная часть животного и растительного мира. Не существует растений и животных, в организмах котор ых не было бы тех или иных со­ единений углерода.

В Периодической системе элементов углерод нахо­ дится во втором периоде и IУА-группе. Его химический символ С , п оряд ­

ковый номер

- 6, атомная масса равна 12,00. Электронная конфигурация 2i 2p2. Отсюда следует , что в химич ески х связя х этого

атома углерода [Не]

элемента с другими атомами

могут участвовать четыре электрона , а

т рех 2р- атомных орбиталей электронами заняты только две.

из

Атом углерода.

то вnервые нашел алмаз -

Угли. Углями называют черные или бурые вещества, которые обра­ зовали с ь и з отмерши х остатков растений , накапливающихся в торфяных

болотах . Среди углей , извлекаемых из подземных кладовых , различают

к

неи з вестно. В Инд ии ал­

ма з ы

н а чали д обывать уже

4 ты с .

лет назад. Зате м они Бра з илии .

были открыты в

антрацит, ка менны й и бурый угли. Первый и з них является геологически

Это случилось в

самым старым углем . Он горит только при сильном токе воздуха и образу­

кр е стьянин

ет совсем небольшое по размеру пламя, т. к . при его горении выделяется

игр а ют

мало газов .

Самое большое количество углей образовалось в так называемом пе р м­

ском периоде

(235- 285

млн лет назад)

-

последнем в палеозо йско й

э ре. Участвуя в горообразовательном процессе , угольные месторожде ­

1714 r. Один

уви дел,

какими - то

что дети св е тлыми

камешками. Он nоказал один и з них з накомому ювелиру , и

вскоре в Б разили и н а ч алась настоящая

алма з н ая

лихо­

радка . •

ния обо гащались соединениями различных металлов . Во многих углях содержатся примеси ртути

Hg,

таллия Т\ , германия

Ge

и других эле­

ментов.

Чистый углерод встречается в природе в четырех кристаллических формах

-

в виде графита, алмазов , карбина и фуллерена (С 60 ). •

Графит

-

вещество необычное. Графит известен людя м с

древних времен. Он образует серо- черные непрозрачные , часто чешуй ч а­ тые или землистые массы, похожие на куски засохшей глины . Круп ные кристаллы графита встречаются редко . Твердость графита незначител ь на

и по шкале Мооса (минералогической шкале твердости) равна

1.

Граф ит

мягок и жирен на ощупь, обладает слабым металлическим блеском. На бу­ маге он оставляет ч ерту рандашей.

-

всем известно, что граф ит содержат стержни ка­

41 -

ат ом углерода

Кр исталл и ческая

реш ет ка

GJ/J\1GЗa .

МИР УГЛЕ РОДА

91


рекрасны игра цвета и

п

блеск алмаза, но еще за­

мечательнее другие его свой­ ства

-

ская

Графит обладает высокой тепло- и электропроводностью. В пламени газовой горелки он сгорает, хотя и с трудом, превращаясь в диоксид углерода СО 2 :

твердость и химиче­

стойкость.

C+0 2 =COJ

Философы

древности Тит Лукреций Кар

до н.э . ) и Плиний Старший (23- 79 н. э .) счита­

(99-55

ли, что алмаз не только не го ­

После сгорания природного графита остается до

20%

золы .

Структура графита своеобразна. Он состоит из слоев атомов углерода, похожих на пчелиные соты . В каждом слое атомы связаны прочными ко­

рит , но и не разбивается уда­

валентными связями , а между слоями существует более слабое взаимо­

ром молота . Это заблуждение

действие типа межмолекулярного.

сохранялось и в средние века.

Так, в

1476

г. во время войны

бургундского

герцога

Карла

Смелого с французским коро­ лем Людовиком ские наемники , стороне

XI

воевавшие на

короля ,

время одного

швейцар­

ворвались

во

из сражений

палатку герцога.

в

Увидев там

множество бриллиантов, они решили проверить их подлин­

ность уда рами

молота.

При температуре

3750 °С

и под давлением

120 атм

графит начинает пла­

виться, образуя жидкость черного цвета и полимерного строения. Кис­ лоты в обычных условиях на графит не действуют, не реагирует он и с

растворами либо расплавами гидроксидов щелочных элементов. Смесь азотной кислоты

HN0 3 с хлоратом калия

КСЮ 3 или дихроматом калия

K2Crp 1

при нагревании превращает графит в бензолгексакарбоновую кислоту

состава С 6 (СООН) 6 , которую иначе называют меллитовой , или графито­ вой,

кислотой.

плавления

Она образует бесцветные

280 °С,

кристаллы с температурой

растворимые в воде .•

Видя ,

что бриллианты превращаются в порошок , швейцарцы реши­

ли , что все камни фальшивые .

На самом деле алмаз хрупок

-

Царь самоцветов . Существует еще одна модификация углеро­ да, в чистом состоянии бесцветная и прозрачная , сильно преломляющая

свет , а в химические реакции вступающая с трудом . Это алмаз.

только

Кристаллы алмазов построены из тетраэдрически расположенных ато­

если давление на него возрас­

мов углерода , надежно связанных между собой прочными ковалентны­

та ет

ми связями. После огранки и шлифовки алмазы превращаются в доро­

он

не

раскалывается ,

постепенно.

давл ением

60

Так ,

под

атм алмаз начи­

нает входить в твердую сталь ,

как в масло . На алмазы с дав­

гостоящие бриллианты .

В обычных условиях алмаз может существовать неограниченно долго ,

них пор смотрели как на чудо­

однако в вакууме при температуре выше

д ейственные

лорода алмаз быстро , не плавясь , рассыпается и переходит в графит .

ка мни.

Счита­

лось , что у человека, носящего

алмаз, не бывает болезней же­ лудка , на него не действует яд,

1000 °С

в присутствии следов кис­

Название «алмаз» произошло от греческого слова «адамас » мый », «несокрушимый » . Алмазы и з вестны людям уже около

- « неодоли­ 5000 лет.

он до глубокой старости со­

Первые сведения об этих драгоценных камнях пришли из Индии. В Европу

храняет

алмазы попали в

отличную

память

веселое расположение духа.

и

Vl-V вв.

до н.э. На Руси слово « алмаз» впервые встречает­

ся в книге тверского купца Афанасия Никитина « Хождение за три моря».

Никитин первым из европейцев совершил путешествие в Индию. Кристаллы алмаза могут быть не только бесцветными, но и окра­ шенными (без потери прозрачности) в разные цвета фиолетовый,

бледно-голубой,

светло-зеленый,

-

желтый ,

коричневый.

Встречаются и черные разновидности алмазов. Алмаз очень тверд и износоустойчив. Более твердых веществ в при­

роде не найдено . Но одновременно алмаз хрупок , его можно раско­ лоть и истереть в порошок в стальной ступке. На алмаз не действу ­ ют ни кислоты, ни водные растворы и расплавы гидроксидов ще ­

лочных элементов; алмаз не смачивается водой. На воздухе он сго­

рает только при температуре

800 °С и

выше, превращаясь в д иоксид

угл ерода СО 2 •

Русский писатель Александр Иванович Куприн писал , что алмаз

«... это свет солнца , сгустившийся в земле и охлажденный време ­ нем ... он играет всеми цветами , но с а м остается про з р а чным , точ­ но капля вод ы ». •

Зол отой крест , украшенн ы й брилл иант ам и.

XVll в.,

92

химия

Оружейная п алата .


НЕФТЬ И ПРИРОДНЫЙ ГАЗ Нашей планете около пяти миллиардов лет . Вначале она, веро­ ятно, была раскаленным газовым шаром. Со временем в резул ь­

тате конденсации газов возникли металлы, камень, а потом и вода. Некоторое количество газов окружало Землю, образуя ее первоначальную атмосферу. Прошло несколько миллиардов лет, а планета была мертва. А около 3,5 млрд лет назад на Земле по­ явились простейшие формы жизни.

В те далекие времена атмосфера не содержала чистого кисло­ рода, но в ней было много диоксида углерода . Растения, как и теперь, строили из него и из влаги, находящейся в почве, слож­ ные соединения углерода, выделяя при этом свободный кислород. Так постепенно образовалась современная атмосфера, содержа ­ щая много 0 1 и очень мало СО1 •

Соединения углерода , которы е накапл ивались в расте ни­ ях, подв е рг ал ись превр а щениям под влиянием бактерий. И з отмер­

ших растений получ ал ись торф и уголь. Движение зем ной коры, с ко­

«с Если

вепuьный газ» на дому.

сухую

поджечь тонкую

палочку

-

лучину,

торым связано образов а ние гор , также способствовало появлению уг­

никакого

ля, т.к.

этом не получится.

при эт ом

в не д ра х планеты

повыш алис ь давлен ие и темпера­

тура. По остаткам в современных образцах угля можно получить яс­ ное представление о растительном и животном мире древнейших вре­

то

она сгорит, дымя и коптя, но горючего

газа

при

Можно пост у пи ть иначе

-

пом естит ь лучину в пробирку,

за крыть ее пробкой с трубоч­

мен.

кой и подогреть н а сильном

Природн ый газ и н ефт ь возникли на дне огромных озер и болот, где рос­

огне. Ч е рез несколько секунд

ло необычайно много водорослей и обитало множество животных. Поги­ бая , они без доступа воздуха и под влиянием бактерий превращались в гниющий ил. В недрах земл и на большой глубине остатки растений и жи­

вотных (органические остатки)

подвергались аналогичному процессу

п алочка

начнет

темнеть,

на

дне пробирки появится густая смола , а через трубочку будет

выходить газ. убедиться ,

В этом можно

если

под н ести

(сложному биохимическому разложению и постепенному образованию

трубочке зажженную спичку,

природного газа и нефти).

газ

Газ не всегда выходит на поверхность. Сдавленный со всех сторон горны­ ми породами, он ищет новый «дом»: начинает просачиваться через сосед­

вспыхнет

синим

При сгорании лучины на от­ крытом

воздухе

происходит

ре акция

давление повышается и он оттесняет из пород грунтовые воды, за полняя

угле рода кислородом:

все больший и больши й объем. Так образуется естественное скопление га­ наз ываемое газовой залежью .

Кроме месторождений, содержащих

только природный газ, в зем ной коре встречаются нефтегазовые место­ рождения, в которых газ находится вместе с нефтью .

п ламе­

нем. В чем же дело?

ние пласты и заполнять их пустоты и поры. По мере накопления газа его

за ,

к

-

полного

окисления

С+ О =С О

2

2

при этом образуется диоксид углерода,

а

дым

и

копоть

-

это не ус певши е сгореть час­

В каменноугольных месторождениях встречается взрывоопасный руд­

тички угле рода. При нагрева­

ничный газ. Он образуется при медленном ра зложении каменного угля

нии лучи ны в закрытой про­

под землей и зат рудняет добычу этого полезного ископаемого . Встреч а­

бирке

Бегающие по поверхности болот огоньки

-

без

происходит

ются газы, растворенные в подземных водах.

также результат самовозгора­

ление

досту па

углерода

сложных

воздуха

ча стичное и

молекул

окис­

разложение клетчатки

ния природного газа , образовавшегося на дне из-за гниения раститель­

древес ного волокна. В резуль­

ных остатков без доступа воздуха. Такой газ называют болотным. •

тате получаются смола и « све­

тильный

Цепочка ИЗ атомов. Что же такое природный газ? Известно ,

газ »,

который

мо­

жет гореть. •

что все вещества состоят из атомов. Молекулы простых веществ содержат одинаковые атомы

-

например, водород, кислород и азот ( Н 2 ,

0 2, N 2).

Молекулы сложных веществ включают атомы различных химических

МИР УГЛЕРОДА

93


д

ревнегреческий историк Геродот (У в . до н.э.) со ­

общал об источниках нефти на

территории

Ирака и

современных

Ирана и описывал

элементов. Так , молекула воды Н 2 0 состоит из двух атомов водорода и од­ ного атома кислорода.

Самыми сложными природными веществами являются органические со­ единения , ведущие свое происхождение от углеводородов

-

соединений

способы ее добычи. С древ ­

атомов углерода С и водорода Н. В результате воздействия бактерий, вы­

них времен нефть была изве­

соких температур и больших давлений сложные молекулы углеводородов

стна и на Кавказе (в Азербай ­ джане). При раскопках близ Керчи нашли амфору

-

древ­

ний сосуд , в котором находи­ лась высохшая нефть. К

XVI

в.

относится сообщение о « Го­ рючей воде rусте» , привезен­

ной из Ухты в Москву при Бо­ рисе Годунове .

в осадочных породах распадаются на более простые.

Самый простой углеводород

-

метан . Его молекула состоит из одного

атома углерода и четырех атомов водорода и имеет формулу СН 4 . Соглас­

но представлениям нидерландского ученого Якобуса-Хенрикуса Вант­ Гоффа

(1852-1911)

и современным данным, пространственная форма

молекулы метана изображается в виде тетраэдра , в центре которого распо­

лагается атом углерода . Четыре химические связи направлены к четырем

На протяжении тысячелетий

углам тетраэдра, где помещается по одному атому водорода . Угол между

люди познавали тайны нефти.

любой парой связей равен

С давних времен ее использо­

Метан это га з , который сжижается при очень низкой температуре (-161,5 °С) , а затвердевает только при -182,5 °С. Поэтому в обычных усло­

вали

как топливо ,

строительстве ,

а также

в

военном деле.

Египтяне применяли

нефть

109°28 1 •

виях метан всегда пребывает в газообразном состоянии. Он з начительно

мн изготовления особых со­

легче воздуха и в случае утечки в закрытом помещении собирается сначала

ставов при бальзамировании

в верхней его части.

трупов . Всевозможными неф­

Более сложный углеводород

тяными мазями и снадобьями

углерода и шести атомов водорода

люди

пытались

лечить

кож­

ные боле з ни , ревмати з м , тра­

-

газ этан. Его молекула состоит из двух атомов

-

С 2 Н 6 • Далее идут пропан С 3 Н 8 и бутан

С 4 Н 10 • Молекула каждого следующего углеводорода отличается от молекулы

туберкулез.

предыдущего на группу СН 2 • Количеством и взаимным расположением ато­

Нефть была грозным оружи­

мов углерода и водорода в молекуле определяются физические и химические

хому ,

проказу ,

ем в борьбе с врагами. Визан­ тийцы

выиграли

боев ,

используя

огонь»

-

смолы, гореть

множество

« греческий

смесь нефти , серы и которая

даже

на

продолжает поверхности

моря.•

свойства углеводородов. Например, в обычных условиях углеводороды, со­ держащие до

4 атомов углерода , - газы, от 5 до 15 15 атомов углерода - твердые

в своем составе свыше

жидкости, а имеющие

вещества.

Метан является основным компонентом природного газа. Его количество

может достигать

99,5 %,

но обычно колеблется в пределах

85-95%.

При­

родные газы бесцветны , почти в два раза легче воздуха и , как правило, не имеют запаха.

Среди неуглеводородных компонентов в составе природных газов наибо­

лее часто встречаются азот

N2, ДИОКСИД

углерода со2, сероводород

H2S,

реже водород Н 2 и монооксид углерода СО, в значительно меньших коли­ чествах

-

гелий , аргон , неон, ксенон и другие инертные газы .

При полном сгорании природно го газа образуются СО 2 и нр. Реакция протекает в соответствии с уравнением:

СН 4

+ 20 2 =

со 2

+ 2нр

При этом выделяется значительное количество тепла. Природный газ используют не только как высококачественное топливо .

Сотни химических заводов превращают его в ткани , пластмассу , резину,

удобрения. Он применяется при выплавке стали, обжиге цемента, в сте­ кольной промышленности.

Природный газ получают из « чисто газовых» месторождений. Газы , кото­ рые добывают из скважины попутно с нефтью , называются «попутными»

или «ЖИ РНЫМИ » . Они содержат

60-80% сн 4

и

20-40%

других углеводо­

родов и имеют такую же практическую ценность, что и природный . •

Что же такое нефть? Нефть представляет собой жидкость, ча­ ще всего коричневую, с зеленоватым или другим оттенком , иногда почти

черную и очень редко бесцветную. Нефть легче воды и практически не

94

химия


растворима в ней. Плотность нефти изменяется вши ­

0,99 г/см 3 ,

роких пределах от 0,76 до

ляет

0,80-0,87

чаще всего состав­

г/см • Поэтому при попадании в водо­ 3

ем она практически всегда находится на поверхности воды.

Какие химические элементы включает нефть? Глав­

ным является углерод (от нимает водород

до

83

Второе место за­

87%).

третье место принадлежит

(12-14%),

группе таких элементов, как кислород, азот, сера.

В небольших колич е ствах в нефти встречаются фос­

фор Р, ванадий У, никель

Ni , железо Fe, алюминий AI, Mg, барий Ва, стронций Sr, марга­

кальций Са, магний нец

Mn,

хром

Cr,

кобальт Со, молибден Мо, бор В и

другие элементы. В нефти, как и в природных газах, уг­ лерод и водород содержатся

единений

-

в виде удивительных со­

углеводородов , отличающихся разнообра­

зием , изменчивостью состава и строения.

Углеводороды нефти делятся на три большие группы: парафиновые, или насыщенные , нафтеновые и арома ­ тические.

Метан, этан, пропан, бутан, пентан и другие пред­ ставляют ряд углеводородов, называемых парафина­

ми,

или

алканами,

С"Н 2 п+ 2 (п

и

имеющих общую

формулу

число атомов углерода). Кроме того, ал­

-

каны одного и того же состава, начиная с бутана , мо­ гут иметь разную структуру

-

молекулы линейного

строения и разветвленные. Это явление называется изомерией , а сами соединения

-

изомерами. Их ко­

личество растет с числом углеродных атомов: у пента­

на С 5 Н 1 2

-

два изомера, у гексана С 6 Н 1 4

октана С 8 Н 18

-

уже

17 ,

и С 13 Н 28 имеют более

-

четыре , у

а углеводороды состава С 1 2 Н 26

300

и

800

изомеров соответст­

венно.

СН 3 -СН 2 -СН 2 -СН 3 СН -СН-СН 3

1

н-бутан

изобутан

3

СН 3

СН -СН - СН -СН 3

2

1

3

СН 3 изопентан СН 3 1

СН 3 -С-СН 3 третичный пентан 1

СН 3 Цепочки алканов могут замыкаться, и тогда молекулы образовавшихся уг­

леводородов превращаются в кольца, или циклы. Эту группу углеводоро­ дов называют циклоалканами, или насыщенными циклическими, с общей

формулой спн 2п " Циклы могут состоять из трех, четырех , пяти и т.д. ато­ мов углерода.

С начшю Х!Х в. улицы и набе­ режные Лондона начали осве­ щать газовыми фонарями, в которых горела смесь водоро­ да, .метана и монооксида угле­ рода - «светильный газ» .

МИР УГЛЕРОДА

95


в

век экологических катаст­

H ,CDCH,

Например:

роф человеку необходимо

обладать некоторым

сн ,

количе­

ством nрактических з наний в

области

химии.

nленки на nоверхности

ема ная

водо­

оксидами

железа

внешнему виду схожи :

-

no СН ,

чрезвычайно

радуги.

сн ,

н ,с

сн ,

н,сQсн

золотисто-коричнево­

го цвета , nереливаются всеми

цвет а ми

н ,с

циклобутан

нефтяная и образован­

-

сн ,

н ,с

К nримеру ,

Как же их

н ,с циклогексан

ра зличить?

Если такая nленка nосле лег­

н ,с

кого удара nалочкой расnада­

сн ,

циклопентан

ется на округлые каnли , кото­

рые снова быстро сливаются в одно nятно , то это нефть . А если nленка nосле удара ра ­ зобьется на отдел ьные части с рваным краем , которые будут nлавать ,

не

стремясь

снова

слиться вместе , то это желе з и­

стая nленка .

Для углеводородов с nяти- и шестичленными кольцами широко применя­

ется общее название « нафтены », предложенное русским химиком Влади­ миром Васильевичем Марковниковым

(1837-1904).

Кроме циклических

фрагментов, их молекулы могут иметь еще и боковые цепи, которые на­

чиная с С 4 Н 8 , также подвергаются изомеризации. В нефти парафиновые и нафтеновые углеводороды составляют значитель­ ную часть.

Ароматические углеводороды по строению похожи на нафтеновые. Разли­ чие между ними заключается в том , что при одинаковом числе атомов уг­ лерода ароматические содержат на шесть атомов водорода меньше и меж­

ду отдельными атомами углерода наряду с одинарными связями имеются

и двой ные . Общая формула ароматических углеводородов С" Н 2 "_ 6 • Простейшим пре дставителем этого ряда углеводородов является бен­

зол С 6 Н 6 • Ароматические углеводороды нефти также могут содержать один , два и бо­ лее циклов и соответственно называются моно- , би- , три- и тетрацикличе­

скими. Однако этот класс соединений встречается в нефти сравнительно редко.

Химия от А до Я

Обрап1мые химические реакции акu и и ,

при

кото рых

про исход ит

только прев раше ни е реа гентов в

ре­

В зависимости от преобладания углеводородов какого-нибудь одного ря­

не

да , нефти могут быть метановыми (парафиновыми), нафтеновыми (ас­

про­

дукты реак uии , но и обратный п роuесс

ве шество-участни к

-

фальтовыми) , ароматическими (бензольными). Всего в нефти к настояще­ му времени определено около

перехода продуктов в реа ген т ы .

Окислитель

Наконец в отдельных видах « черного золота» могут содержаться

нафтено- ароматические углеводороды.

окислитель н о - восста но вител ьн о г о проuесса , приним ает электроны и при этом восста н авл ивается.

тенциал ер

-

При этом чем тяжелее нефть , тем выше ее плотность и тем больше смол и

в

количественная ха ракте-

ок ~t слительно-восстановн­

тель н ом проuессе .

Основание

-

протон

в

Кровь индустрии. Нефть - это «сгусток энергии»; при сжигании 1 мл «черного золота» можно нагреть на 1О С ведро воды . По кон­

всего ли шь

0

центрации э нергии в единице объема нефть занимает первое место среди

в п рото нн ой теории час ­

пща (молекул а , ион). с п особная пр11ни мать

no-

р 11 стика с п особ н осп1 вешества участ­ вовать

углеводородов , в действительности же

смолы и асфальтены , химическая природа которых точно не определена.

асфальтенов она содержит. Окислительно-восстановител ьный o

425

их еще больше. Составными частями « черного з олота» являются также

р е акuии

nротол"па .

П ри этом в воде появляются

гидро ­

ксид- ионы ОН - . которые созда ют шс­ лоч н ую с реду рас тво ра.

природных веществ. В одной ее капле содержится

900 разных химических со­

единений , более половины химических элементов таблицы Менделеева .

Тайны необыкновенной жидкости стали раскрывать только в ХХ столе­ тии. Прежде всего научились выделять из нее высокосортное топливо

-

бензин , керосин , газойль (д и зел ьное топливо). Эти продукты получают путем перегонки нефти под да вле нием , близким к атмосферному . « Пого-

96

химия


ны» нефти (так долгое время называли ее составные части

температурой кипения, не превышающей

40-170 °С ,

-

фракции) с

называют бензином.

Из них перегонкой выделяют фракции , находящие различное практиче­ ское применение: в качестве топлива (особенно для двигателей внутрен­ него сгорания) , для производства растворителей и т. д. Большое значение как горючее для автотракторных двигателей имеют ке­

росин , содержащий фракции , кипящие в пределах

170-300 °С,

и газойль

Б

итум и асфальт. Человек не одну сотню лет знаком

с природными битумом и ас­ фальтом (смесь битумов с ми­ неральными веществами). Сло­ во «битум» происходит от ла­ тинского Ьitumeп, «асфальт» от греческого «асфалтос» ; и то и другое означает « горная смола».

(250-360 °С).

В древности

Фракции, перегоняющиеся без разложения при более высоких температу­

битум в природных впадинах , а

рах кипения , чем для керосина и газойля, носят название «соляровые ма­

сла» . Они могут быть различными способами переработаны в бензин. По­

теперь

его

люди

находили

получают

в

основ­

ном искусственным путем.

В Древнем Вавилоне битумы

сле соляровых масел из нефти отгоняют смазочные масла , а кроме того , из

считались

нее выделяют воскообразную смесь твердых парафиновых углеводородов ,

сейчас встречаются энтузиасты

называемую парафином.

Остаток от перегонки нефти

-

мазут. Он применяется в больших количе­

целебными ,

«битумолечения »

-

да

и

примене­

ния мазей и микстур из битума.

Действительно, битумы хоро­

ствах как жидкое топливо и для приготовления смазочных масел.

шие

Однако использование нефти в качестве топлива не главное. Еще Дмит­

ПОТОМУ, ЧТО ОНИ ВОДО- И ВОзду­

рий Менделеев понимал, каким прекрасным материалом для различных химических производств она является. Возмущенный хищническим ис­ треблением драгоценных остатков от перегонки нефти , он бросил свою

знаменитую фразу: « Нефть

-

не топливо. Топить можно и ассигнация­

-

ми » . Менделеев считал, что нефть

ценное сырье для изготовления до­

консерванты,

но

только

ХОНеПрОНИцаемЫ. Так что не­ удивительны

находки

в

ас­

фальтовом озере (месторожде­ нии битума) в Калифорнии ствола дерева , возраст которого

составляет

25

тыс. лет, остан­

ков доисторических животных

рогих органических продуктов.

и растений , причем все это со­

Используя современные технологии , из нефти получают более высокока­

хранилось так ,

чественный бензин, непредельные и ароматические углеводороды

-

эти­

лен , пропилен , бутилен, бензол, толуол , ксилол и др. Они применяются для изготовления мыла , стиральных порошков , взрывчатых веществ, рас­

творителей, пластмасс, полиэтиленовой пленки, а значит

-

игрушек , по­

суды, различных предметов быта.

Из нефти научились производить синтетический каучук (а значит зину , растворители , лаки) и синтетические волокна

-

-

ре­

капрон , лавсан ,

нейлон. Капроновое волокно в

Капроновая нить с сечением

2,5 раза прочнее натурального шелка. 1 мм выдерживает вес взрослого человека. 2

В медицине пораженную часть кровеносного сосуда заменяют искусст­ венной

-

из капрона или лавсана. В легкой промышленности из синте­

тических волокон производят ткани, одежду, белье , ковры. Тяжелые ос­ татки нефти

-

гудрон и битумы

тельных работ. Нефть ментов

-

-

-

используются для дорожных и строи­

это также сырье для добычи серы и редких эле­

-

искусственные масла, син­

тетический белок, которым подкармливают животных и птиц. Эксперты

Всемирной организации здравоохранения предполагают, что в

он каждого человека на

25-30%

лежит

Битумы отлично сцепляются с любой поверхностью , на кото­ рую их наносят . Интересно , что с древнейших времен би­ тум

использовали как клей (например , для крепления де­

талей статуй). За рюзовые

глаза

3 тыс. лет би­

изваяния

царя

Навуходоносора , приклеен­ ные битумом , почти полно­ стью разрушились, а долговеч­

ный «клей » сохранился! Ас­ фальт также широко исполь­ зовался в древности. Его при­ меняли для покрытия дорог и

укрепления берегов своенрав­

ных рек Тигра и Евфрата в Ва­ вилоне, устройства подводных

стронция, ванадия, урана и др .

Из нефти получают даже продукты питания

будто

всего лишь несколько недель!

XXI

в. раци­

будет состоять из заменителей мяса и мо­

лока.

Нефть, как уже упоминалось, называют «черным золотом», но такое срав­

нение снижает ее истинную ценность. В самом деле, без золота можно прожить: в промышленности или приборостроении его можно заменить

тоннелей. А в Пакистане нахо­ дится самое древнее в мире ас­

фальтовое сооружение

-

бас­

сейн , облицованный асфаль­

том , вблизи остатков города Мохенджо-Даро . Этому бас­ сейну свыше 5 тыс . лет. Теперь основные потребители битума и асфальта - строите­ ли шоссейных дорог. Битум

другими металлами. А без нефти в настоящее время не обходится ни одна

используют главным образом там , где требуется защита от

страна.

влаги

Понадобилось несколько тысяч лет, чтобы человечество научилось рацио­

кровлях домов,

нально использовать нефть и природный газ. И можно не сомневаться, что по мере развития химии и других наук эффективность использования их достижений будет повышаться. •

-

ницаемых

гидроизоляция: в

на

водонепро­

покрытиях

подва­

лов и цоколей, при изготовле­ нии

мастики для укладки ли­

нолеума, паркета и т.д.

МИР УГЛЕРОДА

97


ЭТИЛЕН И АЦЕТИЛЕН ак был ~ткрыт этилен. ~емецкии химик , врач и

V

изобретатель Иоrанн-Иоахим Бехер в 1666 г. проводил опы­ ты с серной кислотой H2S04 . Во время одного из них он вместо того , чтобы добавить к нагретой серной кислоте еще одну ее порцию ,

вспенился

с

выделе­

нием неизвестного газа, похо­

жего на метан СН 4 . Но в отли­ чие

от

последнего

он

горел

коптящим пламенем и обла­ дал слабым чесночным запа­ хом. Бехер установил , что по­ лученный газ химически бо­ лее активен , чем метан.

В 1908 г . русский химик Егор Орлов получил этилен при пропускании

ные цепи или кольца.

по рассеян­

ности долил этанол С 2 Н 5 0Н . Бехер увидел, что раствор сильно

Число органических соединений, включающих атомы углерода, гораздо больше, чем неорганических (они обычно не содержат атомы этого элемента): миллионы против сотен тысяч. Причи­ на этого в том, что атомы углерода, соединяясь друг с другом и с атомами других элементов, могут образовывать разнообраз­

смеси

моноок ­

Описать такие молекулы оказалось делом непростым. Недостаточно дать формулу соединения , ведь атомы в молекуле могут быть связаны по-разному . Поэтому химики-органики используют струк­

турные формулы , которые изобрел в

1859

г. немецкий химик Фридрих­

Август Кекуле. Он первым соединил линиями символы атомов элементов , входящих в состав молекулы, в соответствии с тем , как они соединены в

реальности. Кекуле использовал идею шотландского химика Арчибалда­

Скотта Купера

( 1831-1892)

обозначать химическую связь черточкой .

Стройную теорию химического строения, которой пользуются до сих пор ,

создал в

186 l

г. наш соотечественник Александр Михайлович Бутлеров.

сида углерода СО и водорода над

никель-палладиевым

ка­

тализатором при температуре

2со + 4Н 2 = с 2 н 4 t + 2нр • « Масло голландских химиков» дихлорэтан химики

XVI 11 в.

лучали

с

и

очищали

Связь одинарная, двойная, тройная. Самое простое со­ - это метан СН 4 :

единение утлерода с водородом

около 1оо · с:

н 1

-

Н-С - Н

по­

1

помощью

н

аппарата для обратной пере­ гонки.

Два атома углерода можно соединить одной свя з ью, а также двумя или

Верхняя колба

тремя. Каждый атом углерода образует по четыре связи: н 1

Насадка для

Н

-

С

-

С

-

Н

этан

1

н н Стекающая жидкость

1 Н-С = С- Н

Н

-

С ~с

-

Н

этилен ацетилен

Добавляя к этим молекулам дополнительные атомы углерода и других эле­ ментов, можно получать все новые молекулы. •

Этилен из спирта, ацетилен вместо калия. Этилен су-

- несколько процентов , 20%. Впрочем , химики научи­ лись получать это вещество достаточно давно. В 1666 г. немецкий химик и врач Иоrанн-Иоахим Бехер (1635-1682) наблюдал выделение горючего га­ за при действии серной кислоты H2S0 4 на винный (этиловый) спирт -

Нижняя

ществует в природе: в светильном и коксовом газе

колба

а в некоторых газах нефтепереработки

смесь

-

до

этанол С 2 Н 5 0Н. Без сомнения , это был газообразный этилен :

С2НРН ---+ с2 н4

98

химия

+ нр


Этилен возглавляет ряд алкенов

ненасыщенных органических соедине­

-

ний с двойной связью . Его современное наз вание

Ацетилен был открыт гораздо позже. В

1836

-

этен .

г. англичанин Эдмунд Дэви,

которому , видимо, не давали покоя лавры его знаменитого родственника ,

одного из основателей электрохимии Гемфри Дэви, попытался своим способом выделить металлический калий. Но получил он карбид ка­

+

2Нр ~ С 2 Н 2

+

щества может быть несколько кратных связей . Двойные свя­

зи , чередующиеся с одинарны­

ми , называют сопряженными.

пример , в молекуле изопрена:

2КОН

сн ,

Эдмунд Дэви сообщил в Королевское общество , что открытый им «двуугле­

1 СН 2 = С

родистый водород прекрасно подойдет для целей искусственного освеще­

ния , если только его удастся экономично получать» . Современное название

дал ацетилену французский химик Марселен Бертло в дит от латинского слова

acetum -

войные связи и цвет. В мо­ лекуле органического ве­

Такие связи присутствуют, на­

лия К 2 С 2 , который при действии воды выделил ацетилен С 2 Н 2 : К2 С 2

д

1860 г.

«уксус » и греческого « иле »

Оно происхо­

-

« вещество» .

Двумя годами позже Бертло синтезировал ацетилен из угля и водорода:

Соединения такого рода бо­ лее устойчивы . За счет двой­ ных связей они мoryr объеди­

няться в более крупные моле­ кулы ,

2С+ Н 2 ~С 2 Н 2

подобно тому как из

этилена

Одновременно немецкий химик Фридрих Велер получил это вещество из открытого им карбида кальция СаС 2 :

СН =СН 2

-

получается

полиэти­

лен . В растениях содержится немало веществ , ных

из

образован­

нескольких

изопрена .

Они

« терпенами »

молекул

называются

-

впервые

их

обнаружили в терпентинном

Кратные связи активнее. Образование двойной связи вызы­ вает в молекуле некоторое напряжение . Такая связь значительно активнее простой . Поэтому в отличие от предельных углеводородов (содержащих только одинарные связи) этилен

-

очень реакuионноспособное химиче­

ское соединение . Еще более активна тройная связь. Проявляют высокую химическую активность и другие соединения, в которых есть кратные свя­ зи ,

-

производные этилена и ацетилена .

масле (скипидаре). Один из самых важных терпе­ нов

-

каротин , чья молекула

« составлена »

8

молекул

во сопряженных связей при­ дает каротину красный цвет .

Именно

каротину

оранжевым

Химические реагенты атакуют молекулы таких соединений именно в ме­

из

изопрена. Большое количест­

тенком

или

морковь,

обязаны

желтым

от­

сливочное

сте расположения кратной связи. Особенно склонны производные этиле­

масло и яичный желток.

на и ацетилена к реакциям присоединения . •

Окраска человеческой кожи тоже

У истоков органического синтеза. При разрыве двойной связи этилена к его молекуле может присоединиться много разнообраз­ ных частиц , поэтому он

-

родоначальник целой семьи важнейших орга­

зависит

Обнаружить кратные связи в молекулах органических соединений неслож­

количества

в

подкожном

жире каротина: чем его боль­

ше , тем она желтее . Похожие на каротин вещества придают

красный

нических соединений.

от

растворенного

цвет

вареным ракам .

помидорам

и

но: они легко реагируют с галогенами, например обесцвечивают бромную

воду в результате образования дибромэтана СН 2 =

СН 2

BrCH 2CH 2 Br:

+ Br2 ~ BrCH 2CH 2Br

Подобная реакция с хлором , протекающая в органическом растворителе ,

приводит к образованию дихлорэтана

CICH 2CH 2CI.

Он служит исходным веществом для получения винилхлорида который

ля

затем

C 2 HiOH) 2,

превращают

в

поливинилхлорид,

применяемого в качестве антифриза

и

-

CH 2CHCI,

этиленглико­

незамерзающей

жидкости, наполняющей системы охлаждения автомобильных двигате ­

лей . Этиленгликоль образуется и при действии на этилен сильного окис­

лителя , например перманганата калия

KMn0 4 • Уже при - 30 °С этилен CH 3CH 2CI:

присоединяет хлороводород НС! , образуя хлорэтан

МИР УГЛЕРОДА

99


Это вещество используют при производстве тетраэтилсвинца РЬ(С 2 Н 5 ) 4 , который раньше добавляли в бензин для улучшения его свойств.

Этилен может присоединить воду, и тогда получится этилов ый спирт С 2 НрН:

с2 н 4 + нр ~ С2 НРН Реакция идет в присутствии катализатора

-

серной или ортофосфорной

кислоты. Именно на этот процесс в разных странах расходуется от 20 до 40% эт ил е на. Примерно такое же количество идет на прои зводство полиэти­ лена, т.к. эт илен обладает важной способностью реагировать сам с собой:

образуя « бесконечные » цепочки , которые, переплетаясь , дают хорошо

знакомый полимерный материал.

В небольших количествах этилен применяют и в чистом виде: если в воз­ духе содержится около О,

1%

этого вещества, фрукты и овощи (особенно

лимоны, помидоры и виноград) очень быстро созревают. Иногда эт илен используют для общего нарко за при хирургических операциях. •

Горючий газ из печи. В конце 80-х гг. XIX столетия американ­ ские предприниматели Дж. Морхэрд и Т.Л. Уилсон основали фирму , за­

нимавшуюся выплавкой металлов. Специальные печи обкладывали пла ­ стинами кокса и и звест няка, которые быстро ра з рушались , и их выбрасы­ вали на свалку. Местные мальчишки ра звлекал ись , наблюдая , как при

попадании воды эти обломки выделяют какой-то газ. Однажды Уилсон обнаружил, что этот газ прекрасно горит . Это прои зошло в В то же время французский химик Анри Муассан

1892 г. ( 1852- 1907) исследо­

вал , как ведут себя различные неорганические соединения при высоких температурах.

При нагревании угля и оксида кальция СаО в электрической дуговой пе ­ чи ученый получил карбид кальция СаС 2 :

СаО

+ ЗС =

СаС 2

+ СО

Нетрудно догадаться, что тот же продукт получался в печах Морх э рда и Уилсона. Способ производства карбида кальция и ацетилена был быстро освоен

промышленностью (к началу ХХ в.

- в 12 странах). Сначала ацетилен при­

меняли для освещения . Но электричество потеснило его, хотя и сейчас путь судам кое-где указывают необычайно нркие ацетиленовые маяки.

В

1901

г. была изобретена кислородно-ацетиленовая горелка , и ацетилен

стали использовать для резки и сварки металлов . В этой сфере деятельно­

сти данный газ до сих пор вне конкуренции . Грубая электросварка не мо­ жет сравниться с газовой, когда нужно выполнить тонкую работу.

По сравнению с любым углеводородным пламенем ацетиленовое

-

самое

горячее: до 3000 °С. Замення кислород другим окислителем , например ок­ сидом диазота на К концу Х!Х в. широкое распро ­ странение

очень

яр­

кие ацетиленовые л ампы.

получил и

Их

500

N 20 , температуру

горения ацетилена можно повысить еще

градусов.

Но это неоспоримое достоинство ацетилена порождает и много проблем.

Данное вещество может распадаться со взрывом и « гореть» даже в отсутст­ вие окислителей. Поэтому повышать его давление выше

2,5

атм опасно.

све­

Сжатый ацетилен не храннт в чистом виде, а растворнют его в ацетоне, да

тиль ников на маяках, ук аз ыва­

еще заполняют баллон какой-нибудь пористой массой, например древес­

ющих путь кораблям .

ным углем. •

использов али

100

в

качестве

химия


КАРБЮРИРОВАННЫЙ ВОДОРОД

-

БЕНЗОЛ

Выдающийся английский физик и химик Майкл Фарадей (17911867) обладал способностью неожиданно находить новое в объ­ ектах, казалось бы, давно изученных и даже обыденных. В 1825 г., занявшись исследованием жидкого остатка светиль­ ного газа, он сумел выделить новое вещество, в котором на один атом водорода приходился один атом углерода . Фарадей изучил физические и некоторые химические свойства подвижной бес­ цветной жидкости со своеобразным запахом, которую он назвал «карбюрированны й водород» .

Бензойная смола Еще в

XVI

бензойная кисл ота -

бензол.

в. при сухой перегонке бензойной смолы научились получать бес­

цветные кристаллы бензойной кислоты. В

1832

г. немецкие химики Фрид ­

рих Велер и Юстус Либих установили формулу этого вещества: С 6 Н 5 СООН. В

1833

Майкл Фарадей.

г. профессор Берлинского университета Эйльхард Мичерлих при

разложении бензой н ой кислоты получил то же самое вещество , которое

ранее обнаружил Майкл Ф арадей:

С 6 Н 5 СОО Н --+ С 6 Н 6 + co 2t и дал ему название « бен зол ». Это вещество оказалось химически малоак­ тивным, тем не менее Мичерлиху удалось получить многие его соедине­ ния . Н апример, действием концентрированной (так называемой «д ымя­ щей » ) азотной кислот ы на бензол он синтезировал нитробензол

с6 н 6

C 6 H 5N0 2:

+ HNOJ--+ C6H5N02+ нр

о

ткрьпиеФарадея. В 1814г. в Лондоне появилось га­

зо вое освещение. В специаль­ ных горелках уличных фона ­ рей сжигали светильный газ

-

смесь водорода и метана , по­ лученную

из

каменного

угля

при нагревании его без досту­

Прои зводные бензола, многие и з которых имели приятный запах, полу­

па во здуха . Светильный

чили наз ва ни е «а ром атическ ие соединения». Дальнейшие исследова н ия

хранили в железных баллонах

показали , что из бензола можно синтезировать и не очень ароматные ве­ щества. Н о , несмотря н а это, на зва ние «а роматические » сохранилось, и сейчас его от н осят ко всем родстве нным бензолу соединениям . •

под давлением. В летние ночи освещение было ярким, а з и­ мой в сильные холода по ка­ кой-то причине тускнело. Газ не да вал яркого света .

Вещество без формулы. В 1861 г. русский химик Александр Ми­ (1828-1886) , обобщив все известное к тому времени об

хайлович Бутлеров

газ

Вла­

дел ьцы газового завода обра­ тились за помощью к химику

Майклу Фарадею .

органических соединениях , предложил наиболее пол ную теорию их химиче­

Фарадей в

ского строения . В отличие от большинства соединений ароматические про­

что часть светильного газа со­

изводные никак не укладывались в ее рамки .

бирается

Лишь спустя четыре года немецкий химик-органик Ф ридрих-Август Ке­

куле

( 1829-1896)

сумел применить теорию Бутлерова и к ним . Он предло­

виде

1825

г . установил,

на д не баллонов в

прозрачной

состава С 6 Н 6 .

Он

жидкости

назвал ее

« карбюрированный водород».

жил циклическую структурную формулу бензола с чередующимися двой-

Это был хорошо известный

ными и одинар н ыми связями:

теперь бензол . П озднее Фара­

сн

н с /~ с н

дей получил его при нагрева­

нии китового жира без досту­ па воздуха . •

1 11 н с ~/ сн сн

М ИР У ГЛЕ РОДА

101


с

он Августа Кекуле. Не­

Формула Кекуле предполагала равноценность всех шести атомов углеро­

мецкий

да . Этого невозможно было добиться, располагая атомы углерода в це­

химик-органик

Фридрих-Август Кекуле долго размышлял

над

структурой

бензола С 6 Н 6 . Ка к-то раз он

почку.

Для проверки своей гипотезы Кекуле получил многочисленные производ­

свиде­

ные бензола. Действительно , все атомы углерода в молекуле вели себя

теля в судебном процессе по

одинаково. Тем не менее такая формула не устраивала химиков-органи­

участвовал

в

качестве

делу об убийстве одной гра­ фини . На процессе демонст­ рировалось ее двух

кольцо

в

переплетенных

виде

змеек ,

ков.

Согласно гипотезе Кекуле, присоединение к двум соседним атомам угле­ рода двух заместителей должно привести к получению двух веществ, име­

которое похитил преступник .

ющих одинако вый состав, но разное строение и свойства (изомеров) . В од­

Эти змейки врезались в па­

ном случае между атомами будет одинарная связь , в другом

-

мять ученого .

Однако подобных изомеров никто не нашел. Поэтому в

1892

Однажды Кекуле долго рабо­ тал над учебником, затем сел перед

камином

Ему приснился углерода

и

очень

задремал.

водорода

лись танцевать

глазами".

и

сон : «Атомы приня­

перед

моими

Длинные

нити

часто

сближались

и свертывались в трубку , на­ поминая двух змей .

Но что

это? Одна из них вцепилась в

зола двойные связи постоянно меняют свое положение.

Несмотря на это, химики не могли утверждать , что версия Кекуле являет­ ся правильной. Подобные двойные связи должны был и сделать бензол хи ­ мически более активным , чем предельные угл еводороды с одинарными связями, но этого не наблюдалось: во многих отношениях его молекула вела себя так, будто в ней нет никаких двойных связей. Расстояния между атомами , соединенными двойными и одинарными связями, должны раз­ личаться , а они одинаковы.

Решить проблему молекулы бензола пытались многие . В

жая

химик-органик Альберт Ладенбург

кружиться

перед моими глазами. Я вне­ з апно пробудил ся и на этот

(1842- 1911)

1869

структурную формулу в виде призмы, что , однако , противоречило вполне

раз провел остаток ночи , что­

установленному плоскому строению бензола. В

проблемы взялся английский физик и химик Джеймс Дьюар

гипотезы ».

моей

Сон ока з ался

в

руку.

Кекуле « сцепил » все атомы у глерода

в

шестиугольник

с

г. немецкий

предложил изображать ее

бы

изучить следствие

г. Кекуле

предложил дополнительную гипотезу , согласно которой в молекуле бен­

собственный хвост , продол­ насмешливо

двойная.

1871

г. за решение данной

(1842-1923).

Первым решить загадку бензола сумел профессор Мюнхенского универ ­

ситета Фридрих-Карл-Иоганнес Тиле

(1865-1918).

В

1899

г. он выдвинул

гипотезу, согласно которой атомы углерода в бензольном кольце связаны

чередующимися двойными и

« полуторными » связями , уступающими в активности двойным или даже

простыми

одинарным. Правда , она не дает ответа на вопрос, почему так сильно раз ­

денные

связями.

Прове­

впоследствии

рименты

доказали

э кспе ­

правиль­

ность гипотезы Кекуле .

личаются свойства бензола и менее устойчивых циклических углеводоро­ дов, молекулы которых состоят из восьми или четырех атомов углерода ,

соединенных чередующимися одинарными и двойными связями: нс

сн

нс /=""-сн 11

11

нс""-_/сн

нс

11 нс

сн

11 --сн

нс--сн

Объяснить строение молекулы бензола химики смогли только с появле­ нием современной электронной теории строения вещества . Эта молеку­ ла совершенно симметричная и плоская , все связи в ней равноценны .

Три электрона каждого атома углерода идут на образование связей с его соседями и атомом водорода, а оставшиеся шесть электронов от шести

атомов углерода образуют единую устойчивую замкнутую систему п-связей.

Сейчас строение бензола можно считать установлен­ ным, но до сих пор не придумано точное графическое изображение формулы. Нередко для обозначения крат­ ных связей используют круг внутри бензольного кольца: Фридрих-Август Кекуле.

102

химия

о


]

Но и формулу Кекуле применяют довольно часто. Впрочем, независимо от

1. Так представляли себе строе­

формы записи химик всегда помнит, что все углерод

ние бензола различные ученые

-

углеродные связи

в молекуле бензола равноценны и обладают свойствами , не похожими ни

до открытия Кекуле.

2.

на свойства двойных, ни на свойства одинарных связей. •

Шутливое изображение бен­

зольного кольца в виде стайки

Неуловимый прямоугольник. Появление формулы Кекуле

обезьян .

для чрезвычайно устойчивой молекулы бензола дало толчок поискам мето­

дов синтеза соединений, имеющих сходный состав (СН)" и строение с че­ редующимися одинарными и двойными связями : циклобутадиена из четы­

рех и циклооктатетраена из восьми атомов углерода. Самому Кекуле это, однако , не удалось. Лишь в начале ХХ в. немецкий химик-органик Рихард­

Химия от А до Я

Мартин Вильштеттер сумел получить циклооктатетраен , оказавшийся го­

раздо более неустойчивым, чем бензол . Но циклобутадиен , который дол­

Парафин

жен иметь форму прямоутольника или квадрата, так и не покорился экспе­

водородов. продукт переработки неф­

-

воскообразная смесь угле­

ти .

риментаторам.

Невозможность получения циклобутадиена, казалось бы, нашла и теоре­ тическое подтверждение . В

1930

г . немецкий физик и химик-теоретик

Питьевая сода трия

-

гидрока рбонат на ­

NaHC0 3.

Эрих Хюккель объяснил высокую устойчивость комбинации из шести элек­

Полимеры

тронов, характерной для ароматических соединений, на основе современ­

которых состоят и з множества повто­

ной теории строения вещества. Он рассчитал, что устойчивы лишь те сис­ темы с чередующимися двойными и одинарными связями, в которых чис­

ло электронов равно 4п

+ 2 (где п -

число атомов углерода в циклической

молекуле) . Так что циклооктатетраен и еще не полученный циклобутадиен оказались совсем не родственниками бензола . Их выделили в отдельную группу углеводородов-«аннуленов» (от лат.

«аннулюс>)

-

«перстень>),

«КОЛЬЦО>)) .

В середине ХХ в. химики возобновили попытки синтезировать неулови­ целая

соед инения , мол е кулы

ряющихся фрагментов, такие как по­

л и этилен ( - СН 2 - СН 2 - (п , поливи­ нилхлорид

(-CH 2- CHCl-1n

nолинг, Лаiiнус-Карл

и др.

( 1901 - 1992) -

американский физик и химик , автор иде и гибридизации атом ны х орбита­ ле й при образовании хими•1еской свя­

з и . Разработал шкал у эле ктроотрица­ тельности химических элеме нтов .

мый прямоугольник. В священа

-

книга ,

1967 г.

этому неполученному соединению была по­

написанная

американскими

исследователями .

С этого момента начались еще более активные поиски. Одно за другим по­ являлись, а затем опровергались сообщения о синтезе циклобутадиена.

nристлн, Джозеф

(1733-1804) -

nротолиз

-

обменная реакция между

веществами-протолитами с передач ей протонов от кислоты к основанию.

Сейчас уже можно сказать, что это антиароматическое соединение все же

nротон (р+) -

получается на мгновение в процессах, которые используются для синтеза

частица , ядро атома водорода .

ряда органических веществ.

а нг­

лийск ий химик , открыл кислород.

нуклон, элементарная

• МИР УГЛЕРОДА

103


СПИРТЫ Спирты - это большой и важный класс органических соедине­ ний, содержащих одну или несколько гидроксильных групп ОН, присоединенных к атому углерода.

д

ушистые эфиры. Мно­ гие

известны е

вещества

душистые

относятся

к

классу

сложных эфиров

-

ных спиртов

карбоновых

и

прои звод ­

Если в молекуле предельного углеводорода С Н 3 (СН 2 )"СН 3

один атом водорода заместить на группу ОН , получится одноатомный алифатический (предельный) спирт

кислот. Они широко распро­

олы » ) или вообще многоатомные

странены

одной гидроксильной группы.

в

природе

и

дают

разнообразные оттенки матов хидеи,

ро з

-

аро­

от тропической ор ­ лаванды,

до

гисщинтов

хорошо

фруктов.

и

з накомых

Н а пример , бутила­

цетат и изобутилацетат

суснобутиловый

и

-

ук­

уксусно­

изобутил овый эфиры

-

име ­

ют сильный фруктовый за пах. Амилацетат и изоамил-ацетат

-

уксусноамиловый и уксусно­

изоамиловый э фиры ют за пах

груши ,

тиловый

эфир

а

-

име­

масляноэ ­

(этилбутират)

пахнет ананасом.

Этиловый

э фир

вой кислоты лат,

-

салицило­

этилсалици­

напоминает

по

запаху

масло зеленого барвинка

и

применяется для духов и оде­

-

например метанол , этанол, пропа­

нол ... Спирты бывают также двухатомные («диолы»), трехатомные («три­

-

когда в состав молекулы входит более

« Ни зшие» спирты с числом атомов углерода в молекуле меньше

12 -

жид­

кости. Температуры их кипения значительно выше , чем у предельных уг­

леводородов (алканов) с такой же молекулярной массой. Н апример, этан С2 Н 6

-

газообразное вещество , а этанол С 2 Н 5 0Н

-

жидкость с температу ­

рой кипения 78 °С.

Это объясняется тем, что молекулы спирта не вполне свободны: между ними существует водородная связь. Испарить такую жидкость труднее :

на это должна затрачиваться дополнительная энергия. Образованием си­ стемы водородных связей между молекулами спирта и воды объясняется и хорошая р астворимость ни з ших спиртов в воде.

Каждая молекула спирта объединяет в себе два начала: полярную гидро­ ксильную группу и неполярный алкильный радикал.

Старинное правило средневековых химиков гласит: « Подобное растворя­ ется в подобном». Так что понятно , почему многие спирты

-

хорошие

растворители как для ионных соединений (например , гидроксидов ще­

лочных металлов) , так и для веществ с неполярными молекулами (напри­

колонов типа « Шипр ». Более

мер , углеводородов).

изысканный аромат у амилса­

Спирт , в котором гидроксильная группа связана с бензольным кольцом ,

лицилата

называется фенолом (карболовой кислотой). Его состав выражается фор­

-

амилового эфи­

ра салициловой кислоты: он пахнет орхидеями

и

по этому

часто применяется в парфю­ мерных составах.

мулой С 6 Нрн .

Эфиры простые и сложные. в присутствии концентриро­ 180 °С спирты дегид­

ванной серной кислоты H 2S0 4 и при нагревании до ратируются , давая

непредельные соединения.

Наприм ер,

из этано­

ла С 2 Н 5 0Н получается этилен:

С2 НРН ~ с2 н 4

+ нр

Если же процесс вести при более ни зкой температуре

(140

°С) , а этанол

взять в избытке, то прои зойдет межмолекулярная дег идратация (отщепле­ ние молекулы воды от двух молекул спирта). В результате образуется диэ­ тиловый эфир С 2 Н 5 (0)С 2 Н 5 , относящийся к классу простых эфи ров :

С2 Н г ОН

+

Н-О - С2 Н 5 ~ С2 Н 5- О -С 2 Н 5

Диэтиловый эфир открыли в

1544

+

нр

г. Свойства полученной жидкости бы­

ли удивительны: она очень легко испарялась, ведь температура ее кипе­

ния составляет всего лишь

34 °С.

Диэтиловый эфир плохо растворяется в

воде , но хорошо смешивается с жирами и веществами , входящими в со­

став оболочек нервных клеток. Вот поч ему он обладает обезболивающим действием и долгое время использовалс я для наркоза.

104

химия


Кроме простых эфиров, существуют и сложные. Они получаются при вза­ имодействии карбоновых кислот со спиртами:

СН 3 СООН

+ С 2 НрН

~ СН 3 СО(О)С 2 Н 5 + Н р

этиловый эфир уксусной кислоты (этилацетат)

V уст Моисея. Как повест­ ~ует Библия (Исход, 111 , 2) , пророк Моисей пас овец и од­ нажды увидел , « что терновый куст горит огнем , но". не сго­

рает ». Действительно,

среди

синайских песков растет кус­

Катализатором реакции образования сложных эфиров (реакции этерифи­

тарник диптам, который в тех

кации) служит серная кислота

местах до

H 2S0 4 •

В состав природных эфирных масел, обладающих приятным запахом, вхо­

сих

пор

называют

« куст Моисея » .

В

1960 г. польские ботаники

дят многие сложные эфиры. Некоторые из них получают искусственно .

вырастили это растение в за­

Это « фруктовые эссенции », которые добавляют в продукты питания , что­

поведнике ,

бы придать им аромат плодов и ягод .

ких лет них д ней оно действ и­

Для за щиты поверхности бронзовых статуй применяют различные лаки, в состав которых часто входят полимерные сложные эфиры. Н апример, по­

и

в один

и з жар­

тельно « загорелось» голубова­

то-красным

пл аме нем.

мечательно ,

что

либутилметакрилат получается полимери за цией бутилового эфира мета­

ние

криловой кислоты , имеющего формулу:

вредимым .

само

При­ расте­

оставалось при этом не­

Дальнейшие

исследования

показали , что диптам выделя­

ет летучие эфирные масла. В тихую безветренную погоду концентрация летучих эфиров в

воздухе

вокруг

куста

ре зко

увеличивается. Под действи­ ем прямых солнечных лучей

они воспламеняются и быст­ ро

сгорают

э нергии ,

в

с

выделением

основном

в

виде

света. Вот почему этот кустар­ ник

на зва н

« неоп алимая

ку­

пина ». •

Однажды Моисей увидел тер­ новый куст, охваченный огнем .

Ученые полагают , что это был диптам, выделяющий эфирные масла.

Под действием лучей

солнца они загорались.

МИР УГЛЕРОДА

105


Спирт

-

восстановитель. Характерной особенностью спир­

тов является их восстановительная активность. Например, эта нол С 2 Н 5 0Н в подкисленном растворе дихромата калия

K2Crp 1 окисляется до уксусного

альдегида СН 3 СНО:

После завершения реакции раствор становится зеленым за счет катионов хрома

(111),

входящих в состав сул ьфата хрома

Cri(S04) 3•

Подобное изменение окраски используется в криминалистике для опре­ деления следов эт ил ового спирта в органи зме ч ел овека .

В лаборатории для получения а цетальдегида (уксусного альдегида) р ас­

твор дихромата калия

K2Crp 1 в

эта ноле С 2 Н 5 0Н при л ивают из капельной

воронки в колбу с горячей серной кислотой. Образующ ий ся альдегид сра­

зу же отгоняется , т. к. температура его кипения Александр Михайлович

(20,8 °С) з начительно ни ­

же температуры кипения спирта, а дал ьне й ш его окисления альде гида до

Бутл еров.

уксусной кислоты СН 3 СООН не происходит.•

Что такое «Масло масляное»? Жиры - это тоже сложные - глицерина С 3 Н 5 (0Н) 3 и высших

эфиры , только трехатомного спирта

карбоновых кислот. Нама з ывая масло на хлеб, человек и не подоз рева ­ ет,

Химия от А до Я Радиоактивность

способность атом­

-

что

имеет

дело

с

глицериновым

э фиром

масляной

кислоты

С 3 Н 7 СООН. Глицериновые эфиры пальмитиновой и стеариновой кис­

ны х ядер х имич еских элеме н тов к рас­

лот (С 1 5 Н 31 СООН и С , 7 Н 35 СООН) входят в состав многих жиров и масел

паду с 11ереходом одних изотопов хи­

растительного и животного происхождения, а ненасыщенной олеино­

мических

вой кислоты С 1 1 Н 33 СОО Н, в молекуле которой есть двойная связь,

элеме н тов

в

друг и е,

чаще

всею сопровождается испусканием а ,

J3 или у- и злуч е ни я . Растворимость

- с пособ н ост ь вещест­

ва растворяться , измеряется

кон цент ­

раци еll насыщенного при да нной тем ­

однородные жидкие , газо­

-

образные ил и тве рд ы е смеси п ере м е н ­ ною состава.

воздуха.

Однако кратные связи могут быть и полезными . Например , если покрыть поверхности образуется прочный защитный слой. Он возникает из-за то­

го, что кислород воздуха

-

это «зачинщик» (или , как говорят химики,

инициатор) реакции полимеризации соединений с двойными связями ,

Резерфорд, Да11иел лийский

ответственно за быстрое окисление растительного масла кислородом

какой-либо предмет масляной краской, то спустя некоторое время на его

п е р ату ре р аство ра .

Растворы

-

в состав оливкового масла. Наличие двойных связей в этом соединении

хими к

(1749-1819)

и ботаник,

-а нг­

отк рыл

азот .

входящих в состав растворителя

-

например, олифы. И фактически плен­

ка краски или лака на поверхности изделия

-

это гигантская макромоле ­

кула полимера .

Резерфорд, Эр11еет

( 187 1- 1937)

- анг­

ш1йский физик ; предложил планетар ­

В современных развитых странах почти половина потребляемых продук­

-

н ую модель атома, где пол ожительн ый

тов питания

за ря д и масса н аходятся в центральной

фактом связывают рост сердечно-сосудистых заболеваний. Там, где по

части

атома

-

ядре,

вокруг

которого

вращаются электроны.

Иеремия-Ве1tиамин

1807) -

немецкий х имик -технолог;

( 1762 -

п ервый расположил х ию1ч еск и е эле­ менты в ряд по возрастанию и х атом­

дра r·оценная разновидность

минерала

количество ненасыщенных соединений, содержащих непредельные жир­

ные кислоты. Н енасыщенные соединения, в молекулах которых имеются двойные связи , противодействуют окислительным процессам , протекаю­ щим в организме и приводящим к старению его сердечно-сосудистой си­

ных масс .

-

традиции еду готовят на расти тельном масле, вероятность таких заболева­

ний невысока. Это объясняется тем , что в растительном масле большое

Рихтер,

Рубин

это жиры, и главным образом животные. Именно с этим

корунда ,

оксида

алюминия

А1 2 0 3 , окра ш енная примесями в крас ­ ный цвет.

стемы.

С другой стороны , в некоторых государствах Аз ии и Африки на долю жи­

ров приходится менее

10% пищевого рациона,

и население этих стран стра­

дает и з -за неполноценного в энергетическом отношении питания. Рунге,

Фридлиб-Фердина1щ

1867) -

немецкий химик-органик , об­

( 1794-

наружи л в каме нн оугольной смоле фе­ нол и а ни лин .

106

химия

В человеческом организме жиры

-

а они составляют почти

1/ 10

массы тела

-

образуют своеобраз ный « склад », откуда черпается энергия, необходи мая для

жизни и деятельности. Жиры также способствуют пищеварению , смазывая


поверхность пищевода и помогая продвижению по нему пищи. Кроме того , некоторые витамины, например А,

D,

Е, мoryr поступать в организм и усва­

иваться им только в растворенном (но не в воде, а в жирах) виде. Воски

-

это сложные эфиры высших одноосновных карбоновых кислот и

высших одноатомных спиртов. Например, в состав пчелиного воска вхо ­ дит сложный эфир пальмитиновой кислоты С 1 5 Н 3 1 СООН и мирицилового

спирта с) lнбрн .

А кашалотовый воск, он же спермацет, представляет собой сложный эфир

той же кислоты и цетилового спирта С 1 6 Н 33 0Н.

с мя

пирты , жиры и стирка. Если жиры долгое вре­

кипятить

калия

КОН

NaOH,

то

омыления ,

торого

Изомеры. Если число атомов углерода в молекуле спирта равно че­ тырем, то говорят о бутиловых спиртах. Оказывается, сушествует несколько структур для С 4 Н 9 0Н:

в

творе щелочи

водном

-

рас ­

гидроксида

или

натрия

пойдет процесс в результате ко­

образуются

рин

и

мыла

или

натрия

-

глице­

соли

калия

соответствую­

щей карбоновой кислоты.

Например:

н-бутиловый спирт

Н 3С

СН

-

-

СН 2

-

СН 3

Процесс омыления был изве­ стен

1

ОН

с древнейших времен,

когда животные

вторичный бутиловый спирт

тили

в воде

жиры

кипя­

с добавлением

древесной золы, содержащей

карбонат

СН 3

СН

-

(поташ)

Образующиеся при омылении

1

Н3С

калия

~С0 3 .

-

СН 2

-

ОН

изобутиловый спирт

жиров стеарат-анионы объе­

диняют в себе два начала: с одной стороны , группа соо ­ обладает «сродством » к воде

(химики говорят , что она гид­ рофильна, т . е . способна сма­ чиваться

водой). А длинная

углеводородная цепь обладает « сродством » к жирным загряз­

СН 3

нениям,

третичный бутиловый спирт

она

другими

гидрофобна.

словами ,

Углеводо­

родные концы карбоксилат­

Свойства этих спиртов различаются (например, они кипят при разных

ионов

температурах). Это явление

ному пятну , проникают в него

-

став , ведут себя по-разному греч.

-

когда вещества, имеющие одинаковый со­

-

называется «изомерия» (в переводе с

« составленный из одинаковых частей » ), а вещества одинакового

Изомеры были известны достаточно давно. Еще в

1822 г.

немецкий химик

Фридрих Велер получил серебряную соль изоциановой кислоты

к

жир­

и окружают со всех сторон .

Так образуется мицелла (от лат .

mica -

торая

состава именуют изомерами.

перемещаются

легко

« крошечка» ), ко­ удаляется

промывании ткани водой .

при

AgNCO,

а годом позже соотечественник и друг Велера Юстус Либих обнаружил , что серебряная соль гремучей кислоты , фульминат серебра

AgCNO,

име­

ет состав , тождественный составу соли Велера, однако свойства этих со­ единений резко отличаются.

В течение длительного времени соединения серебра, полученные учены­ ми, бьmи единственными

примерами изомерии.

По мере накопления

экспериментальных данных бьmи обнаружены другие вещества , имеющие

одинаковый состав , но разные физико-химические свойства. Все попытки объяснить это интересное явление оказались неудачными. И только спус­

тя почти

40 лет явление

изомерии бьmо теоретически обосновано и объяс­

нено русским химиком-органиком Александром Михайловичем Бутлеро­ вым .

• МИР УГЛЕРОДА

107


ЬДЕГИДЫ И КЕТОНЫ

ксусную кислоту на рубе­ у же XVll - XYlll вв. в Рос­ сии называли « Кислой влаж­ ностью » или «д ревесной кис­

лотой » . Добывали ее при су­ хой перегонке древеси ны ли­ ственных пород , пре жле всего

березы. Полученный продукт отстаивался ,

смола

и

деготь

садились на дно, а сверху ос­

тавался темно-бурый раствор

-

смесь уксусной кислоты , ме­ тилового (древесного) спир­

та СНрН , ацетона (СН 3 )2СО , воды и д ругих веществ.

Чтобы

отделить

уксусную

кислоту , к этой жидкости до­

Альдегиды и кетоны - два важных класса органических соеди­ нений, в молекулах которых имеется карбонильная группа СО. В молекулах альдегидов R-CHO эта группа соединена с одним атомом водорода и органическим радикалом R. В молекулах ке ­ тонов с атомом углерода карбонильной группы СО связаны два радикала R и R': RC(O) R', где R - СН211 + 1, R ' - С111Н2111 + 1, и хими­ ческая активность кетонов меньше, чем у «родственников» альдегидов. Так как атом углерода в карбонильной группе связан еще с двумя атомами, то свойства получившихся соединений сильно отличаются от карбонилов - комплексных соединений с монооксидом углерода СО.

бавляли мел (карбонат каль­ ция СаС0 3 ) и осаждали « При­ горело- д ревесную

соль » ,

«д ревесно-кис лую

или

соду »,

-

ацетат кальция Са(СН 3 С00) 2 :

=

+ 2СН 3 СООН

СаСО 3

=

Ca(CH 3C00)2-l- + нр + C02t

Потом отцеженный от р аство­ ра

ацетат

кальция

Латинское название «альдегид» означает «спирт, лише нный 3

водорода ». и действитель но , уксусный альдегид (аuетальдеги д) СН СНО отличается по составу от этилового спирта С 2 Н 5 0Н на два атома водорода . Для кетонов

-

зако номерность такая же, но отличие будет в составе кето­

на и соответствующего вторичного спирта. Один из самых известных ке­ тонов

-

аuетон

-

как раз и получают дегид риров анием изопропилового

спирта С Н 3 СН(ОН)СН 3 :

разлагали

СН 3 СН(ОН)СН 3 ---+ (СН 3 ) 2 СО

серной кислотой:

+ H2t

ацетон

Са(СН 3СОО) 2 = 2СН 3 СООН а

+ н 2 sо. = + CaSO)

выделившуюся

уксусную

Альдегиды и кетоны получают также окислением с пиртов . И з первичных спиртов образуются альдегиды, а и з вторичных

кетоны. Эти соедине­

-

кислоту отделяли перегонкой .

ния образуются также при действии раствора гидроксида натрия

«древесный уксус есть не что

дигалогенидные

иное,

н аходятся у од ного и того же атома углерода:

как

кислота ,

произве­

NaOH

производ ные углеводородов, у которых атомы

на

галогена

де нная от сгущения дыма и га­ зов,

отделяющихся

при жжении угля»

от

-

CH 3CHBr 2 + 2NaOH

д ерева

так опре­

деляли уксусную кислоту рус­

ские химики в начале

XIX

в.

Совсем д ругие способы полу­ чения вали

+ 2NaOH

использ овали

див шее вино .

перебро­

+ 2NaBr + нр

= СН 3 С Н 2 СОСН 3

Наиболее известные альдегиды

н

Ато.м углерода

"""

1

(уксусный альдегид) С Н 3 СНО. Форм альдегид представляет со­ бой газ с резким запахом, раздра­ жающий

1 -

функционалыюя

ал ьдегидов ;

2-

108

ацетал ьдегид.

химия

группа

-

это формальдегид (муравьиный альдегид) Н СНО и аuетальдегид

/

Строение альдегидов:

+ 2NaBr + нр

метилэтилкетон

кислоты существо­

у аптекарей-алхимиков

средневековья: для перегонки

они

СН 3 СН 2 СВг 2 СН 3

концентрированной

уксусной

= С Н 3 СНО

ацетальдегид

н

н

1

1

н-

слизистые

оболочки

глаз , носа и рта. Причин а подоб­ ного воздействия заключается в

том , что формальдегид образует соединения

с

белками ,

входя­

щими в состав ра злич ных тканей 1

н

организма. Пр и этом мышuы и ткани

становятся твердыми,

дерево.

как


Но это еще не все. Формаль­

Строение кетонов:

н

1

дегид также убивает микро­

2

1-

бы. Вот почему 40-процент­ 1

ный раствор этого вещества

н-

- формалин - при­ меняют для консервирова- ~ в воде

ния

тканей

и

органов ,

~

/

:..:.:. :. : 0

/

Неудивительно, что в зооло­ и

2-ацетоN.

а

иногда и целых организмов.

гических

функциональная группа

кетонов;

н-

анатомических

музеях, кунсткамерах иногда

Атод1 углерода 1

ощущается специфический

н

запах формалина. Известно , что дешевую мебель изготавливают из дре-

весно -ст ружечных плит с применением искусственной смолы, содержа­

щей формальдегид. В помещениях, обставленных новыми гарнитурами , нередко ощущается неприятный за пах , вызывающий даже слезотечение.

Муравьиный альдегид тяжелее воздуха, поэтому он постепенно скаплива­ ется в нижней части комнаты , над полом , и от неприятных и раздражаю­ щих запахов страдают прежде всего дет и .

Формальдегид НСНО получают, в некоторых случаях, окислением мета­

нола снрн в присутствии катализато ра при

2снрн

+ 02~

2нсноt

600 °С:

+ 2нрt

либо окислением метана СН 4 при повышенном давлении и

СН 4

+02~

нсноt

+

450 °С:

нрt

Формальдегид НСНО полимеризуется, давая параформальдегид

соеди­

-

нение, содержащее длинные цепочки полимерных молекул:

... - 0 - СН г О -С Н г О - СН г ··· Его гораздо ле гче перевозить и хранить, чем летучий НСНО. При нагре­ вании

параформальдегида

снова образуется

его « младший

брат »

-

формальдегид.

При взаимодействии аммиака саметилентетрамин

(CH 2) 6 N4 •

NH 3 и

параформальдегида получается гек­

Другое название этого соединения

-

урот­

ропин. Спрессованный уротропин известен как бездымное твердое горю­ чее (твердый спирт). Это вещество с различными добавками применяется в медицине и в производстве пластмасс.

Вы деля ющийся при окислении эта нола ацетальдегид СН 3 СНО

-

легко­

кипящая жидкость с характерным запахом прелых яблок . Если получен­ ный продукт обработать серной кислотой

H2S04

(достаточно одной кап­

ли!), то образуется циклический полимер, состоящий из трех молекул альдегида, в которых двойная связь углерод-кислород « раскрылась » и

возникла возможность для объединения получившихся частиц в более сложные.

Алхимический опыт . Вверху: «царя» (селитру) под­ жаривают в реторте.

Внизу: опыт не удался, крышка отскочила,

и

вместо

царя

l1З

За счет этого температура кипения паральдегида (так называют это соеди­

реторты

нение) значительно выше , чем у исходного ацетальдегида, и составляет

св иньи и индюк. С рисунка из

124 °С.

книги Иоанна-Исаака Голанда

Паральдегид гораздо удобнее перевозить и хранить, чем летучий

ацетальдегид.

При

необходимости

из паральдегида можно получить

« Спрятавшийся » ацетальдегид и использовать его для синтеза различных

выскакивают

две

« Собрание разных достоверных хидщческих кни г».

химических соединений. •

МИР УГЛЕРОДА

109


Атаки на карбонил. Карбонильная группа СО , входящая в со­ став и альдегидов, и кетонов , «отвечает» за реакционную способность

присоединять водород Н 2 •

этих соединений. Альдегиды и кетоны могут

При этом из альдегидов образуются первичные спирты, а из кетонов

-

вторичные. Данные реакции обратны реакциям получения этих соедине­ ний из спиртов. Все альдегиды

-

восстановители. Например , в реакции «сереб ряного зер­

кала» альдегид , восстанавливая серебро в виде блестящего тонкого слоя , покрывающего стенки сосуда , превращается в карбоновую кислоту. Так,

ацетальдегид СН 3 СНО взаимодействует с катионом диамминсеребра

[Ag(NH 3) 2]+ с

Карл- Вильгельм Шееле.

Ш

выделением металлического серебра

Ag, N н ;:

сусной кислоты СН 3 СООН и катионов аммония

образованием ук­

ееле и принц Пруссии.

Постепенно имя молодого химика Шееле стало известно не только в Упсале, но и в Стокголь­ ме - столице Швеции . В 1774 r. Швецию посетил принц Прусский. Будущий мо­ нарх почтил своим присугстви­

ем университет в Упсале. приеме

в

актовом

зале

На

имени­

Что

произойдет,

если

нагреть

в

пробирке

раствор формальдегида

НСНО с пероксидом водорода Н 2 О 2 , а затем внести в выделяющиеся па­

ры увлажненную синюю лакмусовую бумажку? Спустя некоторое время она покраснеет. Изменение цвета индикатора связано с тем, что перок­

сид водорода окисляет формальдегид до муравьиной кислоты НСООН ,

тый гость произнес:

которая в водном растворе подвергается обратимому протолизу с обра­

-

зованием катионов оксония Н 3 0 + и формиат-ионов нсоо - :

Я вполне удовлетворен тем,

что здесь увидел. Особенно хоро­ ша ваша библиотека, она поис­ тине одна из самых больших в

нсно

+

нр 2 ~ нсоон

+

нр

+

нр +

Европе. Но я хотел бы просить

нсоон

вас продемонстрировать мне не­

+

нр ~ нсоо-

которые химические опыты. Мо­

гу ли я рассчитывать на это? Попытаемся, Ваше Высочест­

-

во, - ответил Торнберн Берr­ ман, известный химик. - Наде­ юсь, господин Шееле удовлетво­

И альдегиды, и кетоны воспламеняются и горят на воздухе , образуя диок­ сид углерода со2 и воду:

рит вашу просьбу!

Шееле , стоявший в глубине за­ ла , побледнел. Демонстрировать опыты

поклонился.

-

Ваше желание вполне выпол­

нимо ,

(СН 3 ) 2 со

перед такой аудитори­

ей? .. Принц смотрел на Шееле в ожидании . Карл вышел вперед и

однако

мы

для

этого

не

совсем готовы. Если Ваше Высо­ чество сможет подождать полча­ са, думаю,

мы

сумеем

подгото­

+ 40 2= зсо 2 t + знрt

« Острое масло» Шееле. в 1779 г. шведский химик и аптекарь Карл-Вильгельм Шееле получил новое вещество, которое впоследствии назвали глицерином.

Чтобы исследовать свойства глицерина, Шееле решил освободить его от примеси воды: добавив водоотнимающее вещество, химик стал пе­ регонять эту вязкую бесцветную жидкость. Поручив своему помощни­

виться к проведению опыта.

-

Тем лучше , господин Шееле. Я хочу взrлянугь и на приготов­

ку следить за перегонкой глицерина, Ше еле отлучился из лаборато­

рии ... Когда он вернулся, помощника не было на месте, а в комнате

ления. Не возражаете? Эти высокопоставленные особы

стоял столь резкий запах, что у Шееле из глаз хлынули слезы ... Так

не знают меры. Шееле поджал

было получено еще одно новое вещество

губы и сухо ответил: - К вашим услугам, Ваше Вы­

-

акролеин СН 2 = СНСНО,

альдегид акриловой (этиленкарбоновой) кислоты , отвечающей форму­

сочество.

ле СН 2 =СНСООН.

Все направились в лабораторию. Шееле показал принцу интерес­

связана с отрывом двух молекул воды от глицерина.

ные опыты,

и

тот засыпал

его

вопросами. Шееле давал объяс­ нения , не подавая вида , что по­

Реакция образования акролеина (в переводе с греч. Акролеин

-

бесцветная легкокипящая жидкость, пары которой раздра­

нял по вопросам высокого гостя

ческим действием.

причина неприятного запаха подгоревшего масла.

110

химия

« острое масло » )

жают слизистые оболочки глаз и дыхательных путей и обладают токси­

его невежество ...

-

Образование ничтожных количеств акролеина

-


БЕЛКИ И САХАРА Какие вещества являются главными для живого организма? На первом месте стоит вода: в растениях ее содержится до 95%, в теле человека - 60-65%. А половина всего остального прихо­ дится на белки. Это природные полимеры, играющие важней­ шую роль в жизнедеятельности любого живого существа.

т

рижды пе рвый. На ру­ беже

XIX

установили ,

и ХХ вв. врачи что

причиной

развития тяжелейшей болез­ ни

сахарного диабета

-

-

яв­

ляется нехватка какого-то ве­

щества, вырабатываемого под­

«Кирпичики» белков

-

аминокислоты. Белки постро­

ены из остатков аминокислот. Что же это за странные вещества, соединя­ ющие свойства органических оснований

-

аминов и карбоновых кислот?

В состав аминокислоты обязательно входит аминогруппа

(NH 2)

и карбок­

желудочной нее ,

железой

островками

(а точ­

из особых

клеток) . Это еще не открытое вещество , являющееся одним

и з гормонов (регуляторов би­ охимических процессов) , на­

сильная группа (СООН). Эти функциональные группы могут присоединяться к углеродной це­

звал и инсулином (от лат . iпsu­

la - « ОСТРОВОК>>).

почке или кольцу по-разному , но наиболее важными являются амино­

Лишь в

кислоты , в которых аминогруппа находится рядом с карбоксильной.

дики

Аминокислоты мало похожи на породившие их кислоты и основания .

тинг и Джон-Джеймс-Ричард

Они лучше растворимы в воде, чем в органических растворителях, лег­ ко кристаллизуются , имеют большую плотность и очень высокие (для органических веществ) температуры плавления и разложения. В неор­

г. канадские ме­

1921

Фредерик-Грант

Маклеод

получили

Бан­

первый

препарат инсулина и убеди­

лись в его лечебном действ ии. Инсулин

первый

-

гормон ,

ганическом мире такими свойствами обладают ионные соединения .

для которого была установле­

Аминогруппа проявляет основные

на белковая природа . Он стал

свойства: она , подобно аммиаку ,

способна присоединить катион водорода. А карбоксильная группа кис­ лотная: она легко отдает протон. Но ведь в аминокислоте эти две груп­ пы расположены рядом.

первым

белком ,

первичная

структура которого была рас­ шифрована и

который

уда­

лось синтезировать в лабора­

Вот почему в твердом состоянии и даже в растворе большинство амино­ кислот находится в виде цвиттер-иона (в переводе с нем.

- «двойной ион»):

тории.

Работа Бантинга и Маклеода была отмечена Нобелевской

R-CH

премией

-Соо -

премию

ного

( 1923 за

порядка

инсулине

г. ) . ТаКУЮ же

определение

и

еще

щелочной с протоном расстается группа -N н ; . Но карбоксильная груп­ па все же немного слабее связывает протон, чем аминогруппа , поэтому водные растворы аминокислот имеют слабокислотную среду. •

лийский

в

нескольких

белках получил в

В кислотной среде этот ион присоединяет протон к группе -Соо -, а в

точ­

аминокислот

1958

химик

г . анг­

Ф редерик

Сенгер. А уже через пять лет немецкие биохимики во главе с Хельмутом Ц аном провели синтез

ИСКУсственноrо

инсу­

лина.

Как построены белки. Аминокислоты способны соединяться друг с другом , отщепляя молекулы воды. Получаемые при этом связи

-CO-NH-

называют пептидными , а образующиеся цепочки

-

полипеп­

тидными:

лок

из

получаемых

CH - CO- NH-CH-CO 1

1

R

R

П одобным образом могут соединяться сотни и даже тысячи аминокис ­

лот, образуя полимеры

-

белки .

В этом процессе участвуют около

в промы­

шленном масштабе: содержа­ ние инсулина

Н 2N-

30

Инсулин установил еще один

рекорд. Это самый чистый бе­

в готовом

дукте составляет

95 %.

про­

Миро­

вое производство инсулина

-

около двух тонн в год. П рак­ тически

идет

все

это

на помощь

количество

больным,

страдающим диабетом. •

аминокислот, но число комбинаций, которые они могут образовы­

вать , практически бесконечно (так с помощью трех десятков букв на­ писано неисчислимое количество книг , не похожих одна на другую). Каждый белок имеет неповторимую цепочку из остатков аминокис­ лот

.• МИР УГЛЕРОДА

111


д

о ~зобретения бумаги ки­ таицы

делали

записи

на

панцирях черепах, костях жи­

вотных,

а позднее на бамбу­

ковых дощечках

и

на

шелке .

Дощечки с дырочками связы­ вали шнурком

-

таковы пер­

вые китайские книги. Читать эти тяжелые фолианты было

трудно. зы

Сохранились расска­

о древнекитайском

мыс­

«Ч етыре измерения)> белков . Структура белков определяется не только последовательностью соединения различных аминокислот в по­

липептидных цепях, но и расположением последних. В нашем трехмерном пространстве белки имеют четыре порядка организации своей структуры.

Одно из наиболее детально изученных белковых веществ П оложение каждого из

10

-

гемоглобин.

тыс. составляющих его атомов сейчас точно

установлено .

Первый порядок, или первичная структура, цепь с определенной

это сама полипептидная

-

последовательностью аминокислотных остатков.

Однако она не является прямой или зигзагообразной, а закручена в спи­

лителе, которого в путешест­

раль, витки которой удерживаются водородными связями или с помощью

виях по стране сопровождали

других типов взаимодействия. Так образуется вторичная структура белка ,

десятки повозок с подобны­

ми бамбуковыми книгами. От всех этих трудностей избави­ лись в самом начале

11

в., ког­

которая может быть и складчатой.

На этом формирование структуры белка не заканчивается. Спирали скла­ дываются или закручиваются наподобие клубков. Это третичная структура.

да был изобретен совершенно

В гемоглобине четыре таких клубка объединены в одну более крупную ча­

новый материал для письма.

стицу (четвертичная структура).

Китайский ученый Цай Лунь, обобщив опыт многих безве­ стных

мастеров ,

разработал

способ изготовления бумаги.

Древесную

кору,

коноплю,

тряпье долго варили

Полученную массу

в

чанах.

волокнистую

выкладывали

на

четы­

рехугольную сетку, чтобы сте­ кала

вода.

Образовавшиеся

рыхлые и влажные листы про­

Все уровни структуры, а значит, и свойства белков определяются первич­

ной структурой. Замена всего лишь одного аминокислотного остатка из трехсот в молекуле гемоглобина резко меняет его форму и свойства. Гемо­ глобин перестает переносить кислород, вызывая одну из разновидностей анемии

-

серьезного заболевания крови.

Макромолекулы белков не обязательно являются шарообразными. Часто встречаются и нитевидные частицы. Именно такую форму имеют, напри­

мер, молекулы белка, вызывающего свертывание крови,

-

фибрина. При

кровотечении организм дает команду синтезировать его в больших коли­

сушивали, прокатывали, про­

чествах. Пронизывая жидкость своими нитями , молекулы фибрина за­

питывали

ставляют кровь густеть, а затем превращают ее в твердую корочку. •

клеем,

вращались

в

и

они

тонкую ,

пре­ проч­

ную и легкую бумагу. Этот материал, удобный

Зачем нужны белки . Белки не зря называют еще и протеина­

и деше­

вый, быстро заменил бамбук

ми (от греч. «протос»

и шелк.

строительный материал живых организмов. Они являются составной ЧR­

Искусство изготовления бу­ маги позднее было позаим­ ствовано

Через

другими

народами.

500 лет бумагу стали де­ 700 лет -

-

«Первый») . Роль их огромна. Эти вещества

стью оболочек и содержимого клеток. Без белков невозможен рост расте­ ний, животных и человека. Это самая заметная функция белков , но лишь одна из многих.

лать в Корее, через

Химические реакции, протекающие в клетках,

в Японии. В Европе первые бумагоделательные заводы

лизаторами служат специальные белковые молекулы

появились в ке

-

Xl l в., XV l l

только в

а в Амери­ в. •

-

-

каталитические . А ката­

-

ферменты, каж­

дый из которых регулирует одну реакцию. Воздействуя на ферменты, ор­ ганизм может виртуозно управлять любыми химическими процессами , протекающими внутри него .

Уникальная способность живого организма защищать себя от болезней иммунитет ла

-

-

тоже напрямую связана с белками. Особые белки

-

-

антите­

напоминают стражей порядка, держащих наготове наручники для

преступников: они атакуют попадающие в организм бактерии и склеива­ ют их. Если «непрошеные гости» слишком быстро размножаются, антите­ ла могут потерпеть временное поражение, но обычно они не сдаются и ра­ но или поздно одерживают победу.

А другие белки

-

антитоксины

-

нейтрализуют яды, которые успели вы ­

делить вредные бактерии. Борьбой с вирусами также занимается специ­

альный белок

-

интерферон.

Белки могут запасать энергию. Особенно это важно для рождения новой жизни

-

энергия белков обеспечивает развитие растущего организма. Со­

крашения белковых молекул, находящихся в мышцах, позволяют живым

112

химия


существам двигаться. Белки-гормоны являются регуляторами многих вну­

тренних процессов. Деятельность органов чувств тоже связана с белками. При недостатке жиров и углеводов в организме о н и могут образовываться из белков. А обратный переход невозможен: в жирах и углеводах нет ато­

н

ецветные и цветные ре ­ акции белков . Белки

ленных

условиях

разделить

-

части

мов азота. •

на

димо удалить молекулы воды ,

а для

добавить.

сосудам,

в

жидкости

между

клетками,

внутрь

клеток. Есть специальные белки для « Перевозки » соединений меди , желе­ за , кальция. Иногда одно вещество успевает « Прокатиться » на разных бел­ ках. О том, каким образом « извозчики» и переносимые ими вещества на­

ходят друг друга и почему потом расстаются , известно пока немного. Наи­

-

это белковая часть мо­

лекулы, имеющая сложную четвертичную структуру. В середине каждого из четырех клубков глобина находится гем

-

циклическое комплексное

соединение, в центре которого расположен атом железа. Пятью связями он удерживается внутри молекулы гемоглобина , а шестое координацион­

Интересно , что, несмотря на отдаленность четырех гемов в молекуле ге­ моглобина , этот белок присоединяет и отдает одновременно по четыре молекулы кислорода . Объясняют это тем, что захват уже одной молекулы

1О тыс.

Данная

-

реакция

легко протекает в кислотной или щелочной среде.

Организмы животных усваи­ вают белки , расщепляя их на аминокислоты,

а

затем

из

ют другие, нужные им. Дан­ ный процесс лежит в основе пищеварения.

Химические свойства белков , как и любых других органиче­ ских соединений,

определя­

ются в первую очередь функ­

циональными группами. Они

ное место может быть занято молекулой кислорода.

кислорода приводит к перестройке всех

обратного процесса

этих аминокислот синтезиру­

более полно изучено связывание кислорода гемоглобином.

Гемоглобин состоит из гема и глобина. Глобин

полипептидной

цепи из аминокислот необхо­

веществ

кровеносным

можно

аминокислоты. При

ляется транспортная: они переносят молекулы и ионы полезных и вредных по

их

составляющие

образовании

Белки - переносчики . Одной из важнейших функций белков яв­

-

это полимеры. И при опреде­

атомов, составляющих ге­

моглобин, и это облегчает присоединение трех остальных молекул. Для организма такое свойство гемоглобина очень удобно

-

в несколько

раз возрастает эффективность работы белка-переносчика. •

вступают

во

химические

всевозможные

реакции:

амфотерны

белки

проявляют

свойства кислот и оснований .

Важнейшим

свойством

бел­

ков является их способность к свертыванию

-

денатурации.

При действии на белки кис­ лот, щелочей и других хими­ ческих веществ, а также уль­

Как рождается белок. Многое умеют делать белки, но сами се­ бя создавать не могут. Этим занимаются рибосомы

-

трафиолетового радиации ,

излучения,

ультразвука

и

при

специальные части­

нагревании происходит изме­

цы живых клеток. Информация о первичной структуре каждого белка хра­

нение вторичной , третичной

нится в генах. Выходящие из рибосом синтезированные полипептидные цепи

самопроизвольно

сворачиваются

и

принимают

характерную

для

каждого конкретного белка форму . Химики давно пытаются осуществить синтез белка в лаборатории. Но по­ ка им далеко до природы.

Первые химические синтезы белков были выполнены в 60-х гг. ХХ в. При­ соединяя по одной аминокислоте в ходе сотен химических реакций, иссле­

дователи не сумели добиться степени превращения более

1%, а

полученные

препараты не удалось очистить. Позже были синтезированы и химически чи­

и четвертичной структур. Это может привести к резкому из­

менению многих свойств бел­ ков. Свертывание , например, наблюдается

при

варке яиц

(нагревание)

или

сквашива­

нии молока (изменение кис­ лотности) . Как и любые другие органи­ ческие соединения , белки го­ рят,

ный

распространяя характер­

запах

жженого

волоса.

стые белки, но до сих пор лабораторный синтез этих веществ является слож­

По этому запаху опытные хо­

ной задачей. Более перспективными считаются методы генной инженерии,

зяйки

когда встроенные в организм гены позволяют получать новые белки.

Б елки для питания. Белки - это прежде всего строительный материал . Ученые говорят, что клетки организма

-

это печки, построен­

ные из белка , в которых горят жиры и углеводы. Однако и белки со време­

всегда

отличат

нату­

ральный шелк и шерсть (бел­ ковые вещества) от искусст­ венного

или

синтетического

волокна.

Наличие белков легко опреде­ ляется

с

помощью

цветных

димая составная часть продуктов питания. Но пищевого белка сейчас ос­

реакций. Наиболее универ­ сальна биуретовая реакция: если к раствору белка прилить

тро не хватает: по некоторым оценкам, более половины человечества не

раствор щелочи, а затем доба­

нем разрушаются и требуют замены. Вот почему эти вещества

-

необхо­

получает с пищей необходимого его количества.

Какие белки важнее: растительные или животные? Ценность белков связа ­ на прежде всего с их аминокислотным составом. Важно, чтобы в пище со-

вить

несколько

капель

твора сульфата меди ,

рас­

белок

окрашивается в красно-фио­ летовый цвет. •

МИР УГЛЕРОДА

113


с

лаще сахара. Существует целый ряд органических

соединений весьма сложного состава ,

по сладости

превос­

держались все необходимые аминокислоты , иначе некоторые белки не смо­ гуr образоваться. Человеческий органи з м не может синтезировать около де­ сятка важнейших аминокислот

их называют незаменимыми . Трех из них

-

во

не бывает в растительной пище. Поэтому для нормального питания необхо­

много раз: э то сахарин , аспар­

димо употреблять не только растительные , но и животные белки. Поскольку

там ,

при пищеварении белки расщепляются на аминокислоты , в пищу можно

ходящих обычный монелин ,

д ругие

его

сахар

тауматин

« Заменители » ,

имеющие к настоящей розе

никакого

и не

саха­

Любопытно, LJТO многие и з них

были

просто добавлять недостающие аминокислоты, полученные синтетически . •

отношения.

получены

совер­

шенно случайно.

В ещества ИЗ угля И воды? Живые организмы не могут суще­ ствовать без энергии , которую всему живому поставляют главным образом

Вот какова , например, исто­ рия сахарина. В 1878 г. в од­

углеводы.

ной

сем так, хотя химические формулы большинства из них действительно можно

из химических лабора­

торий Америки работал мо­ лодой иммигрант из России

К.

Фальберг.

Однажды

он

приступил к обеду, в спешке не вымыв как следует руки, и

внезапно

ощутил

сладкий

привкус еды. Вернувшись в лабораторию , Фальберг стал вспоминать , какое же и з син­ тезированных ществ руки ,

могло

в этот д ень ве­ попасть

ему

на

и довольно скоро уста­

новил , что это был цикличе­ ский амид 2-сульфобензойной кислоты ,

вещество

состава

C6 H 4(CO)(NH)S0 2 , получив­ шее новое имя « сахарин » . В 1969 г. американские хими­ ки Р. Мазур и Дж. Шлаттер об­ наружили (и тоже случайно!) очень сладкий вкус у аспарта­

ма

-

метилового эфира, про­

изводного одной из аминокис­

лот. Если сахарин слаще саха­ ра в 500 раз, то аспартам в I00-150, что, впрочем, тоже не очень мало. «Сладкие» бел­ ки монелин и тауматин были выделены

из

плодов

редких

африканских растений, най­ денных в джунглях Нигерии. Они в несколько тысяч раз слаще обычного сахара! Еще более примечательно ком­ плексное соединение таумати­

на с солями алюминия лин:

он

-

та­

превосходит сахарозу

по сладости в

35 тысяч

раз.

В тех случаях, когда нужно из­ готовить конфеты, лимонад или

пирожное

привычно

сладкого вкуса, но без сахаро­ зы, вещества-сахарозамените­

ли оказываются как раз на ме­

Можно ли сказать , что углеводы образованы углеродом и водой? Это не сов­

представить в виде

C"(H 20)m. Но

этой же условной формуле соответствует и

формальдегид НСНО или С(Нр), уксусная кислота СН 3 СООН или

CiHP) 2

и другие вещества, ничего общего не имеющие с настоящими углеводами. По­ этому все чаще химики используют более точный термин

-

«сахара» .

Слово «сахар » так прижилось в русском языке, что уже давно перестало считаться иностранным , хотя пришло и з древнеиндийского языка , где

« саркара» означало гравий, камушек или". кусочек сахара.

Молекулы углеводов (сахаров)

-

это короткие цепочки из четырех-шести

атомов углерода, к одному из которых присоединен атом кислорода (в ре­

зультате получается карбонильная группа СО) , а к остальным

-

гидро­

ксильные группы ОН. Такие частицы называют еще моносахаридами, поскольку существуют также сахара-полиме р ы: дисахариды и полисахариды. •

Сколько н а с вете Сахаро в? Как же устроены молекулы моно­ сахаридов? Вот формулы двух простейших сахаров: глюкозы и галактозы . Ч исло атомов углерода, водорода и кислорода у них одинаково: С 6 Н 1 2 О 6 .

Рас п оложение атомов тоже почти совпадает. Единственное различ и е меж­

ду н ими в том, в какую сторону повернута гидроксильная группа при чет­

ве ртом сверху атоме углерода (который отмечен звездочкой). н

н

d=o

d=o

Н -~-ОН НО-~- Н Н -~~он 1

Н -~-ОН HO - t - H

Н О-~~ Н 1

н -с-о н

Н -С-О Н

Н -~-О Н

н -t-он ~

1

н

сте. С их помощью можно со­

Н есмотря на столь малое различие в структуре, свойства двух соединений

здать и рецепты новых , неиз­

р азные. Кроме этих веществ, еще

вестных

ранее

деликатесов ,

кондитерских

которые

будут

14 углеводов

имеют похожие молекулы.

Но живые организмы отдают особое предпочтение глюкозе. Именно она

полезны и здоровым людям , и

является первым продуктом синтеза растениями органических веществ из

тем ,

неорганических под действием солнечного света (фотосинтез):

кто страдает нарушения­

ми обмена веществ.

114

химия

6СО2

+ 6 Н р = сб н 1 206 + 6 0

2


Хим ия от А до Я

Это очень сложный процесс, протекающий в несколько стадий и требую­ щий участия ферментов и других веществ . Приведенная реакция

-

лишь

Сапфир

драго це нн ая раз н овидн ость

-

мин е р ала

упрощенная схема .

кору нда,

о ксида

ал юмини я

А1 0 , окра ш е нн а я прим есями в с и­

2 3

Карбонильная группа СО в углеводах очень активна и может вступать в

ний цв ет.

контакт с одной из «своих » гидроксильных групп , образуя кольцо. Для

Сахароза

глюкозы образование таких колец

-

обратимая реакция.

у глевод, д и саха рид состава

С1 2 Н 22 О 11·

Севергнн, Василий Михайлович

Энергетическое сырье организма . Самый распростра­ ненный природный моносахарид

-

-

глюкоза (от греч. « глюкос »

« Слад­

кий » ) . В чистом виде она содержится в виноградном соке , по этому глюко­

зу иногда называют виноградным сахаром. Первым выделил это вещество

в

1802

Через

г. французский химик Жозеф-Луи Пруст

( 1754-1826). ( 1780-1855)

лет его соотечественник Анри Бракконо

17

( 1765-

росс и йск и й х и м и к и мин ера­

1826) ло г .

Селитра

кал и йная

ни трат

-

к алия

KN0 3. Сент-Клер

Девилль ,

( 1818- 188 1) -

Анри- Этьенн

фра нцузск ий хим и к,

п олучил ал юмини й электрол и зом рас­

получил

глюкозу и з древесных опилок действием разбавленной серной кислоты . Так был открыт практически неисчерпаемый источник этого вещества

-

пла ва хло рида ал юмини я с доба вка ми солей,

раз р аботал

м етод ы

очи стк и

п лат ины .

Сёреисе11 , Сёре11 -Петер-Лауриц

( 1868-

целлюлоза.

1939) -

датс ки й физикох и мик и био­

В крови взрослого человека содержится несколько граммов глюкозы , которая

х ими к,

предлож и л

разносится по клеткам . Каждая клетка забирает себе столько глюкозы , сколь­ ко ей нужно. В клетках глюкоза превращается в диоксид углерода и воду:

Склодовская-Кюр11 ,

+ 6 0 2 = 6СО 2 + 6Нр

-

это немного : такое количество может обеспечивать орга­

попадая в организм из пищи . Небольшое повышение содержания глюкоз ы вы з ывает чувство сытости,

Собреро, Асканьо

сигнализ ируя ,

что

пора заканчивать

Сода

Сольве, Эрнест-Гастон

н е ни й

/он

од н у

/\

он

но

. 1

н

о\ /н

v-•1· 1

он

/он

Тон

1

он

н~т

•\он 1 1

кла сс ор га ни•1 еск и х соед и ­

-

с молекулам и , ил и

соде ржащ ими

н ес к олько

Степен ь окисления

к а р б ин оль н ых

1

н

о Сахароза

-

условны й эле кт­

рич еск и й за ряд, воз ни ка ющи й у ато ­

н1/о~у • н но . 6\1 1 / l"н

v-•1·

/он

У;•

н

о\ /н

Глюкоза

н

( 1838- 1922) -

групп С- ОН.

н~т

н

Na 2C0 3'

тател ь а мми а чн ого с п особа получ е ш1Я

Спирты

н6~

ита­

бел ьгий ск ий ин же н е р -х и м и к, изобре­

рое время ; вот почему тот , кто слишком быстро ест, часто переедает.

. н

р ад и оак­

( 18 12- 1888) -

ка рбо н ат н атри я

-

сод ы .

Y1i'

о

лья н ск и й х~1ми к-о р га ни к, п ервым п о­

обед или ужин . Правда , для накопления глюкоз ы должно пройти некото­

н

уч ен и я

лучил н итроглице р и н .

Однако по мере расходования запасы глюкозы постоянно пополняются , крови

( 1867-

и р ад и й.

низм энергией несколько десятков минут.

в

Мария

т и в н ости, отк ры ла эле м е н ты поло ни й

При этом выделяется э нергия , необходимая для жизни . Несколько грам­ мов глюко з ы

к и слот ­

фра нцуЗС К'1 Й х и мик и ф изи к,

1934) -

ос н о во п олож ница

С6 Н 1 Р 6

и з м е ря ть

н ость растворов в шкале р Н .

м а, если электро ны , обес п ечива ющие его

х им и ч ескую

атом а ми ,

связь

полность ю

с

сосед ними

п е р емест и ть

в

сто ро н у более электроотр ицатель н ого эле м е н та.

Т !н н

н

Фруктоза Образование молекул ы сахаро­ зы из глюкоз ы и фруктозы со ­

провождается

/он

н~т/о~у ·~1 но11•1 н

• 1

он

отщеплением

воды .

т н

!'

8 -

атом угл ерода

Н

-

водород

О

-

кисл ород

н МИР УГЛЕРОДА

115


с

ахар из картошки. Издав­ на химики ломали голову ,

решая

насущную

проблему:

найти более дешевое сырье для

Если организм теряет способность регулировать содержание глюкозы в кро­ ви , наступает тяжелое заболевание

-

диабет. Лечить его пока не научились,

но подперживать больных диабетом можно с помощью гормона инсулина.

получения сахара для техниче­

Большинство людей не догадываются о бесконечном разнообразии саха­

ских целей. Заменитель сахар­

ров . Обычно сахаром называют вещество, состоящее и з остатков двух мо­

ной свекле или тростнику ис­ кали

ученые

многих

мира. И вот в сийском журнале »

1812

стран

г. в рос­

« Технологическом появилась

статья

« О приготовлении сахара из крахмала »,

автором

которой

носахаридов: глюкозы С 6 Н 1 р 6 и фруктозы С 5 Н 10 0 5 . Молекулы глюкозы и

фруктозы соединяются за счет своих гидроксогрупп. Образующийся ди­

сахарид имеет специальное название

-

сахароза . Это вещество содержит­

ся в соке всех растений , но особенно много его в сахарной свекле и сахар­ ном тростнике .

Сахароза слаще глюкозы, но уступает в сладости фруктозе

-

чемпиону

был химик Константин Сигиз­ мундович Кирхгоф (17641833). Он родился в Германии; приехав в Россию , в 1792 г. стал помошником аптекаря Петер­ бургской главной аптеки.

двух сахаров « сладость » усредняется. Уже знакомая нам галактоза вдвое

С

количестве до

1812

г . Кирхгоф- э кстра­

ординарный академик по раз ­

ряду

химии

Петербургской

академии наук.

среди всех сахаров . Однако далеко не всегда при объединении молекул менее сладкая , чем глюкоза. Глюкоза и галактоза объединены в дисаха­

риде , который называется лактозой , или молочным сахаром. Лактоза в

4% содержится

в молоке всех млекопитающих

-

от мыш­

ки до кита . Столько же сахарозы находится в чашке чая с двумя чайными ложками обыкновенного сахара . Но молоко почти совсем не сладкое , по

Кирхгоф взял в качестве ис­

сладости оно уступает и глюкозе , и галактозе. Почему так происходит ,

ходного сырья для

пока не выяснено.

получ е ния

сахара картофельный крахмал

и « ИЗ 100 фунтов овощей (кар­ тофеля) получил 50 фунтов сиропа и 20 фунтов твердого сахара ». Неслыханный успех!

Кроме того , поскольку ,

как

утвержд а ет автор нового спо­

соба получения сахара , « про­ цесс

приготовления

очень

просТ», в истории прои з водст­ ва э того продукта начинается

новый этап ...

Мед из сахара . дисахариды можно легко разложить на составные части. Для этого молекулу дисахарида надо разорвать , добавив недостаю­ щую молекулу воды. Это обычно осуществляется в кислотной среде. Из са­ харозы получаются глюкоза и фруктоза, а из лактозы

-

глюкоза и галакто­

за . Именно это и происходит при пищеварении. Организм не может усва­ ивать дисахариды и должен расщеплять их на более простые молекулы.

Особенно хорошо удается такой процесс пчелам . Они собирают с расте­ ний нектар

-

жидкость , содержащую немного сахарозы, которую пчелы

Для получения сахара была ис­

«дробят» до глюкозы и фруктозы. Эта смесь и есть мед, запасаемый пче­

пользована способность крах­

лами на зиму .

мала подвергаться каталитиче­

скому расщеплению (гидроли­

зу) под действием разбавлен­ ной серной кислоты при тем­ пературе 90-100 °С в присутст­ вии « клейковины » особого фермента, помогающего про­ вести эту реакцию быстро и практически полностью . Крах­ мал

состоит

из

полимерных

молекул , которые включают от

одной до шести тысяч одина­

ковых фрагментов [C 6 H юOsJ. Позже Кирхгоф опубликовал и другие статьи

по этому

во­

просу. Одна из них носила на­

звание при

«0

получении сахара

осол аживании

злаков

и

Сахар был завезен в Европу с Ближнего Востока только в средние века. А до этого единственным сладким веществом , известным европейцам,

был мед . Расщепив сахарозу в кислотной среде , люди научились получать искусственный мед. По сладости этот продукт ничем не отличается от природного меда , вот только полезных веществ в нем нет.

Сахара несладкие. Моносахариды могут соединяться не только парами. В живых организмах они образуют гигантские молекулы , содер­ жащие тысячи остатков глюкозы. Такие вещества называют полисахари­ дами , и к ним относится , например, крахмал . Соединяясь друг с другом , молекулы глюкозы теряют свои свойства: крахмал малорастворим в воде

и совершенно несладкий.

Данный полисахарид называют « крахмалом » не потому, что его раздроби­ ли на мелкие крошки. В переводе с немецкого это слово означает « Крах­

при об варивании муки кипят­

мальная мука », а точнее , « сила муки » . И это верно , потому что крахмал

ком ». Новая технология выра­ ботки сахара сулила огром­

одна из главных составных частей муки .

ную

выгоду ,

вед ь

природные

-

В природе крахмал синтезируют растения . Для этого они используют глю­

и

козу , полученную при фотосинтезе. Особенно много крахмала содержит­

крахмал) дешевы и их можно получать гораздо в большем

ся в семенах и других частях растений , служащих для размножения: клуб­

полисахари д ы

количестве,

(клетчатк а

чем

свеклович­

нях , корнеплодах. Крахмал очень удобен для « хранения » глюкозы , по­

ный или тростниковый сахар ­

скольку он нерастворим в воде. А когда растение должно начать свой рост ,

ный сироп. •

оно гидролизует крахмал на составные части

116

химия

-

молекулы глюкозы.


Гидроли з идет в несколько стадий с постепенным уменьшением размеров молекул.

Животные тоже могут запасать глюкозу в виде полисахаридов . П ри при ­ еме пищи в организм нередко попадает больше глюкозы , чем ему требует­

д

ругие сахара. «Другие са­ хара »

-

это в первую оче­

редь вещества того же ряда уг­ леводов ,

например

глюко з а ,

фруктоза , лактоза , мальтоза и

ся в данный момент .

т. д . Многие из них действи­

И злишки сохраняются в виде животного крахмала гликогена , который

тельно обладают сладким вку­

запасается в мышцах , коже и , в особенно больших количествах, печени .

сом (фруктоза даже слаще са­

В организме хорошо упитанного взрослого человека запасы гликогена до­ стигают почти полкилограмма. В перерывах между приемами пищи гли­

ха роз ы). Но существуют слад­ ю1е

вещества

коген понемногу расщепляется до глюкозы , которая поступает в кровь , а

из них

затем используется клетками органи зма . Весь гликоген можно израсходо­

сорбит

вать примерно за сутки , но без пищи удастся прожить и дольше за счет ис­

C 5HiOH)5 -

пользования энергии жиров.

совсем

д ругого

состава и строения. Некоторые

глицерин С 3 Н 5 (0Н) 3 ,

-

С 6 Н 8 (0Н) 6 ,

ксилит ОТНОСЯТСЯ к клас­

су многоатомных спиртов ; это

« сладости » для

Сахара несъедобные. Если молекулы глюкозы объединятся - целлю­

диабетиков,

которым сахаро з а и д ругие уг­ леводы запрещены.

немного иначе , чем в крахмале , образуется другой полисахарид

Еще од ин «сахар »

лоза. Именно из этого вещества почти наполовину состоит древесина .

вый (совсем недавно его тех­

Целлюлоза в растениях располагается между клетками , поэтому другое ее название

-

клетчатка.

-

свинцо­

ническое наз вание был о «Са­ хар-сатурн »,

т. к.

« Сатурн »

-

скелет растений. Это плотное волокни ­

алхимический символ свинца) . На самом деле это а цета т

стое вещество , придающее древесине и стеблям прочность и твердость.

свинца РЬ(СН 3 С00) 2 , хотя и

Можно сказать, что целлюлоза

-

В некоторых частях растений содержится почти чистая целлюлоза. Это коробочки хлопчатника , стебли льна и конопли . Из них вырабатывают волокна, полностью состоящие из целлюлозы, идущие затем на производ­

ство бумаги , вискозных и ацетатных тканей , целлофана.

Всем хороша целлюлоза, однако для питания совершенно не годится . Это не значит , что она не попадает в наши желудки

-

данное вещество в боль­

шом количестве содержится в капусте , салате и других растениях. Н о че­

сладкий на вкус и даже пол ез­

ный (при ушибах используют « свинцовые примочки » ) , но ядовитый (если принимать его в пищу). Ядовитые соли бе­ риллия тоже обл адают слад­ ким

вкусом,

недаром

перво­

начальное название этого эле ­

мента было « глициний ». •

ловеческий организм не приспособлен для расщепления целлюлозы на моносахариды , и она остается лишь балластом .

Однако некоторые живые существа все же могут переваривать целлюлозу. Это микроорганизмы . В се знают прожорливый характер термитов: они способны питаться дре­ весиной , быстро уничтожая больные и ослабленные деревья , а также де­

ревянные постройки и мебель. Расщепляют же целлюлозу простейшие организмы , живущие в кишечнике термитов . Они поедают часть образо­ вавшейся глюкоз ы , а остальное достается хозяину.

Те11ар, Лун -Жак

же живут бактерии , превращающие содержащуюся в траве целлюлозу в

.•

фра н ­

( 1777- 1857) -

цузски й х имик , открыл nе роксид во­ дород а

Подобным образом действует кишечник травоядных животных . В нем то­ глюкозу

Химия от А до Я

"

и з учи л

его

катал " т ич ес кое

разл о же ни е .

Те1111а11т, См нтсо 11

( 176 1- 1815) -

а нг­

л и йс кий х имик, осу щест вил сж " га ни е ал м аЗ<1 с

Сахара и сердце. Полисахариды могут быть образованы не толь­

ц ел ью е го х ими ческого а н а­

люа, открыл элеме н т ы ириш1 й и ос­

мий .

ко углеводами . Нередко полимерные молекулы возникают при взаимо­ действии глюкоз ы или иных моносахаридов со спиртами , фенолами и другими веществами , содержащими гидроксогруппы. Такие вещества на­

-

а ром апt ческ и й угле водо род

соста ва С 6 Н 5 С Н 3 .

Томсон, Джозеф-Джон

з ываются гликозидами.

Самые известные гликозиды

Толуол

-

сердечные. Они влияют на деятельность серд­

ца , замедляя частоту сокращений или усиливая их . П ричина этого пока не вы­ яснена , но сердечные гликоз иды давно применяют в народной медицине

-

они содержатся во многих лекарственных травах , например в наперстянке.

Так что сахара нужны не только для « сладкой жизни » . Их роль в природе огромна . Углеводы выполняют в организме самые разные функции, мно­

( 1856- 1940) -

а шл ий ск и й ф из и к , nредлож ил одну из п ервы х м оделей ато м а.

Томсон , Уильям, лорд Кельвн11

1907) -

( 1824-

а нгл ий с кий фи з и к , предло­

ж и л шкалу те мп е ра тур (шк ала Кел ьви ­

н а),

где есть тол ь ко полож и тель ны е

з н а ч е ни я.

гие из которых еще не изучены до конца. •

МИ Р УГЛЕ РОДА

117


ЦЕПИ И СЕТКИ ИЗ АТОМОВ УГЛЕРОДА Основа всего живого

ч

то такое полимер? Мно­ гие считают , что полиме­

ры стали известны только с тех

пор , как химики научились со­

-

большие молекулы, называемые макромо­

лекулами или полимерами. Без них не могли бы существовать ни

люди, ни животные, ни растения. К примеру, при воспроизведе­ нии себе подобных невозможно обойтись без макромолекул бел­ ков - носителей наследственности.

здавать их в искусственных ус­

л овия х.

Од нако

полимеры

природ ные

намного

старше

Исчезни в природе многие полимеры - и жизнь стала

к ним

бы чрезвычайно пресной : человек потреблял бы только воду , сахар , жиры ,

син тетических . Люди привыкли

и

перестали

заме­

чать , как воздух, которым ды ­ шат , хотя испол ьзуют полиме­

витамины и соли

-

ни мяса , ни яиц , ни хлеба , ни овощей , ни фруктов. "

Мало того , люди л ишились бы крыши над головой и одежды

-

ведь все

волокна , древесина и многие строительные материалы состоят из макро­

ры огромное кол ичество л ет .

Не повторяется л и здесь та за­

молекул . Не существовало бы ни автомобильных шин , ни фотопленки , ни

бавная история , что приклю­

электроники . Наше время все чаще называют веком полимеров. •

чилась с героем од ной и з пьес

з наменитого

фр а нцузского

писателя Мольера

с « меща­

-

От простого К сложному. Мономеры - это те звенья , из ко­

нином во дворянстве» Журде­

торых построена вся цепь полимера . Мономерные вещества чаще всего

ном ?

Этот

был

представляют собой газы или жидкости , поскол ьку связи между отдель­

очень

уд ивл ен ,

уз нал ,

ными их молекулами слабые и легко разрываются. Если же это твердые ве­

господ ин когда

что всю жи з нь говорит ". про­

зой! Люди смеются над Жур­ деном , но бывают похожи на

него . Уд ивительно , но все мы ж и ве м

в

мире

Вед ь пол имеры чатка,

полимеров .

это клет­

-

соста вляющая

д ревесины ,

шерсти ,

молекулу (т.е . нарушить связь между отдел ьными атомами) , чем отделить одну молекулу от другой.

основу

Вот почему полимерные соединения не испаряются, труднорастворимы , а затвердев , приобретают повышенную прочность. Свойства полимера за ­

Чем же полимеры отличаются веществ ,

тем прочнее свя зь между ними. В таких веществах легче разорвать саму

вол окна ,

кожи , крахмала.

от д ругих

щества, то они легко растворимы .

Совсем другие свойства у полимеров. Чем больше по размерам молекулы,

например

от воды , соли и обычного са­

висят от некоторых особенностей молекулярной структуры: от типа связи между атомами цепи , от числа атомов или мономерных единиц в цепях,

наличия боковых цепей , добавок других веществ.

хара? Как и все вещества , пол имеры состоят свою

из

молекул ,

очеред ь ,

из

а

те ,

в

атомов .

Как «СШИТЬ» молекулы? К середине XIX в. химики знали , что практически все исследованные соединения проявляют опред еленный

Гл а вное отличие полимеров

порядок изменения физических состояний при увеличении температуры:

заключается

они

твердые (кристаллические) тела при температуре плавления превращают­

построены из очень больших ,

ся в жидкости , которые , достигая температуры кипения, переходят в газо­

просто

в

том ,

гигантских

что

молекул ,

образующих « цепи » и «сетки ».

Молекулы пол имеров состоят

образное состояние.

Существовали и непонятные исключения . Дерево стиракс , растущее в Ма­

и з д есятков , а нередко и сотен

лой Азии , выделяет пахучую бензойную смолу; египтяне использовали ее

тысяч атомов . Строение по­

при бальзамировании умерших. В

л имеров объясняет и их на ­

з вание « МНОГО »

(от и

греч .

« Мерос »

« ПОЛ И »

-

-

«Д ОЛЯ » ,

« ч асть») . Значит , полимеры

-

это вещества , построенные и з

м ногих часте й. •

1839 г.

Эдуард Саймон наблюдал , как при

нагревании смолы дерева стиракс с водой образуется светлая органическая

жидкость, которую он назвал « стирол» . Ученый установил , что при после­

дующем нагревании стирола до

200 °С образуется твердая желатиноподоб­

ная масса . Такое превращение необычно: жидкость при нагревании долж­ на испаряться . Саймон предположил , что происходит химическая реакция с участием стирола. Поскольку нагревание проводилось на воздухе и един­ ственным возможным реагентом мог быть кислород , ученый пришел к вы­ воду , что идет окисление стирола кислородом , а жел атиноподобный про­ дукт реакции назвал «оксидом стирола» .

118

химия


Через шесть лет продукт реакции был изучен немецким химиком Авгус­

том-Вильгельмом Гофманом

( 18 J8-1892). Он установил ,

что в так называ ­

-

е мом «оксиде стирол а» нет кислорода , и ему дали другое название

« ме ­

тастирол » . Ученым-химикам того времени этот термин был понятен : « ме­ тастирол » означает « полученный после стирола » .

Наиболее примечателен тот факт , что метастирол и стирол имеют одина­ ковый состав (на восемь атомов углерода приходится восемь атомов водо­ рода) , но различные свойства. Такие химические соединения шведский

химик Йене-Якоб Берцелиус назвал в « ИЗОС »

-

1833 г . « и зомерами » (от греч.

« равный » ). Этот же ученый ввел термин « полимеры », применив

его впервые к этилену и бутилену. В дальнейшем понятия « полимер» и « изомер» стали общепринятыми среди химиков. Французский ученый

Марселен Бертло в

1866

г. определил метастирол как полимер , а процесс

его получения назвал реакцией полимеризации. Это слово , впервые ис­

Древние египтяне использовали

пользованное Бертло , означает реакцию , в ходе которой небольшие моле­

бензойную смолу при бал ьзами­

кулы

ровании ум ерших .

исходных

веществ

превращаются

в молекулу продукта ,

имеющую

намного больший размер .

Роспись гробницы Сеннутема .

И з вестно нескол ько способов «сшивания » молекул. Под влиянием раз­

XIV в .

личных усл овий (высокого давления и температуры) и обязательно в при­

Бо г бал ьзамирования Анубис

сутствии х имических ускорителей

-

катализаторов маленькие молекулы

мономеров сращиваются друг с другом. Высокое давление играет роль « молота» , который « сколачивает» мономеры в одну молекулу . Температу­

ра

200 °С

до н .э.

(в человеческом обл ичье с голо­ вой шакала) склонился над му­ миеи .

«свариваеТ>> скрепленные молекулы . Химия от А до Я

Еще одним способом соединения молекул является атомная энергия. Точнее, лучи, испускаемые продуктами распада атома. Радиационная химия позволя­

ет не только уплотнять молекулы , но и придавать им новые свойства.

Фарадей, Майкл

( 179 1- 1867) -

л и йск и й фи зи к

х и м и к , откр ыл зако­

1t

ны эл ектроли за,

Ожерелье из метиленовых групп . Полиэтилен [-СНг СН 2 -] . состоит из множества метиленовых групп -СН 2 -, соединенных в единую цепь , как жемчужины , нанизанные на нить.

Обычно нет необходимости уточнять природу химических групп на кон­

свет ил ьн о го газа ,

а нг­

выдел и л бе н зол создал

из

у ч е ни е об

эле ктро магни т ном п оле .

Фаренгейт, Габр и ель Даниель

( 1686-

голла ндс кий физик , в

1736) -

1714

г.

сконстру иро вал ртутны й те рмом етр .

цах цепи , т. к . эти группы не влияют на большую часть свойств высокомо­ лекулярных соединений. Поэтому природа концевых групп многих мак­ ромолекул не определена .

Валентность атома углерода равна четырем , все его четыре связи являют­

ся ковалентными (т. е . образованными за счет обобществления электро­ нов связываемых атомов) . В молекуле этилена каждый атом углерода удерживает по два атома водо­ рода. А где же остальные две связи? Ими соединены сами углеродные ато­ мы. Эти так называемые двойные связи непрочны и легко разрываются,

Фенол (карболов3JI кислота)

-

а ром а­

тич ес кий с пирт соста ва С 6 Н 5 0Н . Фермент

биоло г ич еский

-

к атал и ­

зато р .

Ферсмаи, Алекса~щр Евгеньевич

( 1883 -

росс и йс кий геох имик и ми ­

1945) н е ралог ,

од ин

и з ос новоп ол о жников

геох имии .

что делает возможным соединение отдельных молекул друг с другом. Сто­

Фреми, Эдмонд

ит только заставить молекулы этилена сблизиться , уплотниться , и они

цузс кий х имик , и зуч ал омыл ение ж и ­

Если срастить

50-70 молекул

ро в , п е рвым уста новил , ч то озо н

.

сращиваются между собой.

фра н ­

( 18 14- 1894) -

-

ал­

лотропн ое видои з м е н е ни е к и сл орода.

этилена , появится другое жидкое вещество ,

густое и вязкое, как смазочное масло. При соединении

100-120

молекул

этилена образуется твердый белый продукт, напоминающий парафин, из

Фрео11ы

фто рохл оро про из вод ны е

-

предел ьны х

угле в одо р одо в ,

хлада ­

ге н ты .

которого делают свечи. Соединение тысячи и более молекул дает новое вещество поли этилен

-

материал со множеством замечательных,

инте­

ресных и нередко неожиданных свойств . Например , бутылка из полиэти­

Фуркруа,

1809) -

Антуан-Франсуа

( 1755-

фра нцузс кий х и м и к, вм есте с

А . Л авуазье

и

друпt м и

лена весит в три раза меньше стеклянной и не бьется.

класс ифи ка цию и

Полиэтилен обладает высокой химической и холодоустойчивостью, упру­

шtч ес ких ве ществ .

разработал

но ме н клатур у х и ­

гостью , прекрасными и з оляционными и механическими свойствами. Еще одно преимущество полиэтилена заключается

в том,

что

главное сырье

МИР УГЛЕРОДА

119


п

олимер может соста­

для него (этилен) получается как побочный продукт при коксовании угля,

риться. Всякий матери­

переработке нефти или очистке и подготовке природного газа. •

ал со временем разрушается.

В разных условиях этот про­ цесс идет с различными ростями ,

но

одинаково

-

ско­

Полимеры: шаг за шагом. Химическая формула полимерной

з аканчивается

цепи кажется очевидной: если атомы обладают хотя бы двумя ковалентны­

д еталь или изде­

ми связями , они могут быть соединены друг с другом , подобно вагонам в

лие выходит из строя. В этом

поезде. Однако вагоны иногда бывают сцеплены жестко , а иногда лишь ка­

отношении

саются друг друга , например при железнодорожных маневренных работах.

полимеры

ляются исключением:

не яв­

во вре­

мя использования или при пе­

реработке в изделие они начи­ нают утрачивать свои

начальные

перво­

состоят из гигантских молекул с ковалентными связями, или то, что по­

Ком­

лимеры построены из мелких молекул , связанных между собой очень

свойства.

плекс наблюдаемых при этом явлений наз ывается старени­

ем полимеров. Оно представ­ ляет собой ную

непреднамерен­

реакцию

окис л ения ,

вред но отражается на свойст­ вах

пластмасс

привод ит

к

и

каучуков ,

растрескиванию

или гниению полимеров . Для предотвращения или з амедле­

ния

реакций

окисления

к

полимеру добавляют химиче­ ские

вещества ,

гируют

которые

главным

кислородом

или

Вот и химики на протяжении ХХ столетия постоянно задавались вопро­ сом: является ли причиной удивительных свойств полимеров то , что они

реа­

обра з ом

с

продуктами

прочными водородными связями ?

Многие ученые занимались решением этой проблемы. Немецкий химик

Герман Штаудингер

( 1881-1965)

пришел к выводу , что полимерные мо­

лекулы являются почти «жесткими стержнями » . Но в

1931

г. установили ,

что цепи не совсем жесткие , их фрагменты могут вращаться вокруг хими­

ческих связей. Более того , благодаря этому вращению макромолекула , предоставленная самой себе , должна приобретать форму клубка, а не стержня .

Примером тому может служить садовый шланг. Короткий шланг

-

жест­

кий и похож на палку. Длинный гнется в любом направлении, его можно свернуть кольцами, спиралью или даже в клубок. Из расплавленного полимера , могут быть сформированы длинные нити.

его реакции. Такие соедине­

Так Карозерс изобрел синтетические полиамидные волокна . За рубежом

ния

они были названы найлоном , а у нас

назыв а ются

антиокси­

да нтами , ил и стабили затора­

ми. Но поскольку полимеры отл ич а ются

по своему строе­

нию и составу , бороться с их старением приходится раз ны­

ми способами .

Если каучуки или пластмассы предназначены для использо­ вания при солнечном освеще­

нии, в них в дополнение к ан­

-

капроном.

Эти полимеры хорошо знакомы всем женщинам , поскольку из них стали делать капроновые чулки.

В разных странах самое « старое » синтетическое полиамидное волокно ка­

прон называют по-разному: « перлон », «дедерон », «СИЛОН>> . Сырьем для его изготовления служат фенол С 6 Н 5 0Н , бензол С 6 Н 6 и другие продукты нефтепереработки.

Кратко описать процесс изготовления капрона можно следующим обра­ зом. Сначала из исходного сырья в несколько стадий получают белую

тиоксидантам вводят вещест­

смолу, которая называется « капролактам » . Ее дробят на мелкие кусочки,

ва ,

расплавляют при

препятствующие

расщепления озона

реакции

0 3,

-

ведь

озон, образующийся из кис­ лорода

воздуха

на

свету ,

-

главный враг полимера. Это

85-90 °С

и проводят полимеризацию при

240 °С.

После охлаждения гранулы полимера подвергают многократной обработ­ ке горячей водой, растворяющей примеси, отжимают и сушат, а затем

продавливают через специальные отверстия « прядильного» агрегата. По­

по з воляет замедлить или пре­

лученные при этом струйки полимера застывают и превращаются в тон­

дотвратить деструкцию (ра з ­

чайшие нити капронового волокна.

рыв связей между атомами).

С момента , когда химики научились синтезировать полимеры , до получе­

ния волокна прошло почти

10 лет.

Оказалось, что полимеры , из которых

изготавливают волокна, должны обладать высокой относительной моле­ кулярной массой , легко растворяться и плавиться, иметь неразветвленные

молекулы вытянутой формы . Если относительная молекулярная масса по­

лимера ниже

10 ООО,

4000,

волокно вообще не образуется. Когда же она выше

получаются волокна с удовлетворительными свойствами. Но по­

лимер с относительной молекулярной массой выше

30 ООО уже

практичес­

ки невозможно переработать в волокно , т . к. ухудшаются его плавкость и раствори масть.

По форме макромолекул полимеры разделяют на линейные, разветвлен­

ные и пространственные (сетки). Теоретически из всех линейных и мало

120

химия


разветвленных полимеров можно получить волокна, однако свойства их

будут отличаться. Практически для получения волокон могут быть ис­ пользованы только те полимеры , которые полностью растворяются в до­

статочно доступных и экономичных растворителях или плавятся без раз­ ложения. •

олосок прочнее стали .

в

Раньше, желая

нуть,

н асколько

сом. Но волос по сравнению с но

Замечательные НИТИ. Широк и многообразен мир химических удовлетворить все запросы текстильной промышленности и техники. Раз­

нить,

ее обычно сравнивали с воло­ капроновой нитью

волокон , но , кажется, нельзя создать универсальное волокно, способное

подчерк­

тонка

что

по сравнению

раз в

все рав­

-

корабельный

30

со

канат

шнурком,

толще. Прочность и

крепость чего-либо

обычно

сравнивают со сталью. И вот

ве можно сделать нити, которые были бы еще тоньше, легче, прочнее , ко­

еще

торые не тонули бы в воде, не горели в огне и не боялись никаких химиче­

капронового волокна не усту­

один

сюрприз:

канат

из

пает в прочности стальному'

ских реактивов? Тем не менее такие новые волокна созданы . В настоящее время уже н а­ считывается более двух десятков синтетических волокон, обладающих са­

Теперь понятно,

почему и з

капроновых нитей плетут ры­

боловные сети и вьют верев­

мыми разнообразными свойствами. Ученые добились этого, перестраивая

ки

состав молекул полимера , комбинируя и «сшивая» молекулы разных мо­

успехом пользуются альпини­

номеров, включая в их состав атомы кремния и фтора.

сты , китобои , парашютисты.

Проблема огнезащиты текстильных материалов возникла много веков на­

зад. Еше в

1372

г., в период правления германского короля и императора

Священной Римской империи Карла

IV,

придворные , переодетые «дика­

которыми

с

одинаковым

Канаты из капрона не только очень прочны , но и во много

раз легче обычных. Они

не

боятся воды и не гниют. Кап­

рями», должны были проходить через костер во время королевских тор­

рон не любит лишь высокой

жеств

температуры.

-

и горе тому, у кого наряд загорался! В

1735

г. был выдан первый

патент на огнезащитную обработку холстов смесью квасцов, буры и мед­

ного купороса

-

трия

сульфата алюминия-калия КAl(S0 4 ) 2 , тетрабората на­

Na,BP7 и сульфата меди CuS04 • Известный химик Жозеф-Луи Гей-Люс­ сак в 1821 г. по распоряжению короля запате нтовал способ получения ог­ неупорной льняной ткани смесью ортофосфата аммония (NH 4 ) 3 P0 4 и хло­ рида аммония H 4CI. В 1857 г. по требованию английской королевы баль­

дить

По этому

капроновые

и

гла­

другие

синтетические ткани горячим

утюгом не рекомендуется.

ные платья придворных и театральный реквизит в обязательном порядке должны были подвергаться огнезащитной обработке.

В настоящее время все химические волокна делят на две большие груп­ пы

-

Хlt мия от А до Я

искусственные и синтетические. Первые получают химической пе­

реработкой природных высокомолекулярных соединений

-

целлюлозы и

белков. Сюда относятся вискозные, медноаммиачные волокна и ряд бел­

Шееле , Карл-В1~льгельм

(1742- 1786) -

шведский химик и а птс~арь , оыдаю­ шийся экс пери 1ентатор , впервые по­

ковых, например казеиновые. Вторые производят из синтетических, не

лучил

существующих в природе полимеров . И в каждой группе не один, не два ,

кие и неорганические кислоты , серо ­

а десятки видов волокон , и у каждого свои особенности, свое примене­ ние, свои свойства.

1·1 исследовал

водород, глицерин , эф11ры, хлор , мар­ га нец , открыл мол ибде н и вольфрам. Шё11бей 11 ,

Мир пластмасс. Сейчас термин «пластмасса» не вызывает вопро­ сов. Это пластическая масса, т.е. вещество , способное принимать любую

многие орга1шчес­

Кр 11 ст и а11

( 1799- 1868) -

швей uарский хим11к, исследовал ката­ литические

реакцfнl

р азложе 1шя

и

ок11сления .

форму , а затем ее сохранять. Каждому школьнику известен пластилин, из которого можно лепить любые

фигурки. Уже из названия понятно , что это пластический материал. Он со­

Шкала Мооса

-

таблица для опреде­

ле ния сравнительной твердости мине ­ ралов .

стоит из сырой глины, к которой добавили немного воска, вазелина и тех­

нического масла , чтобы не допустить ее высыхания. Из глины уже несколь­ ко тысяч лет делают разную посуду. И почти все это время глина и гипс

сульфат кальция

CaS0 4

-

2Н,О были теми немногими пластическими мате­

Первая искусственная пластмасса появилась почти

100 лет

XIX

назад. П ричи­

в. она получила ши­

рокое распространение , но бильярдные шары стоили очень дорого: их из­ готавливали из слоновой кости .

минер ал

состава

Штромейер, Фридр11х

(1776- 1835) -

немеuкий хим ик , открыл кадмий .

риалами, которыми пользовались люди .

ной этого послужила игра в бильярд. В середине

Шпинел ь

(MgAl 2)04.

Ша н о.-уртуа, Алекса ощр Бегие де

1886) -

( 1819-

фра1щузсю1й ученый , выдви­

нул нде ю классификацf111 химических элементов

-

•спираль Ш анкуртуа•.

МИ Р У ГЛЕ РОДА

121


к

оровы дают пластмассу. Много лет целлулоид был

единственной

искусственной

В

1863

г. в одной американской газете напечатали объявление о конкурсе

и награде в

10 тыс.

долларов тому, кто найдет вещество, способное заме­

пластмассой и не з нал ника­

нить в бильярдных шарах слоновую кость. Это объявление прочел Джон

ких соперников. Следующий

Хиатт , владелец небольшой типографии, и вместе с братом Исааком при­

пластик изготовили

ступил к опытам. Они работали семь лет и нашли то, что нужно .

ка.

Процесс

описан

еще

его

из моло­

получения

немецким

хом-бенедиктинцем

гангом Сейделем

мона­

Вольф­

(1492-1562).

Говорят, в поиске решения изобретателям помог случай. Хиатт как-то по­ резал палец и решил замазать ранку коллодием. Взяв банку, он обнаружил , что жидкость высохла, оставив твердую пленку. « Не попробовать ли сде­

Эror рецепт был забыт надолго -

лать из коллодия массу для бильярдного шара? »

до

Но что такое коллодий? Это особым способом обработанная клетчатка ,

тех

пор ,

пока

американец

-

подумал изобретатель.

тентовал в

Эмери-Эдвин Чайлде не запа­ 1885 г. способ полу­

или целлюлоза. Вот и взялись братья за опыты с целлюлозой. В конце кон­

чения пластической массы.

цов из нитроцеллюлозы и камфары им удалось получить твердое вещест­

При производстве сливочно­

во , очень похожее на слоновую кость.

го масла остается не содержа­ щее

жира

«с нятое

молоко ».

Ч тобы продлить срок службы бильярдных шаров , их еще до открытия Хи­

Из него делают творог, отжи­

атта пытались покрывать нитроцеллюлозой. Правда, это дало непредви­

мают

денный побочный результат: слой нитроцеллюлозы на шарах при ударе

под давле нием

и,

сме ­

шивая с горячей водой, пол­

ностью удаляют жиры. Полу­ чается

казеин.

Его

сушат,

взрывался с громким хлопком . От неожиданности игроки хватались за оружие и буквально расстреливали бильярдную . В конечном счете усили­

дробят и обрабатывают фор­

ями братьев Хиатт в

мальдегидом

масса

НСНО .

В

ре­

зультате получается твердый ,

как камень , галалит. Он до сих пор используется в прои з ­

-

1870

г. появилась на свет первая искусственная пласт­

целлулоид.

Пластмассы

это бQльшая семья материалов, очень разных по свойствам.

-

Среди них различают пластмассы общего и специального назначения,

водстве галантерейных изде­

термопласты и термореактопласты.

лий, т.к. его легко окрашивать

Термопласты

в самые различные цвета.

могут менять форму , а при охлаждении становятся жесткими. Это превра­

Целлулоид и галалит являются полусинтетическими вещества­ ми,

поскольку их получают из

натуральных продуктов.

Пер ­

вым полностью синтетическим

пластиком стал бакелит. Сырь­ ем для него послужило химиче­

ское вещество фенол С 6 НрН

-

это полимеры , которые при нагревании размягчаются и

щение может повторяться много раз без изменения свойств.

Термореактопласты , напротив , при нагревании затвердевают и никогда больше не размягчаются, подобно тому как никто на свете не превратит крутое яйцо в яичницу-глазунью . Отвердение обусловлено возникновени­ ем « поперечных сшивок» между молекулами полимеров.

Подавляющее большинство современных полимеров

-

твердые вещества .

(карболовая кислота) . Ра ньше

Задача состоит в том, чтобы твердый полимерный полуфабрикат (поро­

его применяли главным обра­

шок, гранулы, заготовки) превратить в любые изделия: от детских игру­

зом для дезинфекции.

В

1906

г. американец Лео Баке­

ланд, нагревая фенол сб нрн

шек до обтекателей ракет , а также в материалы для электроизоляции, де­ тали автомобилей и т.п .

с формальдегидо м НСНО , по­

Чтобы превратить полимер в готовые пластмассовые изделия, необходи­

лучил стойкую жесткую плас­

мо прежде всего его растворить или расплавить , т.е. перевести в неустой­

тическую массу. Вещество на­ звали «бакелит» по имени изобретателя .

Было обнару­

чивое легкоподвижное состояние.

Когда жидкий полимер примет очертания будущего изделия , внешние

жено, что этот пластик явля­

силы надо ликвИдировать

ется прекрасным электричес­

давление и т.д.

ким изолятором .

Спустя несколько лет в Рос­ сии профессор Григорий Се­ менович Петров ( 1886-1957) получил пластмассу такого же типа , которую он назвал « Кар­

болит». Тогда же в городе Оре­

-

удалить растворитель , снизить температуру и

Однако для осуществления таких переходов необходимо время. Химиче­ ская реакция достигает состояния равновесия за разное время

-

оно мо­

жет исчисляться секундами , минутами, неделями, а иногда даже годами.

При этом нужно помнить, что равновесное состояние является самым вы­ годным, самым устойчивым. Соответственно , и изделия , сделанные из та­

хово-Зуеве был построен пер­

кой пластмассы, будуг наиболее прочными и долговечными.

вый в России завод пластмасс под названием « КарболиТ>>.

образование полимерных молекул и формовка будущего изделия происхо­

Прошло много лет . время

появилось

За это

множество

новых пластических материа­

лов,

и

производство

росло в сотни раз. •

122

химия

их

воз­

Есть и другой путь получения полимерных изделий. Он состоит в том, что

дят одновременно, полимеризация Идет прямо в пресс-форме . Так , напри­ мер , получают термореактопласты.

Это осуществляют по-разному. Можно провести реакцию полимеризации из мономера , т.е. собрать полимерные цепочки из исходных мелких зве-


ньев. Но мономеры в большинстве своем оч е нь летучи, токсичны и взры­ воопасны , так что это н е очень удобный путь. А можно собирать полиме­ ры не из мономерных звеньев, а из цепочек средней длины

-

Термин « олигомер » (от греч. « олигос »

«доля », « часть» ) был введен в рые

по

размеру

и

массе

1930

молекул

-

олигомеров.

« немногочисленный », « мерос »

г. Олигомеры за нимают

-

-

это соединения , кото­

промежуточное

положение

между мономерами и высокомолекулярными полимерами , обладая свой ­ ствами, присущими тем и другим.

Олигомеры

-

это жидкие или легкоплавкие вещества , которые легко пе­

реработать. При образовании полимера из олигомеров выделяется меньше тепла, чем при полимеризации

мономеров , ведь здесь этот процесс уже

Б

ензин

и

полиэтилен.

Хранить бе н з ин в поли­

эт иленовых канистрах небе­

-

зо п а сно. Поли эт илен

д и э­

лектрик , а бен з ин ле гко эле к ­ тризуется

и

является

меняющимся

воспла­

органическим

растворителем .

При

интен­

сивном перемешивании бен­ зина в поли этиле новой кани­

стре образу ютс я мощные за­ ряды статического элект риче­

ства, от которого бен з ин мо ­ жет восп ламе ниться в тот мо­

наполовину осуществлен .

По той же причине переход от исходного олигомера к полимеру идет без

ме нт , когда его переливают и з

канистры в бензобак . Это сл у­

з начительны х изменений объема. Превращение олигомеров в изделие не

чается в летние и з имние ме ­

требует применения высоких давлений и больших температур .

сяцы, при низкой влаж ности

И самое важное : целенаправленный синтез по з воляет в очень широких

воздуха. Бензин следует хра­

пределах изменять комплекс свойств полимеров

-

от жестких пласт­

масс до эластичных резин. Вообще , этот путь получения полимерных композиций имеет большое будущее.

нить в железных канистрах, а в

поли этиленовых

-

только

негорючи е жидкости.

Тайна «Плачущего» дерева. Некоторые растения-каучуконо­ Химия от А до Я

сы выделяют белую, похожую на молоко жидкость , на з ываемую латексом

(от лат.

latex -

«жидкость») . Такими каучуконосами являются , например,

Экзоте рмическая реакция

реакция,

-

фикус и одуванчик . Некоторые латексы свертываются (коагулируют) , если

протекающая с выделением те п лоты.

их подержать на воздухе, од нако кислород воздуха в этом процессе не уча­

Электролитическая диссоциация пад

ствует.

на

- рас ­

ионы

в

растворах и расплавах .

Каучуковый латекс представл яет собой эмульсию микроскопических ка­ пелек каучука в разбавл ен ном водном растворе белков , жиров , углеводов, солей и других веществ . Капельки имеют более низкую плотность , чем

водный раствор , поэтому они всплывают н а поверхность, подобно слив­ кам в молоке (молоко

-

это тоже водная эмул ьсия , состоящая из белков

и капелек жи ра) . При выпаривании воды капельки каучука соединяются , и образуется пленка. тельным свойством : многократное подрезание коры позволяет соби рать и

накапливать большое количество латекса. Индейцы майя называли такие деревья « плачущими »

-

Электрон (е) -

стабил ьн ая отр ица­

тельно за ряженная

элеме нтарна я

час­

ти ца; эле ктроны образуют эле ктрон ­ ную оболо<1ку атома .

Электроотрицательность

-

услов н ая

вел ичин а характеризующая с п особ н ость

атома зле мента притягивать к себе обра­ зующие связь злектроны, при обретая от­ рицатель ны й заряд.

Некоторые де ревья Южной Америки и Восточной Азии обладают замеча­

«о-чу»

веществ-электролитов

-

так возникло слово « каучук» («каа»

-

«дерево »,

« плачущее» ). Это название было заимствовано европейскими хи­

Эл ектрохимический металлов

-

ряд

напряжений

последовательность метал­

лов , расположе нны х в порядке убыва­ ния и х х имич еской активности .

Эндотермическая реакция

-

реакция,

протекаю щая с поглощением теплоты

из окружающей с реды.

миками.

Эластичность и клеящая способность каучука использовались очень дав­ но. За сотни лет до того, как Колумб открыл Америку , индейцы майя иг­

рали в мяч из коагулированного каучука . В Восточной Азии в

XV1

в. кау­

Энергия Гиббса

-

тер моди нам ическая

вею1чин а, У'IИ Т ывающая и те плову ю , и

э нтропий н ую характе ри стики х и ми<1 е­ ской

системы;

изменен и е

чук использовали как клей для ловли птиц. Прибли зительно в то же время

ни я х ими~1 еск их реакций .

в Мексике научились покрывать ткань каучуковым латексом, чтобы сде­

Э нтальпия р е нн ей

лать ее непромокаемой.

Каучук не сразу получил всеобщее признание . Европейцы сначала просто

э н е ргии

Гиббса служ ит критерием напрам е­

-

сумм а изменения внут­

э н е ргии

взаимодействующ и х

веществ и работы , которая совершает­ ся при реак ции .

не знали, что с ним делать. Одним из первых нашел применение каучуку

Энтропия

английский химик Джозеф Пристли в

доч е нности хим ич еской с и стемы; п о

крытие , сделанное другим человеком

1770 г. , -

хотя он просто описал от­

механиком Э. Нерном. Так по ­

явилась всем известная резинка-ластик .

Чтобы использовать полезные свойства каучука , надо было попытаться нанести его на тонкий материал

-

ткань или бумагу , но сначала необхо­

димо найти для каучука подходящий растворитель.

-

характери стика неу п оря ­

о пределе нию Кл аузиуса, э нтропия

отн оше ни е колич ества теплоты

-

Q, со­

об щен н ой с и стеме ил и отведенной от

неё, к температуре Т. Эрстед, Ханс-Кристиан

(1777- 185 1) -

датский фил1к , первым полу<1ил ме­ талл ическ ий алюм иний.

МИР УГЛЕРОДА

123


ткрытие Колумба . «Оно

В

оказывает

подходящий растворитель

о

з начительное

целебное действие: укрепляет желудок , останавливает рвоту ,

1823

г. шотландский химик и изобретатель Чарльз Макинтош подобрал

-

лигроин , представляющий собой фракцию

нефти , богатую ароматическими соединениями. Он изобрел непромокае­

возбуждает аппетит и очищает

мую ткань , состоящую из двух слоев материи, соединенных раствором ка­

кровь; способствует кровооб­

учука, и наладил производство плащей , так называемых «мак интошей » .

ращению , благотворно влияет

Однако качество данных изделий было не очень высоким. От тепла они

на легкие, дает и збавле ние от

размягчались , становились липкими вследствие химической и фи з ичес­

кашля , смягчает боли в боку и уменьшает страдания больных чахоткой ;

ослабляет зу бную

кой природы гигантской молекулы каучука. В то время , однако , считали , что причиной клейкости каучука является содержащаяся в нем жидкость.

боль и укрепляет десны, вос­

Логичным казалось удалить ее. Но при нагревании каучук превращался в

паленные цингой ».

дурно пахнущую массу .

О каком лекарстве идет речь в

Бог Вулкан и резиновые сапоги. Американский изобрета­ ( 1800-1860) внес коренное изменение в обработку ка­

старинном медицинском трак­

тате? Догадаться трудно. Тем более что это и не лекарство

тель Чарльз Гудьир

вовсе , а". каучук. Ему припи­

учука, решив , что в него нужно вводить осушающую добавку. Гудьир меж­

сывали свойства, которыми он

ду

не обладал , и в то же время не

поглощающие воду. Попытки были безуспешными, пока в один прекрас­

замечали

его

уникальных

ка­

честв.

Когда

Христофор

конце

XV в.

Колумб

в

пред принял свое

1831

и

1839

гг . систематически опробовал все известные ему вещества ,

ный день он по недосмотру не оставил в горячей печи смесь каучука, се­

ры и оксида цинка. И что же? Клейкость исчезла, а каучук приобрел эла­ стичность и стойкость, не зависящие от температуры.

второе путешествие , он остано­

Нелегко далось Гудьиру это открытие. Истратив на опыты все сбереже­

вился у берегов острова Гаити в

ния , он стал бедняком и был близок к отчаянию. Гудьир понимал важ­

Тихом океане . Сойдя на берег испанцы

с уд ивлением

увиде­

ли, как индейцы бросают друг д ругу

какие-то

руглой шары

предметы

формы. хорошо

ок­

ра , то слышали в ответ: « Если вы встретите человека в шапке, брюках,

под прыгивали .

сюртуке, накидке, сделанных из резины, в резиновых сапогах и с резино­

скольку они были твердыми.

Н етрудно догадат ься , что ин­ дейские « шары »

-

предки ны­

резиновых

мячей.

Оказалось , аборигены делали их

из

сока

местного

дерева,

которое они называли «ге вея ».

Когда Колумб вернулся на ро­ дину ,

он

привез

несколько

кусков странного материал а.

Особого интереса сувенир в то время не вызвал: внимание

соотечественников было по­ глощено золотом и серебром.

Современники

Колумба по­

просту отвергли каучук.

Изобретение процесса вулка­ низации положило начало ре­

з и новой

найти предпринимателя , который пошел бы на риск.

Если в Нью-Хейвене (штат Коннектикут) спрашивали, как найти Гудьи­

Диковинные

Это казалось невероятным , по ­

нешних

ность своего открытия , однако пять лет утаивал изобретение, т.к. не мог

промышленности .

Каучук находил все большее

вым кошельком без единого цента в нем, то это и будет Гудьир» . Это изобретение положило начало развитию резиновой промышленности . Поскольку жар и сера (главные факторы отверждения каучука) были атри­ бутами римского бога огня Вулкана, процесс назвали вулканизацией. Дан­ ная операция является основой и современного способа получения резины .

Каучуки и резины объединяют одним понятием «эл астомеры », подчерки­ вая тем самым их основное свойство

-

высокую эластичность.

Вулканизация каучуков напоминает отвердение пластмасс , она придает каучуку прочность , стойкость к старению и деформациям, а также дела­

ет его менее пластичным. В химическом отношении эта реакция заклю­ чается в образовании поперечных связей, или мостиков , между молеку­ лами каучука. •

Победа профессора Лебедева. Благодаря своим свойствам резина завоевала всемирную популярность. Н ачалась настоящая каучуко­ вая лихорадка. Гевея , растение тропического пояса , не так уж доступна. Не­ ужели нельзя создать синтетический материал, обладающий свойствами

применение. Сырье собирали

каучука? В разных странах проводились научные исследования по получе­

из дикорастущих бразильских

нию искусственного каучука. Первый каучукоподобный материал был со­

деревьев.

здан в России учеными-химиками Николаем Никол аевичем Мариуцей

Некоторые

бра­

зильские магнаты так разбо­ гатели,

что

пожертвовали

деньги на возведение в цент ­

(1862-1896) и Иваном Лаврентьевичем Кондаковым (1857-1931) еще в конце XIX в. В 1916 г. на основе их работ в Германии было организовано

ре джунглей Амазонки опер­

производство синтетического каучука и выпущены первые автомобильные

ного театра,

шины. Однако этот способ был очень дорог.

импортируя для

него мрамор и". итальянско­

го певца Карузо.

124

химия

Исследования показали , что молекулы каучука являются длинными це­

почками и состоят из изопрена СН 3 =С(СН 3 )СН 2 =С Н 3 • Химики пришли к


выводу , что если « сшивать» молекулы изопрена друг с другом , то должен получиться каучук .

Российский химик Сергей Васильевич Лебедев

(1874-1934)

в

1910

г. впер­

вые получил образец синтетического бутадиенового каучука , имеющего

состав [ - СН 2 СН=СНСН 2 - ) ". Однако скорость процесса и выход бутадие­

т

е, кто создал науку химию вначале

вр а чи

в

свое

з атем

верили

предн аз начение

и

щад ил и здоровья , а порой жи з ни

ний , пока ученому удалось подобрать катализатор , который значительно

д вери

личивал выход этого продукта.

-

собственно химики

на были невелики. Потребовалось много труда , опытов и научных иска­

ускорял превращение этанола С 2 НрН в бутадиен СН 2 =(СН 2 ) 2 =СН 2 и уве­

алхимики ,

и апт е кари и , н а конеu ,

чить

в стремлении в

риалы ,

и

открыть

неизве д анное ,

новые

не

веществ а

и

пол у ­ мате­

необход имые людям.

Химики , по существу , аза рт­

Пока Лебедев занимался своими опытами , прошло несколько лет. За это

ные охотники за необычными

время многое изменилось. Началась и закончилась Первая мировая война.

свойствами

Пришли к власти большевики. А еще через несколько лет завершилась граж­

следопыты

данская война, и страна приступила к восстановлению хозяйства , а пля это­ го требовались металл , уголь и много каучука

-

сырья пля производства ре­

новых

веществ ,

мире

химичес­

в

ких реакuий.

Сначала

они

определяют

теоретически

uель

-

нужные

з ины. В России был объявлен конкурс на лучший способ получения деше­

свойства неи з вестного веще­

вого каучука; в нем могли участвовать и иностранные ученые.

ства , а з атем начинают высле­

Лебедев, в то время профессор Военно-медицинской академии в Ленингра­ де (Санкт-Петербурге) , продолжил свои опыты с бутадиеном . Для того что­ бы добиться превращения газообразного бутадиена в твердое эластичное ве­ щество каучук , Лебедев воспользовался катализатором В начале

1928

-

металлом натрием.

г. , в срок, обусловленный конкурсом , Лебедев представил в

Высший совет народного хозяйства два килограмма каучука, впервые со­

живать «добычу», планомерно

проводить синте з ы (получать это вещество) , «загоняя зверя в

капкан »

по

« Поймав »

всем

новое

правилам .

вещество ,

ученые передают его строите­

лям ,

фармаuевтам ,

агроно­

м а м , свя з истам, э нергетикам ,

зданного человеком .

Через два года в Ленинграде построили опытный з авод для производства

синтетического каучука по способу Лебедева. В конце

1930 г .

был получен

первый блок каучука. Стоил он сравнительно недорого и по свойствам ус­

художникам

...

В новом тысячелетии з наче­ ние науки химии еще более возрастает . •

пешно соперничал с натуральным.

За границей долго не верили в открытие Лебедева. Даже знаменитый аме­ риканский изобретатель Томас-Алва Эдисон заявил: « Я не верю, что рус­ ским удалось получить синтетический каучук. Это сплошной вымысел » .

Бывает , что и великие люди ошибаются. Ошибся на этот раз и Эдисон. На основе пол ученного ка учука в

1932

г. Лебедев разработал методы полу­

чения рез ины и и з готовления резинотехнических изделий.

Поз же химики и з обрели д ругие способы получения каучука, при которых

этанол ( этиловый спирт) не нужен.

Еще в

1926 г. , почти одновременно с Лебедевым , другой ленинградский - Борис Васильевич Бы зов ( 1880-1934) препложил использовать

ученый

в качестве исходного сырья нефть. Нужно было сначала получить из нее бутадиен, а потом переработать его вJ(аучук.

И з - за технических сложностей эта задача в то время не была решена.

Есть несколько способов получения каучука. Согласно одному , из нефтя­ ных газов выделяют этилен С 2 Н 4 , переводят его в этанол С 2 Н 5 0Н, а затем п е рера батывают по способу Лебедева .

Согласно другому, нефтяные газы превращают в каучук без предварительного

получения этанола. Этот способ был усовершенствован, и в каучук стали пере­ рабатывать природный газ, который используется в обычных газовых плитах .

Невозможно рассказать обо всем удивительном , что встречается в мире полимеров и каучуков. Как будет развиваться промышленность полиме­ ров, покажет будущее.

Нужны дешевые сырье и способы получения материалов с заданными свойствами и, конечно, совершенно необходимо наладить переработку и утилизацию полученных веществ , чтобы планета по-прежнему оставалась такой же прекрасной и живой. •

МИР УГЛЕРОДА

125


ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ГРУППЫ

::q ~

о

~

о..

Q,)

н

1

ПIБ

IIA

IA

~

IVБ

VIБ

VIIБ

VIIIБ

1

1,(10182& •~дород

Li 2

3 Ве

6., ~1

9,012;18 '

АJJТИЙ

~ИJt.аИЙ

-

Na 3

к

39,0983

kb

37'

Название-- ,. 8Щt9Ji9A

Cs

~~ь.WJМ

<Sr

Er

1:

87

21 44,956

56

137,327

Ra

(223)

(226)

франций

рамй

схандий

у

39

88,9059

стронций

6apиit

~

33

87,62

55 Ба

132,9054

zo Sc

40 078

85,4678

цезий

7

'1;,007825 --Относительная

иттрий

57 - 71

La-Lu *

83 89-103

Ac-Lr **

Ti

22

47,88

*Лантаноиды

Cr

24 51 ,996 хром

Mn

25

54,94 марганец

43 42 Те 40 NЬ 41 Мо 95,94 91 ,224 92,91 [98)

цирконий

ниобий

73 72 Та 178,49 180,95

Hf

гафний

Rf

104

тантал

Db

105

молибден

w

74

183,85

Sg

106

(261)

(262)

(263)

дубний

си6орrий

57 Се

58

138,9055

140,12

лантан

церий

89 Тh

(227)

Pr

59

Re

(231) протактиний

27 26 Со 55,85 58,93

железо

Ru

44

кобальт

Rh

45

107,07

102,91

рутени й

родий

Os

76

Ir

77

190,2

192,22

рений

осмий

иридий

Bh

107 (264)

борий

Hs

108

u

92

238 ,03 уран

109

[267)

[268) мейтнерий

61 60 Рт 144,24 (145)

неодим

Mt

хассий

Nd

празеодим

91

75

Fe

186,21

140,91

90 Ра

232 ,04 тори й

технеций

вольфрам

резерфордий

актиний

химия

23 50,94

Zr

Ас **Актиноиды

v

ванадий

титан

La

126

атомная масса

Jt~й

Ga .,

19

рубидий

6

1 --Порядковый номер

12 22 ,91}.917 , 24,30'5

кали,~'.·.~.

5

н

Mg

11

~-.i

4

Символ--

4

пром етий

Np

93

(23 7) н е птуний

Sm

62

150,36 самарий

Pu

94

(244) плут о ни й


ЭЛЕМЕНТОВ Д.И. МЕНДЕЛЕЕВА ЭЛЕМЕНТОВ

ПБ

ПБ

IIIA

VA

IVA

VIA

VIIA

VIIIA Не

2

4 ,003 rелий

28 Си

29 Zn 65 ,39

медь

цинк

46 Ag

47 Cd

платина

112,41

серебро

кадмий

79 Hg

80

196,97

200,59

золото

ртуть

110 [271)

48

107 ,87

78 Аи 195,08

30

63 ,55

111

112

О s-элементы

О d-элементы

р-элементы

О {-элементы

[ ... ]

[272)

Си

\европий

Ш1

64 ТЬ

63 Gd

151 ,97

157,25 гадолиний

95 Ст

96

65 Dy

158,93 тербий

Bk

диспрозий

97 Cf

(243 ]

(247]

(24 7]

~~мериций

кюрий

берклий

66 Но

162,50

98

(251 ] кали форний

67

Er

68

Tm

69 УЬ

164,93

167 ,26

168 ,93

ГОJ\ЬМИЙ

эрбий

тулий

Es

99 Fm

(252 ] эйнштейний

100

(25 7] фермий

70 Lи

71

173 ,04

1~4 , 97

иттербий

лютеций

Md 101 No

102 Lr

103

(258 ]

(259]

(26 2]

менделевий

нобелий

лоуренсий

127


БОЛЬШАЯ СЕРИЯ З НАНИЙ

Химия

Выпускающий редактор Технический редактор Внешнее оформление

Корректор

О. Медведская Н. Лисицына Д. Шишко

О. Мещерякова, В. Фрадкина

Большая серия знаний. Химия / Коллектив авторов . Х46

-

М .: ООО «ТД « Изшпельство

Мир книги» . « Русское энциклопедическое товарищество»,

2006. -128 с.:

ил.

ББК24

Под писано в печ ать Формат 84х 108 1/

10.05.2006

г.

16 •

Бумага офсетная. Печать офсетная. Гарнитура « Ньютон » .

П еч. л.

8.

Дол . тираж Заказ №

40 ООО экз. 0504891.

ООО «ТД «Издательстоо Мир книги »,

111024,

Москва , ул. 2-я Кабельная, д.

2,

стр.

6

Отпечатано в полном соответствии с качеством предоставленных диапозитивов

в ОАО «Ярославский лолиrрафкомбинат»

150049,

Ярославль , ул . Свободы ,

IЯПКI

97


14. Химия  

2006

14. Химия  

2006

Advertisement