Page 1

ISSN 2074-5311

ВНИМАНИЕ! СПРАВОЧНИК−ТРЕНАЖЕР

Углеводороды. Алканы

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ХИМИИ

М. В. Ломоносов и астрономия

НАКАНУНЕ УРОКА

Химическая номенклатура и филология


К статье «Живописный мир кристаллов под микроскопом»

б)

в) Рис. 2. Микрофотография кристаллов хлорида натрия с добавлением красителя: гуашь жёлтая (а), гуашь красная (б), гуашь оранжевая (в) а)

Рис. 3. Кристаллы медного купороса, полученные при разных температурных режимах: слева – при +4оС, справа – при +20оС

К статье «Выращивание кристаллов меди в домашних условиях»

Рис. 1. Всё подготовлено для опыта. Осталось только залить насыщенный раствор поваренной соли

Рис. 2. Спустя 2 дня. Позеленел весь нижний слой. Начали расти дендриты меди

Рис. 4. Спустя 7 дней. Постепенно дендриты заполнили всю банку

Рис. 3. Спустя 3 дня. Образование кристаллов меди

Рис. 5. Спустя 17 дней. Выделенные кристаллы меди


ХИМИЯ для школьников 3 2010

научно-практический журнал для среднего и старшего школьного возраста

в номере:

ИДУ НА ЭКЗАМЕН 3

Медведев Ю. Н. ЕГЭ 2010: ИНФОРМАЦИЯ С «ГОРЯЧЕЙ ЛИНИИ» В статье даются ответы на вопросы, поступившие от участников экзамена

СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ХИМИИ 11 Страут Е. К. М. В. ЛОМОНОСОВ И АСТРОНОМИЯ. К 300-летию Михаила Васильевича Ломоносова Рассказ об открытии атмосферы на Венере и распространении в России гелиоцентрической системы мира

К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ 15 Добротин Д. Ю. Приглашаем к участию в конкурсе, или Как написать исследовательскую работу 21 «МЫ И  БИОСФЕРА»: конкурс учебно-

исследовательских и научных работ

22 Яковлева И. Живописный мир кристаллов под микроскопом 24 Назаров А. Выращивание кристаллов меди в домашних условиях

НАКАНУНЕ УРОКА 28 Медведев Ю. Н. СТРОЕНИЕ АТОМА. ЭЛЕКТРОННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ АТОМОВ Материал статьи полезен при подготовке и к уроку и к экзамену


38 Колевич Т. А., Матулис В. Э., Матулис В. Э. ХИМИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА И ФИЛОЛОГИЯ В статье рассказывается о том, как использовать основные принципы словообразования при изучении номенклатуры органических соединений

В МИРЕ ВЕЩЕСТВ И РЕАКЦИЙ 43 Куркова Т. Н. Элемент № 80 – ртуть – жидкое серебро Рассказ о характерных свойствах этого элемента

СПРАВОЧНИК-тренажер

Предельные УГЛЕВОДОРОДЫ Предлагаются теоретические сведения по данной теме и тренировочные задания, полезные при подготовке к ЕГЭ

Главный редактор А. А. Каверина Редакционная коллегия: Воробьева Н. И., Деркач А. М., Добротин Д. Ю., Калашникова Ю. А. (зав. редакцией), Медведев Ю. Н. (научный редактор), Снастина М. Г., Стаханова С. В. Страут Е. К. (зам. гл. редактора), Хачатурян М. А., Щербаков В. В. Верстка М. Лускатов Адрес редакции (для писем): 127254, Москва, ул. Руставели, д.10, корп. 3 E­mail: marketing@sсhoolpress.ru

ООО «Школьная Пресса» Адрес издательства: 127254, Москва, ул. Руставели, д.10, корп. 3 Тел.: (495) 619-52-87, 619-83-80, Факс: (495) 619-52-89 Журнал зарегистрирован Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия, свид. о рег. ПИ №ФС77­9199 Учредитель — ООО «Школьная Пресса» Формат 84×108/16. Тираж 2500 экз. Изд. № 1912. Заказ №

Отпечатано в ОАО ордена Трудового Красного Знамени «Чеховский полиграфический комбинат» 142300, Московская область, г. Чехов, ул. Полиграфистов, д. 1 Сайт: www.chpk.ru; E­mail: marketing@chpk.ru Телефон 8 (495) 9886387 Факс: 8 (496) 7265410 © Школьная ­Пресса © «Химия для школьников», 2010, № 3 Издание охраняется Законом РФ об авторском праве. Любое воспроизведение материалов, размещенных в журнале, как на бумажном носителе, так и в виде ксерокопирования, сканирования, записи в память ЭВМ, и размещение в Интернете запрещается.

Рукописи, поступившие в редакцию, не рецензируются и не возвращаются. Редакция не несет ответственности за содержание объявлений и рекламы. Редакция не всегда разделяет мнения и оценки, содержащиеся в материалах.


Иду на экзамен

ЕГЭ 2010: ИНФОРМАЦИЯ С «ГОРЯЧЕЙ ЛИНИИ» Медведев Ю. Н., МПГУ У выпускников российских школ закончилась горячая экзаменационная пора. Более 66 000 человек сдавало в  этом году единый государственный экзамен по химии. С  20 по 30 апреля проходила первая экзаменационная волна – для тех, кто выезжал за рубеж на постоянное место жительства или для продолжения обучения, для выпускников вечерних школ, призванных в  ряды Российской Армии, для выезжающих на российские или международные соревнования, конкурсы, олимпиады и для некоторых других категорий. Основная волна экзаменов прошла 27 мая – 17 июня. Для тех, кто в  эти сроки не сдавал ЕГЭ по уважительным причинам, была возможность сдать экзамены в резервные дни – с 17 по 21 июня.

П

о сведениям пресс-службы Рособрнадзора, уже в середине апреля начали работать телефонные «горячие линии» по вопросам единого государственного экзамена более чем в  60 регионах России. Участники ЕГЭ, их родители, а  также учителя обращались к специалистам с вопросами, касающимися разных аспектов ЕГЭ: процедуры экзамена, оформления заданий, организационных требований. Также на официальных сайтах региональных органов образования были открыты специальные разделы, посвященные ЕГЭ. Информация по каждому региону с  контактами «горячих линий» и  ссылками на официальные сайты по вопросам ЕГЭ содержалась на официальном информационном портале ЕГЭ (http://www. ege.edu.ru/), в  разделе «ЕГЭ в  субъектах Российской Федерации». На сайте также можно было увидеть демонстрационные варианты по всем предметам ЕГЭ-2010, пройти тестирование online. 1*

Кроме того, на федеральном уровне заработали «горячие линии» Федерального центра тестирования (ФЦТ) и Федерального института педагогических измерений (ФИПИ). В ФИПИ на поступавшие по «горячей линии» вопросы непосредственно отвечали разработчики экзаменационных заданий единого госэкзамена. Ниже приведены некоторые из вопросов, поступивших в дни проведения ЕГЭ по химии, и ответы специалистов Федеральной предметной комиссии по химии на эти вопросы. Вопрос. Здравствуйте! Мои ученики сдают сегодня экзамен по химии, а у меня вопрос по поводу задачи С4. В  демоверсии есть пример такой задачи: Смешали 100 мл 30%-ного раствора хлорной кислоты (плотностью 1,11 г/мл) и  300 мл 20%-ного раствора гидроксида натрия (плотностью 1,10 г/мл). Сколько миллилитров воды следует добавить к по-


4

лученной смеси, чтобы массовая доля пер­ хлората натрия в ней составила бы 8%? Мы со школьниками накануне решали эту задачу двумя способами. Если решать как в демоверсии и проводить вычисления по отдельным действиям (округляя промежуточные ответы), то в  итоге получится: V(H2O) = 64 мл. А если вывести итоговую расчетную формулу и  подставить в  нее все исходные данные, получится ответ: V(H2O) = 66 мл. Вопрос у  меня такой: будет ли влиять точность округления промежуточных результатов и, соответственно, численное значение ответа на количество баллов, начисляемых при проверке за задачу такого рода? Наталья Сергеевна, г. Москва Ответ. Уважаемая Наталья Сергеевна! Спасибо Вам за звонок и за внимание к этой важной проблеме. Что касается Вашего беспокойства, то хочу Вас утешить – точность, с которой следует проводить  математические расчеты при решении химических задач,  как обязательное требование в нормативных документах нигде не указана. Под нормативными документами мы понимаем Федеральный компонент государственных стандартов основного общего и  среднего (полного) общего образования (базовый и профильный уровни) по химии (приказ Минобразования РФ № 1089 от 05.03.2004 г.). Соответственно, вопрос точности вычислений не рассматривается ни в одном из школьных учебников по химии и на экзамен в виде проверяемого элемента содержания он не выносится. Конечно, учащимся известно, что такое точные и  приблизительные значения физических величин, что такое значащие цифры, как их округлять, как с ними оперировать, как оценивать точность полученного результата вычислений и т. д. Но

Химия для школьников

3/2010

в ходе выполнения химических расчетов (в силу названных выше причин) они могут производить округления до некоторой степени произвольно. В рассмотренном Вами примере, взятом из Демоверсии экзаменационной работы 2010 г., различие в возможных ответах достигает 2 миллилитров в зависимости от того, выводят ли сначала общую формулу для расчета, а затем подставляют в нее все численные значения или проводят расчет по отдельным действиям, округляя промежуточные результаты. Именно поэтому задания части 3 (С1  – С6) проверяет эксперт − опытный преподаватель, химик, методист. Эксперты на местах должны проверить, является ли несовпадение ответа учащегося с  рекомендованным ответом следствием химических ошибок или это результат округления (иногда слишком грубого). Если дело в незнании химии (неверное уравнение реакции, неправильно найдена молярная масса или использована неверная формула для расчета массовой доли или количества вещества), то оценка должна быть снижена. Если дело в  округлении, то это на оценку никак не должно повлиять! Эту мысль обязательно следует довести до сведения учащихся, чтобы на экзамене они сосредоточились на химической составляющей задания. Небольшое послесловие. На наш взгляд, этот вопрос имеет принципиальный характер: учить культуре математических вычислений при решении любых задач, в  том числе и  химических, конечно, следует. И  когда-нибудь этот вопрос найдет отражение и  в государственном стандарте, и в школьных программах, и в учебной литературе, и в Контрольных измерительных материалах ЕГЭ. Вопрос. Это звонит мама. Сегодня на экзамене мой ребенок, заполняя в  бланке ответы


Иду на экзамен

к части В, все перепутал и вместо набора цифр (234) записал цифры через запятую (2,3,4). Это повлияет на результаты экзамена? Ответ. К сожалению, повлияет. И вот почему. В инструкции по выполнению заданий части В (она специально дважды повторяется в каждом варианте экзаменационной работы) четко сказано: «В заданиях В1–В5 запишите в  таблицу цифры выбранных вами ответов под соответствующими буквами, а  затем получившуюся последовательность цифр перенесите в  бланк ответов № 1 без пробелов и  каких-либо символов», «Ответом к заданиям В6–В8 является последовательность цифр, которые соответствуют номерам правильных ответов. Запишите эти цифры в порядке возрастания сначала в текст работы, а  затем перенесите их в  бланк ответов № 1 без пробелов и других символов». Именно без пробелов и других символов, в частности без запятых! Поскольку ответы к заданиям части 2 экзаменационной работы проверяет компьютер, он признает цифры с запятыми как неверный ответ. Если компьютер правильно «воспримет» ответ с запятыми и он будет передан в  Федеральный центр тестирования, то этот выбивающийся из общего ряда ответ в процессе проверки правильности ответов и  при наличии в  нем правильных цифр будет признан верным. Но если компьютер неверно «воспримет» эти запятые, то ответ может получиться, к примеру, такой: 21344, В этом случае мы ничем помочь не сможем. Что же делать в этой ситуации? Выход есть − подать апелляцию. Апелляция о несогласии с выставленной отметкой подается в течение трех дней, начиная со следующего дня после официального ознакомления выпускника с результатами экзамена.

5

Апелляция о несогласии с выставленными баллами подается или в конфликтную комиссию, или руководителю того образовательного учреждения, в  котором выпускник ознакомился с официальными результатами ЕГЭ. Выпускник имеет право присутствовать при рассмотрении апелляции. С  выпускником (поступающим), в  случае если он является несовершеннолетним (до 18 лет), имеет право присутствовать при рассмотрении апелляции один из его родителей (законных представителей). При апелляции выпускнику предъявляются копии бланка регистрации, бланков ответов № 1 и № 2, бланка-протокола, а также листы распознавания бланков. Вот тогда Вы и узнаете, засчитаны Вашему ребенку баллы за часть 2 или нет. Но здесь есть один тонкий момент. По закону апелляция не принимается по вопросам, связанным с  нарушением выпускником инструкции по выполнению экзаменационной работы. В вашем случае инструкция по заполнению бланков была явно нарушена. Вопрос. В задании А7 требовалось оценить правильность суждения о  том, что «Производные железа в степени окисления +6 являются сильными восстановителями». Но ведь у железа нет такой степени окисления, а только +2 и +3. Нет ли ошибки в этом задании? Ответ. Ошибки, конечно же, здесь нет. Для железа возможны производные в  самых разнообразных степенях окисления. Так, приведем примеры соединений железа с указанием степени окисления: Соединение Степень окисления железа K2[Fe(CO)4]

−2


6

Химия для школьников

Соединение Степень окисления железа [Fe(CO)4]Br [Fe(CO)5]

+1 0

FeCl2

+2

FeCl3

+3

Na2FeO3

+4

Na2FeO4

+6

Как видим, железо может проявлять даже отрицательные степени окисления. При таком многообразии степеней окисления возникает вопрос: «А может ли железо проявлять высшую степень окисления, равную номеру группы?» До 1990-х годов ответ на этот вопрос был однозначно отрицательным. Но в последнем десятилетии ХХ века был синтезирован оксид железа (VIII) FeO4, правда, только в виде раствора в  четыреххлористом углероде − уж очень он неустойчив. Нужно ли со всем этим многообразием знакомиться в  средней школе? Думаем, что нет − этот материал подробно излагается в университетских курсах химии. Что касается конкретной степени окисления +6, то ответ давайте искать в школьных учебниках. Откроем сначала учебник для общеобразовательных учреждений «Химия: 11 класс» авторов Г. Е. Рудзитиса и  Ф. Г. Фельдмана. На стр. 112 читаем: «Для железа наиболее характерны соединения, в  которых его степени окисления равны +2 и  +3. Имеются и соединения, в которых железо проявляет степень окисления +6, но они неустойчивы». Как видим, информации совсем немного, но самое главное сказано: производные железа +6 существуют и они неустойчивы. Заглянем теперь в учебник Л. С. Гузея, В. В. Сорокина и Р. П. Суровцевой «Химия:

3/2010

9 класс. Учебник для общеобразовательных учебных заведений». На стр. 218 прочитаем: «Железо имеет 8 валентных электронов. Однако валентность 8 для него совершенно не характерна; неустойчивы и соединения с  шестивалентным железом, например производные железной кислоты H2FeO4, являющиеся сильнейшими окислителями». Здесь информации дано несколько больше, причем главное  – это то, что производные железа +6 очень сильные окислители. А вот учебник О. С. Габриеляна, И. Г. Остроумова и  др. «Общая химия: учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений с  углубленным изучением химии. Москва: «Просвещение», 2007  г.». Это углубленный курс, поэтому и сведений о химии железа здесь побольше. Вот несколько цитат: «Чаще всего встречаются соединения железа со степенями окисления +2 и +3, реже +6» (стр. 345). «Ферраты. Соли щелочных металлов, содержащие феррат-анион (Na2FeO4, K2FeO4), имеют пурпурно-красную окраску, достаточно устойчивы, но при подкислении разлагаются: 4Na2FeO4 + 10H2SO4 = 2Fe2(SO4)3 + 4Na2SO4 + 3O2 + 10H2O Ферраты представляют собой даже более сильные окислители, чем перманганат калия» (стр. 350). Этих цитат, взятых из учебников для 9 и 11 классов, достаточно, чтобы сделать вывод о том, что утверждение «Производ­ ные железа в  степени окисления +6 являются сильными восстановителями» совершенно неверно. Ну, а  если эта информация из школьных учебников была подзабыта к моменту экзамена? Как тогда подойти к  ответу на вопрос задания? Не поверите, но Вы сами, задав свой вопрос, наполовину на него


Иду на экзамен

уже ответили. Вы утверждаете, что самые устойчивые степени окисления железа +2 и +3. Это верно. Какими свойствами с Ваших позиций должны обладать в этом случае производные железа +6? Правильно, они должны легко переходить в  устойчивые степени окисления (+2 и  +3), т. е. проявлять окислительные свойства. Что и требовалось доказать. Вопрос по заданию С4: «Смешали 300 мл 6%-ного раствора фосфата натрия плотностью 1,02 г/мл и 200 мл 5%-ного раствора хлорида кальция плотностью 1,01 г/мл. Определите массовую долю фосфата натрия в  полученном растворе». Мы считаем, что в этом задании допущена ошибка. В условии сказано, что массовая доля фосфата натрия в растворе равна 6%. А в конце спрашивается: «Определите массовую долю фосфата натрия в  растворе». Зачем ее определять, если она уже дана? Ответ. Этот вопрос является примером невнимательного прочтения условия задачи, а  также неверного ее анализа. В  задаче просят определить массовую долю соли не в исходном, а в конечном растворе! Проанализируем условие задачи. При смешении растворов фосфата натрия и хлорида кальция происходит взаимодействие солей с образованием осадка фосфата кальция: 3СaCl2 + 2Na3PO4 → 6NaCl + Ca3(PO4)2↓ Часть фосфата натрия, вступив в эту реакцию, уйдет из системы. Следовательно, его концентрация уменьшится. Проверим этот вывод расчетом. Количества исходных веществ равны: n(CaCl2) =

200 ⋅ 1,01 ⋅ 0,05 = 0,091 моль 111

7

300 ⋅ 1,02 ⋅ 0,06 = 0,112 моль 164 Очевидно, что хлорид кальция полностью вступит в реакцию, а фосфат натрия дан в  избытке и  прореагирует не полностью. Избыток фосфата натрия составит: n(Na3PO4) = 0,112 − 2/3·0,091 = 0,051 моль Масса оставшегося в растворе фосфата натрия будет равна: m(Na3PO4) = 0,051 · 164 = 8,364 г Осталось рассчитать массу выпавшего осадка фосфата кальция: m(Ca3(PO4)2) = 0,091/3 · 310 = 9,403 г Массовая доля фосфата натрия в полученном при смешении растворе составит: 8,364 w(Na3PO4 ) = = 200 ⋅ 1,01 + 300 ⋅ 1,02 − 9,403 n(Na3PO4) =

= 0,017 или 1,7% Итак, массовая доля фосфата натрия в  растворе, полученном при сливании растворов фосфата натрия и  хлорида кальция, составит 1,7%. Так что никакой ошибки в условии нет. Уже после того как «горячая линия» официально завершила свою работу, к  нам по электронной почте пришло письмо, которое содержало несколько замечаний по поводу контрольных экзаменационных материалов. Рассмотрим эти замечания. Замечание по заданию: «Щелочную среду имеет водный раствор 1) хлорида натрия 2) сульфата калия 3) ортофосфата натрия 4) сульфата железа(II)» «В задании нет правильного варианта ответа, т. к. среда водных растворов первых трех солей нейтральная, а последнего раствора − кислая».


8

Ответ. Это задание проверяет усвоение такого важного элемента содержания, как «Гидролиз солей». Как известно, гидролизу подвергаются соли, образованные слабыми кислотами или слабыми основаниями. С этих позиций и  проанализируем предложенные в задании варианты ответов. Хлорид натрия NaCl − соль, образованная сильной кислотой (HCl) и  сильным основанием (NaOH). Такие соли гидролизу не подвергаются. Среда водного раствора нейтральная. Сульфат калия K2SO4 − cоль, образованная сильной кислотой (H2SO4) и сильным основанием (KOH). Среда водного раствора также нейтральная. Ортофосфат натрия Na3РО4 − соль, образованная слабой* фосфорной кислотой (Н3РО4) и  сильным основанием (NaOH). Подобные соли подвергаются «гидролизу по аниону». В  данном случае уравнение гидролиза в ионном виде запишется так: 3− 2− − РО4 + Н2О  НРО4 + ОН Увеличение концентрации гидроксидионов обусловливает щелочную реакцию среды. Аналогично протекает гидролиз всех солей, образованных слабой кислотой и  сильным основанием (K2CO3, K2S, NaF, NaNO2 и др.). В уже цитированном выше учебнике О. С. Габриеляна, И. Г. Остроумова и др. «Общая химия: учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений с углубленным изучением химии» этот тип гидролиза подробно рассмотрен на стр. 162–164 на примере карбоната калия. Сульфат железа(II) − соль, образованная сильной кислотой (H2SO4) и  слабым осно* Ортофосфорную кислоту обычно относят к  кислотам средней силы. Это оправдано только для первой стадии диссоциации (Кдис 1 = 10−3). По второй и тем более по третьей стадии ортофосфорная кислота − электролит слабый (Кдис 2 = 10−8, Кдис 3 = 10−13).

Химия для школьников

3/2010

ванием (Fe(OH)2). В результате гидролиза таких солей образуются ионы водорода, обусловливая кислую среду раствора: 2+ + + Fe + H2O  Fe(OH) + H Итак, ответ очевиден − щелочную среду раствора имеет водный раствор ортофосфата натрия. Правильный ответ 3. Замечание к заданию: Установите соответствие между формулой иона и  степенью окисления центрального атома в нем: Формула иона +

1)

+7

-

2)

+2

2-

3)

+3

2+

4)

+4

5)

+5

6)

+6

А)

PCl4

Б)

PCl4

В) Г)

Степень окисления

S2O7 SF2

«В задании В2 неправильно даны варианты ответов, т. к. в ответах нет варианта с отрицательной степенью окисления». Ответ. Сначала выясним, какой атом можно называть «центральным»? Возможны 2 толкования этого термина. Во-первых, центральным можно назвать атом, который располагается в  самом центре, в  середине молекулы или иона. Во-вторых, центральный (или главный) атом тот, который образовал эту молекулу или ион, название которого лежит в  основе названия всей молекулы или иона. Понятно, что в случае А, Б и Г оба эти понятия совпадают − центральными (или главными) атомами в этих частицах являются атомы фосфора и серы**: ** Приведены структурные формулы, не отражающие геометрического строения частиц.


Иду на экзамен

9

Cl Cl

P Cl

F S

Cl

F 2-

В этом ряду дисульфат-ион S2O7 отличается от трех других ионов. Если исходить из строения этого иона, то в центре находится атом кислорода: O O

S O

O O

S

O

O

Если исходить из того, какой атом здесь оказывается главным, то им будет атом се2ры, именно поэтому ион S2O7 называется дисульфат-ионом (т. е. содержащим 2 атома серы в высшей степени окисления). В каком значении употреблен термин «центральный атом» в  задании? Разумеется, во втором. Проанализировав предложенные варианты ответа, видим, что варианта ответа «−2» (а именно такую степень окисления имеет атом кислорода в дисульфат-ионе) нет. Зато ответ «+6» среди предложенных вариантов есть − именно такую степень окисления имеет атом 2серы в  ионе S2O7 . Это и  будет правильным ответом. Замечание к заданию: «В раствор, содержащий 51 г  нитрата серебра, прилили 18,25 г  20%-ного раствора соляной кислоты. Какая масса 26%-ного раствора хлорида натрия потребуется для полного осаждения серебра из получившегося раствора?» «В задании С4 пропущено слово «хлорида» серебра. Без него задание будет неверным». Ответ. Никакой ошибки в  задании нет. Речь идет об осаждении ионов серебра из раствора в виде осадка хлорида серебра: 2 Химия для школьников № 3

Ag+(раств.) + Cl−(раств.) = AgCl↓ Говорить об осаждении «хлорида серебра из раствора» химически не совсем верно − ведь никакого хлорида серебра в растворе практически нет. Есть ионы серебра Ag+, которые при добавлении хлорид-ионов Cl− сразу же образуют осадок хлорида серебра AgCl. Итак, в растворе − ионы серебра и хлора, а в осадке − хлорид серебра. Видимо, авторов этого замечания смутила фраза «осаждение серебра», и у них возникла аналогия с осаждением металлического серебра в ходе, например, реакции «серебряного зеркала». Но в  контексте задачи эта путаница невозможна. Кстати, химики-аналитики именно так и говорят: осаждение серебра (имея + в виду удаление ионов Ag из раствора), осаждение алюминия (в виде, например его гидроксида) и  т. д. Никто же в  последнем случае не подумает, что осаждается металлический алюминий. Это привычный для нас химический язык. Так что никакой ошибки в  тексте задания нет. Замечание к заданию: «Напишите уравнения реакций, с  помощью которых можно осуществить следующие превращения: KMnO , H O t , Pt → X2 С2Н5Cl →C3H8 → X1  изб. HBr изб. КОН(спиртов.),t  → X3  → X4» o

4

2

o

«Задание С3 составлено некорректно, т. к. первая реакция не осуществляется в одну стадию». Ответ. В первом превращении необходимо из хлорэтана получить пропан. Сделать это можно, например, по реакции Вюрца, подействовав натрием на смесь хлорэтана и  хлорметана (другими продуктами этой реакции будут бутан и этан):


10

Химия для школьников

С2H5Cl + CH3Cl + 2Na → → C3H8 + 2NaCl ( + C4H10 + C2H6) Другим способом получения пропана из хлорэтана может быть, например, реакция с использованием реактива Гриньяра: С2H5Cl + CH3MgCl → C3H8 + MgCl2 Однако синтез с  использованием магнийорганических веществ, на наш взгляд, воспринимается сложнее, поскольку реакция Гриньяра в  отличие от

Х

3/2010

реакции Вюрца не включена в школьную программу. Как видим, никакой некорректности в формулировке задания нет. В заключение подчеркнем, что Федеральная предметная комиссия по разработке заданий для ЕГЭ по химии всегда открыта для контактов и сотрудничества, и не только в момент проведения «горячей линии»!

ИМИЧЕСКИЙ КОКТЕЙЛЬ

Элемент таблицы Менделеева назван в честь Николая Коперника

В 2010 году Международный союз чистой и прикладной химии (ИЮПАК) официально присвоил название «коперникий» 112-му элементу таблицы Менделеева, который был синтезирован немецкими физиками еще в 1996 году. Эта группа ученых и группа российских ученых из Объединенного института ядер-

ных исследований в подмосковной Дубне под руководством академика Юрия Оганесяна за последние 20 лет синтезировали около 20 сверхтяжелых элементов  – с  107 по 118-й. В  природе химические элементы тяжелее 92-го (урана) не существуют. Более тяжелые элементы получают в  ядерных реакторах, а  тяжелее 100-го элемента (фермия) в реакциях слияния ядер на ускорителях. Немецкая группа под руководством Сигурда Хофманна еще в  90-е годы ХХ в. получила на ускорителе тяжелых ионов 112-й элемент, однако только осенью 2009 года их результат был подтвержден независимым экспериментом, после чего ИЮПАК официально признал этот успех. Ранее 112-й элемент был получен и  в Дубне, однако российские физики получили всего одно ядро, поэтому ИЮПАК «засчитал» только немецкий результат.


СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ХИМИИ

М. В. ЛОМОНОСОВ И АСТРОНОМИЯ.

К 300-летию Михаила Васильевича Ломоносова Страут Е. К., УРАО ИСМО А. С. Пушкин, подчеркивая необычайное разнообразие трудов великого ученого и просветителя, писал: «Соединяя необыкновенную силу воли с необыкновенной силой понятия, Ломоносов обнял все отрасли просвещения. Жажда науки была сильнейшей страстью сей души, исполненной страстей. Историк, ритор, механик, химик, минералог, художник и стихотворец, он все испытал и все проник». В  историю астро­номии М. В. Ломоносов вошел как первый русский астрофизик, как выдающийся деятель в области прак­тической астрономии и  конструктор астрономических прибо­ров, как организатор научных астрономи­ческих экспедиций, как неутомимый пропагандист астрономических знаний и  передовых воззрений на строение мира и природу космических тел. О некоторых сторонах его деятельности в области астрономии рассказывается в данной статье

И

з заграничной командировки (1736– 1741 гг.) в Россию М. В. Ломоносов вернулся широкообразованным ученым. 8 января 1742  г. он был назначен «адъюнктом физического класса», а  25 июля 1745 г. произведен в «профессоры химии», став, таким образом, первым действительно русским ученым среди академиков-иностранцев, приглашенных в Петербургскую академию наук. Уже в первые годы деятельности в Академии наук М. В. Ломоносов проявил интерес к  астрономии. Сам он писал, что серьезно занялся астрономией в  30-летнем возрасте, т. е. в 1741 г. В списке книг библиотеки М. В. Ломоносова мы находим практически все крупные астрономические сочинения его времени, в  том числе «Principia» («Математические основания натуральной философии») И. Ньютона, «Cometographia» Я. Гевелия, работы 2*

Л. Эйлера, Н. Лакайля, «Uranographia Britannica» (атлас из 50 карт звездного неба) и ряд других книг. Открытия, которые к этому времени были сделаны в астрономии, не оставляли сомнений в справедливости учения Н. Коперника. Современником Ньютона Э. Галлеем в  1705  г. было установлено периодическое возвращение некоторых комет к  Солнцу, наблюдения звездной аберрации Дж. Брадлеем дали первое непосредственное подтверждение движения Земли вокруг Солнца (1728 г.). Тем не менее в первой половине XVIII в. признание гелиоцентрической системы мира Коперника в  России еще встречало энергичное противодействие со стороны церкви. Поэтому М. В. Ломоносов, с  одной стороны, всячески содействовал переводу и  изданию книг, в  которых пропагандировалась система Коперника, а с другой, –


12

не упускал случая сказать о ней в  своих стихотворных произведениях. Поэтому М.В.Ломоносова, с одной стороны, всячески содействовал переводу и изданию книг, в которых пропагандировалась система Коперника, а, с другой, не упускал случая сказать о ней в своих стихотворных произведениях. Некоторые строки из этих стихов можно прочесть на с. 27. Понимая значение остроумной шутки для распространения среди широких кругов населения того или иного воззрения, Ломоносов в 1761 году написал небольшое стихотворение, в котором объяснил гелиоцентрическую систему в простых житейских образах:

Случились вместе два Астронома в пиру И спорили весьма между собой в жару. Один твердил: земля, вертясь, круг Солнца ходит; Другой, что Солнце все с собой планеты водит: Один Коперник был, другой слыл Птолемей. Тут повар спор решил усмешкою своей. Хозяин спрашивал: «Ты звезд теченье знаешь? Скажи, как ты о сем сомненье рассуждаешь?» Он дал такой ответ: «Что в том Коперник прав, Я правду докажу, на Солнце не бывав. Кто видел простака из поваров такова, Который бы вертел очаг кругом жаркова?»

Непосредственно астрономическими исследованиями Ломоносов занимался с 1757 по 1765 г. Наибольшую известность ему принесло открытие атмосферы у планеты Венера при наблюдении прохождения этой планеты по диску Солнца 26 мая 1761 года. В 1761 г. ученые многих стран Европы готови­лись к  наблюдению этого редкого явления. (Очередное прохождение Венеры по диску Солнца произойдет 5 июня 2012  г.) Особый интерес русских и  иностранных астрономов к  нему был связан с новым методом определения солнечного параллакса (расстояния до Солнца), предложенным в 1691 г. английским астрономом Э. Галлеем. Для этого было необходимо

Химия для школьников

3/2010

в нескольких достаточно удаленных друг от друга местах Земли с  максимальной точностью определить промежуток времени от момента вступления Венеры на диск Солнца до последнего касания. Ло­моносов прекрасно понимал огромное значение для науки точное определение расстояния до Солнца. С  большим энтузиазмом он взялся за организацию наблюдений на территории России, поскольку, согласно расчетам, наиболее благо­приятными для предстоявших наблюдений были районы Восточной Сибири. Его выступление на заседании Правительствующего Сената способствовало тому, что состоялось решение о  посылке экспедиций в Иркутск и Селенгинск. Всего во время этого прохождения Венеры по диску Солнца наблюдения проводили более 100 астрономов в 40 с лишним пунктах. Это было первое крупное международное астрономическое мероприятие, в котором впервые за 35 лет своего существования Петербург­ская академия наук принимала участие наряду с  Парижской академией и  Лондонским королевским обществом. Сам М. В. Ломоносов проводил наблюдения в собственной обсерватории, оборудованной на его квартире на Мойке. Вот как он писал об этом в  статье «Явление Венеры на Солнце, наблюденное в СанктПетербургской императорской Академии наук мая 26 дня 1761 года»: «Ожидая вступления Венерина на солнце около сорока минут после предписанного в  ефемеридах времени, увидел наконец, что солнечной край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушован, а прежде был весьма чист и везде равен...» и дальше: «При выступлении Венеры из солнца, когда передней ее край стал приближаться к  солнечному краю и был около десятой доли Венерина диаметра, тогда появился на краю солнца


СТРАНИЦЫ ИСТОРИИ ХИМИИ

13

пупырь (см. рисунок ниже), который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила (см. Fig. 3 и 4). LS значит край солнца; mm выпуклистое перед Венерою солнце. Вскоре оной пупырь потерялся, и Венера показалась вдруг без края (см. Fig. 5); nn отрезок, хотя весьма малой, однако явственной. Полное выхождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к солнцу при самом выходе, было также с некоторым отрывом и с неясностью солнечного края». Завершается описание наблюдений следующими словами: «По сим примечаниям господин советник Ломоносов рассуждает, что планета Венера окружена знатной воздушной атмосферой, таковой (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного». Позднее, уже в  ХХ в., наблюдавшееся им явление получило название «явление Ломоносова». Хотя отчет о своих наблюдениях Ломоносов опубликовал в том же 1761 г. не толь-

ко на русском, но и на немецком языке, долгое время считалось, что честь открытия атмосферы Венеры принадлежит двум другим астрономам – английскому В. Гершелю и немецкому И. Шретеру. 30 годами позднее они убедились в  существовании у Венеры атмосферы, обнаружив удлинение «рогов» планеты, когда она (как и Луна) наблюдается в виде узкого серпа. В рукописи М. В. Ломоносова «Химические и оптические записки» (1762–1763 гг.), которые были опубликованы лишь в 1934 году, более половины из 169 отдельных записей относятся к  астрономии и  оптике. В ту пору, когда в России производство стекла только еще начиналось, Ломоносов много работал над изготовлением оптического стекла для различных научных (в том числе астрономических) приборов. На основании некоторых записей можно сделать вывод о  том, что ученый предполагал в  дальнейшем продолжить изучение Венеры. Рассчитывая обнаружить на ее поверхности горы и  моря, подобные земным, Ломоносов заранее L

m

Fig. 4

L m

L

m

n

S Fig. 5 m S

n

Fig. 5

S

Рисунки М. В. Ломоносова к описанию его наблюдений прохождения Венеры по диску Солнца 26 мая 1761 г.


14

Химия для школьников

3/2010

Рис. 2

Рис. 3

подобрал для них названия. Запись под № 40 гласит: «Горы на Венере. Семирамида, Клеопатра, Лавиния, Кассандра, Сафа, Сулпиция, Клелия, Коинна, Гекуба, Андромаха, Люкреция, Агриппина. Моря. Балтийское, Каспийское, Белое, Океан, Мурманское, Карское, Чайское, Камчатское, Пенжинское, Байкал, Ладога, Онежское, Ильмень, Бело-озеро». В тех же «Записках» под № 59 мы читаем: «Смерить вышину гор на луне и на В.» Далее под № 169 записано: «После произведенных наблюдений сделать по ним Венеру из Гипса для демонстрации пятен». Однако мощная облачная атмосфера планеты, постоянно скрывающая от земного наблюдателя ее поверхность, лишь к концу ХХ в. позволила на основе радиолокационных наблюдений, которые проводились с  борта искусственных спутников Венеры, составить достаточно подробную

карту рельефа планеты. Международный астрономический союз принял решение давать деталям рельефа на Венере только женские имена, поскольку это единственная (кроме Земли) планета, названная женским именем. Крупным кратерам решено присваивать имена и фамилии знаменитых женщин, небольшим кратерам  – обычные женские имена, другим формам рельефа − имена мифологических женщин. На поверхности планеты обнаружены потухшие вулканы. Самый высокий из них (высота от подножья 8 км, диаметр основания 600 км), названный именем Маат, можно видеть на рис. 2. Некоторые объекты на карте Венеры получили имена, предложенные М.В.Ломоносовым. Например, равнина Лавинии, на которой расположен кратер Олкотт со следами потоков лавы (рис. 3). О происхождении упомянутых имен говорится на с. 26.


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

Приглашаем к участию в конкурсе, или Как написать исследовательскую работу Добротин Д. Ю., УРАО ИСМО Выдающийся французский ученый Блез Паскаль в детстве отличался необыкновенной любознательностью. Однажды во время обеда кто-то нечаянно ударил ножом по тарелке, послышался мелодичный звон. Мальчик попросил взрослых объяснить происхождение этого звука, но никто не смог удовлетворить его любопытство. Тогда он самостоятельно занялся исследованиями и через некоторое время написал научную работу «Трактат о звуках». Кто знает, может быть, маленькие открытия, сделанные участниками конкурса, организованного Фондом наследия Д. М. Менделеева, тоже станут началом больших исследований?

В

начале февраля 2010 года завершился VI Всероссийский конкурс исследовательских работ учащихся. Основные конкурсные испытания, как и в прошлом году, были проведены в  Российском химико-технологическом университете им. Д. И. Менделеева, что дало возможность организаторам конкурса пригласить для работы в жюри преподавателей университета, а также студентов, которые в недалеком прошлом сами были конкурсантами. По условиям конкурса этого года была разрешена более широкая проблематика исследований. Поэтому названия работ, представленных учащимися на конкурс, были самыми разнообразными: «Грáффити как социальное явление», «Влияние языка SMS-сообщений на грамотность подростков», «Зависимость некоторых особенностей характера человека и  предрасположенности к  различным заболеваниям от группы крови», «Изучение потребностей

рынка труда г. Новороссийска для осознанного выбора будущей профессии старшеклассниками» и др. Вместе с  тем наибольшее число исследований по-прежнему было посвящено проблемам химии и экологии. В их числе были работы по исследованию условий переработки нефти и области применения нефтепродуктов, влияния солей тяжелых металлов на окружающую среду, возможностей утилизации бытовых отходов и получения из них биотоплива, свойств фуллероидов и сферы их применения, работы по определению состава альтернативного топлива будущего, способов определения качества сливочного масла и другие. В этом конкурсе исследовательских работ учащихся, как и в любом другом конкурсе, были победители и, условно говоря, «побежденные». Условно потому, что было бы неверным назвать «побежденным» человека, который узнал много нового, при-


16

обрел бесценный опыт работы с информацией, опыт выступлений перед большой аудиторией, опыт создания презентации и  формулирования ответов на вопросы жюри. И все-таки, согласитесь, каждый участник конкурса стремится к  тому, чтобы стать призером. Уверены, что и у вас есть такая надежда, если вы решили принять в нем участие. Тем более что уже с  2009 года, кроме диплома лауреата, все призеры получают еще и денежное вознаграждение. Так как же добиться успехов, написать хорошую исследовательскую работу и  достойно представить ее на конкурсе? Давайте поразмышляем над этим вместе. Известно, что хорошо получается то дело, которое не только интересно, но и  хорошо организовано. Поэтому для начала мы попробуем с  вами охарактеризовать основные этапы исследования и подумаем над тем, как наиболее эффективно можно организовать свою работу на каждом из них. На начальном этапе работы очень важно определиться с  направлением предполагаемого исследования, т. е. найти ответ на вопрос, какая область знаний интересует вас в  большей степени и  что вы хотели бы узнать. Заметим, что области знаний не ограничиваются только перечнем предметов, изучаемых в  школе. Следовательно, планируемое вами исследование может выходить далеко за его рамки и  иметь следующее направление: теоретическое, ориентированное на изучение, обобщение и  анализ сведений содержащихся в  различных источниках информации, либо практическое, которое предполагает проведение наблюдений, опытов, экспериментов, либо прогностическое, которое будет посвящено исследованию несуществующих, воображаемых объектов и явлений.

Химия для школьников

3/2010

После того как вы определились с направлением исследования, можно приступить к постановке его целей(и), а в дальнейшем сформулировать и  его тему. Что важно учесть на этапе постановки цели и выбора темы исследования? Нередко учащиеся, обдумывая содержание своей работы, пытаются «объять необъятное». Другими словами, задаются целью обратиться к  очень крупной проблеме, которая является предметом исследований научных коллективов или даже целых институтов. Реально ли это? Подумайте! При этом всегда полезно помнить, что высокие дерзания и помыслы следует соотносить со своими возможностями. Еще одной часто встречающейся ошибкой начинающих исследователей является стремление совершить «переворот в науке». «Что в этом плохого? – спросите вы. Почему бы не попытаться?» Конечно, пробовать надо. И  можно только приветствовать ваше стремление сделать открытие и получить что-то новое. Чем раньше вы начнете делать первые шаги в  этом направлении, тем больше шансов, что вы придете к поставленной цели. Хотелось бы только напомнить, что практически любое научное открытие требует длительной, кропотливой работы. Нередко к открытию идут годами и десятилетиями. Вспомните, как много в  науке было открыто, прежде чем Д. И. Менделеев сформулировал Периодический закон. Итак, на начальном этапе исследования последовательность действий может быть следующей: определить направление исследования → поставить его цель  → сформулировать тему. Формулирование темы  – самое сложное и  самое важное в  исследовании. Давайте посмотрим, как справились с  этим заданием участники конкурса 2010 года. Для этого обратимся к  некоторым исследовательским работам и проанализируем,


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

насколько удачно были сформулированы их темы. Так, например, одно из исследований было выполнено по теме «Нефть». О чем говорит нам такое название темы? С одной стороны, можно сделать предположение, что работа была посвящена многочисленным вопросам, связанным с нефтью. Каким именно? Их очень много, и они нашли отражение в многочисленных работах. Значит, такая формулировка темы не явилась ориентиром для понимания специфики и  индивидуальности проведенного исследования. На самом деле эта работа была посвящена изучению работ Д. И. Менделеева по проблемам переработки нефти. И  наверное, более удачной для нее была бы следующая формулировка темы: «Работы Д. И. Менделеева о переработке нефти и  реализация его идей на современном этапе». Другой пример. Давайте сделаем предположение, о чем могла идти речь в работе под названием «Мария Кюри и радиация». Может быть, о  самой Марии Кюри, ее жизни, научных работах или об открытии ею явления радиации, а может, о природе этого явления или последствиях воздействия радиации на Марию Кюри, или обо всем вышеперечисленном? В  данном исследовании речь шла об открытии этого явления Марией Кюри и  современном уровне знаний о  радиации. Однако тема была сформулирована таким образом, что из ее названия не появляется понимание того, о  чем же точно шла речь. На наш взгляд, тема такого исследования могла бы быть сформулирована следующим образом: «Явление радиации: от времени его открытия Марией Кюри и  до наших дней». Рассмотрим еще один пример исследования на тему «Модифицированный метод очистки птиц, загрязненных мазутом в  результате аварии, и  предложения по 3 Химия для школьников № 3

17

утилизации образующихся при этом отходов». Возможно, вы согласитесь, что при первом прочтении название темы воспринимается тяжело. Отчасти это потому, что оно несколько перегружено информацией. Более удачной, на наш взгляд, была бы такая формулировка этой темы: «Очистка птиц от аварийного загрязнения мазутом и пути решения проблемы утилизации образующихся при этом отходов». Итак, мы с  вами приходим к  выводу, что формулировка темы – это задача весьма и весьма сложная. Причем в процессе написания самой работы тема, сформулированная вначале, может быть уточнена и скорректирована. Это вполне допустимо для творческого процесса. Главное, чтобы на завершающем этапе работы формулировка темы отражала индивидуальность, своеобразие работы, стала своеобразной визитной карточкой. В заключение попробуем определить общие правила формулирования темы исследования. Тема исследования должна: • отражать индивидуальность проводимого исследования и соответствовать его цели; • быть конкретной и  не содержать избыточную информацию; • заинтересовывать читателя; • поднимать актуальную проблему; • быть грамотно сформулированной. Последний пункт особенно важен. Весьма нежелательно, чтобы в  формулировке темы встречались какие-либо ошибки  – орфографические, грамматические, пунктуационные и др. Следующий этап работы   – формулировка задач, которые необходимо решить в  процессе исследования. Правильно сформулированные задачи позволят вам определить порядок выполнения исследования, а следовательно, и составить его план. Не надо недооценивать этот этап работы. Именно он позволит вам отобрать


18

содержание исследования и определить его методы. После определения целей и  задач вы приступаете к  поиску необходимой литературы. Для этого можно воспользоваться школьной и  домашней библиотекой, Интернетом, периодическими изданиями  – журналами, газетами и др. Отбор соответствующей литературы  – процесс сложный, и здесь также требуются определенные умения и навыки. Думаем, что несколько наших советов будут для вас полезны в этом деле. Совет первый. При составлении списка литературы очень важно правильно фиксировать используемые источники информации. С  самого начала следуйте этому правилу. Совет второй. При работе с литературой очень важно анализировать, в  какой мере содержащаяся в  ней информация соответствует целям и  задачам вашего исследования. Анализ прочитанного поможет вам лучше понять, насколько актуальным является ваше исследование, поможет выявить элементы новизны в исследуемой проблеме и  определенным образом их пояснить. Однако, добившись такого результата, не забывайте основательно рассказать о том, что было известно в литературе по изучаемой теме ранее, т. е. описано другими. Совет третий. Не ставьте перед собой нереальную цель – прочитать все, что написано по вашей проблеме. Редко кому из начинающих исследователей удается тщательно проанализировать очень большое число работ, например, в  количестве 40–50 наименований. Обычно такой анализ литературы бывает поверхностным и  скорее всего является свидетельством несформированности умения вести поиск необходимых источников информации. Нежелателен и другой путь – стремление выполнить исследование на основе

Химия для школьников

3/2010

очень ограниченного количества источников информации, к примеру, двух или трех. Наверное, вы согласитесь с тем, что такая работа по причине недостаточного изучения избранной темы не будет представлять должного интереса. Итак, вы определились с  темой исследования, узнали, что было уже известно и что еще не исследовано по данной теме. Значит, можно приступать к  написанию и оформлению работы. Нередко в  требованиях к  оформлению работы указывается, что конкурсант должен сформулировать предмет, объект и гипотезу исследования. Поясним смысл данных понятий: • Цель исследования – это то, что вы намерены достигнуть в результате работы. • Объект исследования – это то, на что направлено ваше исследование, о  какой области познания в нем пойдет речь. • Предмет исследования – это та сторона (тот аспект, та точка зрения), с которой исследователь познает исследуемый объект, выделяя при этом его главные, наиболее существенные признаки. Формулировка предмета исследования нередко совпадает с названием темы. • Гипотеза исследования – это то предположение, которое вы должны подтвердить или опровергнуть в  ходе своего исследования. Применим эти понятия к  конкретной теме. Так, например, для исследования по теме «Изучение оптимальных условий осуществления процесса переработки нефти» объектом исследования является процесс переработки нефти, а предметом исследования   – химические реакции, лежащие в основе этого процесса. Гипотезу данного исследования можно сформулировать следующим образом: если определить оптимальные условия осуществления процесса переработки нефти, можно существенным образом повысить


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

качество образующихся при этом продуктов ее переработки. А теперь переходим к обсуждению главного вопроса: как правильно распределить и  изложить весь материал, который вы проанализировали? В структуре исследовательской работы обычно выделяют введение, одну, две или три части (главы), в  которых описывают основные идеи исследования, и  заключение. Во введении формулируют цели и  задачи исследования, его актуальность, гипотезу исследования, объект и  предмет исследования. В первой части работы следует кратко описать все то, что узнали в ходе анализа литературы. При этом необходимо комментировать, почему используемая информация актуальна для вашего исследования. В случае существования разных взглядов по какому-либо вопросу вы можете принять точку зрения авторов либо сформулировать свою, объяснив, в чем ее преимущество перед ранее предложенными. Во второй части излагают основные идеи исследования. Здесь могут быть представлены схемы или таблицы, отражающие взаимосвязь описываемых объектов, рисунки, подтверждающие те или иные сведения, а  также анализ полученных данных. Если вы проводили эксперимент (наблюдение, анкетирование, опыты, измерения и др.), то его следует описать отдельно. При этом важно отметить: 1) где проводился эксперимент: школа, класс, институт, лаборатория и др.; 2) кто принимал в  нем участие: одноклассники, учителя, случайные люди (возраст, род занятий); 3) что проверялось в  ходе эксперимента: правильность выдвинутой идеи, возможность получения вещества или материала, т. е. желаемого результата; 3*

19

4) какие результаты вы получили; 5) как проверялась: достоверность полученных результатов, система вопросов, описание методики проведения (используемые вещества, приборы и др.). В конце каждой части (главы) работы целесообразно сформулировать краткие выводы. Это поможет вам более содержательно изложить заключительную часть работы. В заключение следует подвести краткие итоги работы: перечислить рассмотренные в  ней вопросы, назвать наиболее важные результаты, сформулировать общие выводы по результатам всего исследования в целом. Особо обращаем ваше внимание на требования, предъявляемые к  оформлению работы. В верхней части титульного листа указывают название учебного учреждения, в котором была выполнена работа. В центре записывают название темы исследования, а  под ним (у правого края) указывают фамилию, имя и  отчество автора и научного руководителя. В нижней части страницы называют населенный пункт, в  котором была выполнена работа и  год ее выполнения. Описание работы начинают с  раздела «Содержание». В нем указываются названия глав и подразделов. Для каждой главы и подраздела указывают страницы, на которой они расположены. Начиная со следующей страницы излагается текст работы, который начинают с  введения. В  нем дается обоснование актуальности выбранной темы исследования, а также называют ее «цель», «задачи» и  др., которые можно выделить жирным шрифтом. Каждую главу начинают с  новой страницы. Название главы дают крупным шрифтом и, отступив одну-две строчки, излагают ее содержание.


20

Если в работе есть рисунки, схемы и таблицы, то их обязательно нумеруют и дают название. В конце работы приводится список литературы. Он оформляется согласно существующим правилам, соответственно источнику информации. Есть еще один этап, от которого во многом зависит итоговый результат вашего исследования. Речь идет о  представлении работы другим конкурсантам и  членам жюри. Что же надо учесть при подготовке выступления? Наверное, нет необходимости напоминать, что доклад – это не пересказ текста всей работы, хотя подобные попытки предпринимаются конкурсантами. Во-первых, это не всем и не всегда интересно. Во-вторых, на выступление обычно отводится 7–10 минут, а  следовательно, успеть за это время рассказать обо всех нюансах вашего исследования практически невозможно. Однако так хочется рассказать обо всем, что сделано. Как быть? Для этого надо спросить себя: а  что самое интересное в моем исследовании? Что из всей информации, изложенной в работе, для слушателей будет носить элемент новизны? Ответы на эти вопросы помогут вам правильно отобрать тот материал, который вы представите в своем выступлении. В начале выступления следует назвать тему исследования, цель(и) работы, обосновать ее актуальность. Далее нужно сказать о том, что было сделано в ходе исследования, отметить его новизну и перечислить основные результаты. Обычно одна из самых распространенных ошибок конкурсантов заключается в том, что очень много времени они отводят на зачитывание всех пунктов, содержащихся во введении и на пересказ того, что стало известно после изучения литературы. В то время как самое главное, что

Химия для школьников

3/2010

нужно предусмотреть в докладе, – это необходимость доходчиво рассказать об уникальности вашей работы, т. е. о  том, как она проводилась, и о  том, что нового вам удалось выявить в ходе исследования. Большую помощь в  выступлении вам может оказать грамотно составленная презентация. При ее подготовке необходимо отобрать наиболее важную информацию, о  которой вам хотелось бы сообщить слушателям. Текст выступления не должен быть очень большим, иначе вы начнете торопиться и  пропустите самое главное. Не стоит читать доклад по бумажке или по слайдам. При комментировании слайда имеет смысл останавливаться на наиболее важной информации, которая позволит раскрыть наиболее сильные стороны вашего исследования. При подготовке презентации рекомендуем воспользоваться следующими советами: • слайдов не должно быть много: на 10 минут оптимально включать не более 12 слайдов; • у каждого слайда должен быть заголовок; • на первом слайде должна быть написана тема работы, фамилия, имя и  отчество автора и научного руководителя; • на втором слайде должны быть сформулированы цели и задачи работы; • размеры шрифта, рисунка, графика, таблицы на слайдах не должны быть мелкими, они должны легко читаться; • на слайдах не должно быть слишком много информации; • на последнем слайде должны быть изложены выводы, сделанные по результатам исследования. После доклада вам могут задать вопросы. При формулировании ответа не торопитесь. В случае если вопрос был не очень понятным, уточните, правильно ли вы его поняли. Если же ваш ответ не удовлетво-


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

рил спрашивающего или вы не знаете, как ответить, можно сказать, что вы обязательно обдумаете сказанное, уточните свои предположения или еще подумаете над ответом. Помните, что именно вы выполняли работу и что лучше вас ее никто не знает. Именно такое впечатление и должно сложиться после вашего выступления.

21

Это возможно только в том случае, если всю используемую в  докладе информацию вы сможете обстоятельно аргументировать. Ну, что ж, дерзайте! Чем раньше вы обретете первый опыт исследования, тем больше сможете достичь. Главное  – научиться делать правильные выводы из удач и возможных неудач.

«МЫ И БИОСФЕРА»: конкурс учебноисследовательских и научных работ 17  – 24 апреля 2010  г. в  Московском городском Дворце детского и  юношеского творчества, что на Воробьевых горах, проходил заключительный этап ежегодного конкурса учебно-исследовательских и научных работ школьников «Мы и биосфера», посвященный 65-летию Победы в Великой Отечественной войне. Среди организаторов конкурса – Департамент образования г. Москвы, общественный фонд «Знание» им. С. И. Вавилова, Московский фонд мира. Конкурс проводился в рамках Московской городской программы «Зеленый щит столицы». Научное руководство конкурсом осуществлял Н. Н. Дроздов  – доктор биологических наук, профессор МГУ им. М. В. Ломоносова, популярный телеведущий. В состав оргкомитета вошли директор Московского городского Дворца детского и  юношеского творчества Д. Л. Монахов; чл.-корр. РАЕН Т. Д. Эгнаташвили; директор лицея «Воробьевы горы» Е. П. Трегубова.

К

онкурс «Мы и биосфера» имеет давнюю историю, и он всегда привлекал внимание наиболее способных и талантливых детей, подростков, молодежи. Среди участников конкурса  – школьники, гимназисты, лицеисты, воспитанники учреждений дополнительного образования. В этом году ребята приняли участие в работе 14 секций, среди которых «Экологические проблемы и  устойчивое развитие городов», «Природа. Цивилизация. Творчество», «Фундаментальная и  при-

кладная биология, медицина и жизнеобеспечение человека» и  др. С  приветственным словом к участникам обратился председатель жюри секции «Химия и  жизнь» профессор Московского педагогического университета Ю. Н. Медведев. Камертоном работы конкурса стали «Десять заповедей человечности», сформулированные великим гражданином России, академиком Дмитрием Сергеевичем Лихачевым.


22

Десять заповедей человечности 1. Не убий и не начинай войны. 2. Не помысли народ свой врагом других народов. 3. Не укради и  не присваивай труда брата своего. 4. Ищи в науке только истину и не пользуйся ею во зло или ради корысти. 5. Уважай мысли и чувства братьев своих. 6. Чти родителей и прародителей своих и  все сотворенное ими сохраняй и  почитай. 7. Чти природу как матерь свою и  помощницу. 8. Пусть труд и  мысли твои будут трудом и  мыслями свободного творца, а  не раба. 9. Пусть живет все живое, мыслится мыслимое. 10. Пусть свободным будет все, ибо все рождается свободным. Все выступления на секциях соответствовали духовным заповедям Д. С. Лихачева. Всего было сделано более 300 выступлений, да еще были заочные участники конкурса, которые предоставили в жюри тексты сво-

Химия для школьников

3/2010

их докладов. Поразительно, но на секциях вместе с одиннадцатиклассниками выступали и  четвероклассники, и  работы некоторых из них ни в  чем не проигрывали выпускникам ни по отбору материала, ни по оформлению, ни по содержанию, ни по представлению материала. Ниже журнал публикует выдержки из двух работ, получивших Дипломы 1 степени на секции «Химия и  жизнь». Эти работы объединяет одна тема – «Рост кристаллов». Обратите внимание на возраст авторов – химию в школе они еще не изучали! Слово «кристалл» звучит как музыка. Когда мы произносим его, у нас возникают ассоциации с чем-то прекрасным, загадочным, неповторимым. Многие поэты, мыслители писали о кристаллах как о произведениях искусств. Именно поэтому многие школьники выращивают кристаллы в  лаборатории, чтобы подивиться их неповторяемым формам, природной огранке, блеску, красоте. В  последние годы юные исследователи используют в  своей работе и такие средства наблюдения и изучения кристаллов, как микроскоп и  цифровой фотоаппарат.

Живописный мир кристаллов под микроскопом* Автор: Яковлева Ирина, 7 «а» класс ГОУ СОШ № 26, г. Москва. Руководитель: Никулина Е. А.

К

ристаллы играют важную роль в науке и  технике:*многие технологические потребности в  кристаллах явились стимулом к исследованию методов выращивания кристаллов с заранее заданными химическими, физическими и  элек* Рисунки к статье см. на с. 2 обложки.

трическими свойствами. Были найдены способы выращивания крупных кристаллов сотен веществ, многие из которых не имеют природного аналога. Для этого кристаллы в лаборатории выращивают в  тщательно контролируемых условиях, обеспечивающих нужные для потребителя свойства.


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

Рис. 1. Фотография кристаллов хлорида натрия

Одно из наиболее важных условий – для выращивания кристаллов используют только свежеприготовленные растворы. Для приготовления маточного раствора требуется чистый, хорошо вымытый термостойкий стакан объемом 1 л. В него наливают горячую (t=50оС) дистиллированную воду (объемом 700–800 мл). В стакан засыпают вещество небольшими порциями, каждый раз перемешивая и добиваясь полного растворения. Когда раствор «насытится» – т. е. вещество не будет больше растворяться,  – добавляют еще небольшую порцию, перемешивают и  фильтруют горячий насыщенный раствор через складчатый фильтр. Маточные растворы оставляют на несколько дней в различных температурных условиях (в холодильнике при + 4 0С, при 0 комнатной температуре при + 20 С, в спе0 циальном термостате при + 60 С). Чтобы в растворы не попала пыль, их накрывают листом фильтровальной бумаги. Для изучения выращенных кристаллов и фиксации их формы использовался школьный световой микроскоп и  цифровой фотоаппарат. Фотомикроскопия велась как при прямом проходящем свете, так и в условиях фазового контраста. Полученные микрофотографии позволили проанализировать форму, размер, структуру кристал-

23

лов, выращенных в различных условиях. В ходе эксперимента внешний вид кристаллов на макроуровне практически не зависел от условий, в  которых кристаллы выращивались, либо такие различия не удалось выявить визуально. Однако микрофотоскопия позволила эти отличия обнаружить. Так, на рис. 1 приведена фотография внешнего вида кристаллов хлорида натрия. Они практически одинаковые во всех опытах, даже в  тех, в  которых маточный раствор содержал специально вводимые нами примеси. На рис. 2 приведены микрофотографии кристаллов хлорида натрия, полученных при разных условиях. Чтобы выявить влияние наличия дополнительных центров кристаллизации, в маточный раствор добавляли гуашь (желтую, красную, оранжевую, см. рис. 2.). Анализ фотографий позволяет сделать следующие выводы. Наличие гуаши в маточном растворе приводит к образованию дополнительных центров кристаллизации, поскольку гуашь, помимо ряда органических соединений, содержит ионы металлов (кобальта, никеля, алюминия, калия, хрома, цинка). При наличии в маточном растворе желтой гуаши наряду с обычными кристаллами хлорида натрия образуются кристаллы неправильной формы (рис. 2а). Наиболее сильно влияет наличие в  маточном растворе красной гуаши (рис. 2б). При этом образуются продолговатые (волнообразные) кристаллические структуры, ничем не напоминающие куб. Кристаллы, образующиеся при наличии в растворе оранжевой гуаши, казалось бы, воспроизводят форму кристаллов, полученных без добавления красителя, однако организация этих микрокристаллов в  пространстве беспорядочна, кристаллы собраны в друзы.


24

Химия для школьников

3/2010

Рис. 4

А теперь посмотрите на следующие микрофотографии (рис. 3). Это кристаллы медного купороса, полученные при разных температурных режимах: слева – при температуре +4 оС (в холодильнике), справа  – при обычной комнатной температуре ( +20 оС). В целом наблюдается такая же закономерность, что была выявлена и  для процесса кристаллизации других веществ: при более низких температурах образуются более крупные и  правильные по форме кристаллы. Вот еще одно подтверждение этого факта  – кристаллы дихромата калия, выращенные при +4 оС (слева) и при 20 оС (справа) (рис. 4). Обратите внимание: при низких температурах кристаллы вырастают не только более крупные, но и более правильные по форме. Размеры кристалла зависят и от скорости охлаждения раствора. Наиболее крупные кристаллы образуются только при очень медленном охлаждении (рис. 5).

Вот сколько интересных наблюдений и выводов можно сделать, если не просто выращивать кристаллы, а  делать это с  четко заданной целью  – выяснить, как условия кристаллизации влияют на форму и размеры кристаллов. Добавьте сюда умелые руки, простейшую технику (микроскоп и фотоаппарат) – и дерзайте! Вы обязательно обнаружите что-нибудь новое, неожиданное и интересное. Если вас заинтересовала эта тема, заходите на блог автора: Kristall-26.blog.ru.

Рис. 5


С п ра в о ч н и к - т р е н а ж е р Уважаемые старшеклассники! Вы, вероятно, заметили, как много внимания уделяет наш журнал вопросам, связанным с подготовкой к единому государственному экзамену. Мы публикуем материалы по результатам «Горячей линии», демонстрационные варианты ЕГЭ, освещаем в рубриках «Иду на экзамен» и «Накануне урока» наиболее сложные разделы школьного курса химии, даем рекомендации по выполнению экзаменационных заданий различного типа. С этого номера в нашем журнале появляется новая рубрика: справочник-тренажер для подготовки к ЕГЭ по химии. Он адресован, прежде всего, одиннадцатиклассникам, которым предстоит за достаточно короткий срок повторить обширный материал, усовершенствовать навыки выполнения различных видов заданий экзаменационной работы.

Сегодня мы предлагаем вашему вниманию материалы по теме

«Предельные углеводороды: алканы, циклоалканы». Справочник-тренажер будет включать: • конспект, который в сжатой форме предоставляет все необходимые для успешной сдачи экзамена теоретические сведения по данной теме; • задания для самостоятельной работы, выполнение которых поможет лучше понять и запомнить теоретические сведения, закрепить навык написания «цепочек» превращений веществ; • задания базового, повышенного и высокого уровней сложности, подобные тем, которые включаются в экзаменационные работы ЕГЭ.

4 Химия для школьников № 3


Предельные УГЛЕВОДОРОДЫ Алканы С. В. Стаханова, МИСИС, Москва КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: алканы, парафины, σ-связи, sp3-гибридизация, изомерия углеродного скелета, радикал, свободный радикал, цепной радикальный механизм реакции замещения, галогенирование, нитрование, крекинг, дегидрирование, изомеризация, ароматизация, декарбоксилирование, электролиз по Кольбе, реакция Вюрца.

Гомологический ряд и физические свойства алканов Алканы – это предельные углеводороды нециклического строения. Их называют также парафинами. Общая формула алканов – CnH2n+2. В гомологическом ряду алканов температуры плавления и  кипения увеличиваются с  ростом молекулярной массы веществ (табл. 1). Метан, этан, пропан и бутан – газы без цвета и запаха. Алканы

с числом атомов углерода от 5 до 15 при обычных условиях бесцветные жидкости, начиная с углеводорода С16Н34 – твердые, белые, воскоподобные вещества. Алканы практически нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в неполярных органических растворителях, например в бензоле. Плотность жидких алканов немного меньше, чем у воды.

Таблица 1 Формулы, названия и физические свойства некоторых нормальных алканов Формула

Тпл, оС

Ткип, оС

Метан

СН4

-184

-162

Этан

С2Н6

-172

-88

Пропан

С 3 Н8

-190

-42

Бутан

С4Н10

-135

-0,5

Пентан

С5Н12

-132

36

Гексан

С6Н14

-95

68

Гептан

С7Н16

-90

98

Октан

С8Н18

-57

126

Нонан

С9Н20

-54

151

Декан

С10Н22

-30

174

Название

2

Состояние при обычных условиях газы без запаха

жидкости с запахом нефти или бензина

Химия для школьников

3/2010


Строение молекул алканов Каждый атом углерода в молекулах алканов образует четыре простые σ-связи с  атомами водорода или другими атомами углерода. Электронные орбитали атомов углерода находятся в  состоянии sp3-гибридизации. Гибридные орбитали, а значит, и  связи каждого атома углерода направлены к  вершинам тетраэдра (рис. 1).

ваемые конформациями (рис. 2).

Рисунок 2. Модели молекулы гексана в разных конформациях

а б Рисунок 1. Модели молекул метана: а – полусферическая; б – шаростержневая (показано распределение электронной плотности)

Валентный угол в молекуле метана и  его гомологов составляет 109,5°. Поэтому углеродная цепь в молекулах алканов имеет зигзагообразную форму: 109,5o

H3C

CH2

CH2

CH2 CH2

CH3

Вокруг σ-связей С-С возможно вращение, в результате которого молекулы могут принимать различные формы, назы-

Углеродный скелет молекул алканов может иметь как нормальное, так и разветвленное строение. В  молекулах гомологов метана различают первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода (см. приложение 1). Связи С–С в молекулах алканов являются ковалентными неполярными, а связи С–Н – ковалентными полярными. Однако значения электроотрицательности атомов углерода и водорода близки и равны соответственно 2,5 и 2,1 по Полингу. Поэтому по свойствам связь С–Н близка к неполярной и проявляет склонность к гомолитическому разрыву с образованием свободных радикалов: C H

C

+

H

Следовательно, для алканов характерны реакции, протекающие по радикальному механизму.

Номенклатура алканов В соответствии с рекомендациями ИЮПАК при построении названий алканов соблюдают следующие правила. Справочник-тренажер 4*

1. Находят основную, т. е. самую длинную углеродную цепь. Название основной цепи совпадает с названием алкана с тем 3


же числом углеродных атомов (см. табл. 1). Суффикс –ан указывает на принадлежность углеводорода к классу алканов. 2. Нумеруют атомы углерода в  основной цепи, начиная с того конца, к которому ближе располагается первый из имеющихся заместителей. 3. Формулируют название алкана. Для этого перечисляют заместители в  алфавитном порядке (например, сначала метил-, затем этил-), указывая перед каждым заместителем номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляют название основной цепи. Если одинаковых заместителей два, три или четыре, то используют умножающие приставки ди-, три- и  тетра-, соответственно. Пример. Назовем алкан, структурная формула которого изображена ниже. Самая длинная углеродная цепь в формуле алкана пронумерована. Она содер-

8 CH3

CH3 1 СН3-СН-СН2-СН2-CH-CH-CH3 6 5 CH2-CH3 жит 8 атомов углерода. Алкан с таким же числом атомов углерода называется октан. Это слово и  будет основой названия всего вещества. В молекуле три заместителя  – два радикала СН3- и один СН3-СН2-. Нумерацию атомов углерода ведем в  данном случае справа налево, тогда атом углерода, к которому прикреплен ближайший к началу цепи заместитель СН3-, получит номер 2. Перечисляем заместители по алфавиту, указывая перед каждым из них цифрой номер атома углерода основной цепи, к которому он прикреплен, и добавляем название основной цепи – слово «октан». Итак, название алкана 2,6-диметил-3этилоктан. 7 СН2

4

3

Виды изомерии Для алканов характерен только один вид структурной изомерии – изомерия углеродного скелета. Ниже приведены структурные формулы всех изомеров гексана С6Н14. H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

гексан

CH3 H3C CH CH2 CH2 CH3

2-метилпентан CH3

H3C CH2 CH CH2 CH3

3-метилпентан

CH3 CH3 H3C

CH CH CH3

2,3-диметилбутан 4

CH3 CH2 CH3

H3C C CH3

2,2-диметилбутан Для некоторых разветвленных алканов наряду с систематическими названиями используют и тривиальные: CH3 H3C CH CH3

2-метилпропан изобутан

CH3 H3C C

CH3

CH3

2,2-диметилпропан неопентан Химия для школьников

3/2010


Химические свойства алканов Предельные углеводороды при обычных условиях химически инертны, поскольку для начала реакции с их участием нужно разорвать весьма прочные связи С–С или С–Н. Поэтому алканы не реагируют при обычных условиях с такими активными веществами, как серная и азотная кислоты, металлический натрий, перманганат калия. Важно помнить, что бромную воду и  раствор перманганата калия алканы не обесцвечивают. Реакции присоединения для алканов невозможны, так как все их валентности насыщены. Для этих веществ характерны, в  основном, реакции радикального замещения атомов водорода на другие атомы или группы атомов, протекающие в  довольно жестких условиях  – при УФосвещении или сильном нагревании. При высоких температурах могут протекать реакции с  разрывом связей С–С, а также дегидрирование и ароматизация. Наконец, как и  большинство органических веществ, алканы могут вступать в  реакции горения и  каталитического окисления. Рассмотрим подробно примеры реакций с участием алканов.

Реакции радикального замещения атомов водорода Галогенирование

Хлорирование алканов протекает под действием солнечного света, УФ-излучения или сильного нагревания (до 300–500оС): CH4 + Cl 2

CH3 Cl + HCl

хлорметан

При избытке хлора может происходить дальнейшее замещение атомов водорода:

Справочник-тренажер

CH3 Cl + Cl 2

CH2 Cl2 + Cl 2

CHCl 3 + Cl 2

CH2 Cl 2 + HCl

дихлорметан hν

CHCl3 + HCl

трихлорметан, хлороформ hν

CCl 4 + HCl тетрахлорметан

Эта реакция протекает по цепному радикальному механизму (см. приложение 2). Реакция бромирования протекает аналогично, но с меньшей скоростью: CH 4 + Br 2

CH 3 Br + HBr

бромметан

Реакции с фтором и  иодом на практике не проводят: фтор действует слишком энергично, разрушая молекулу, иодирование же, наоборот, протекает слишком медленно и с очень низкими выходами. В ходе реакций радикального замещения с участием разветвленных алканов легче всего замещается атом водорода у  третичного атома углерода, поскольку связь С–Н при третичном атоме наименее прочная. Труднее замещается атом водорода у  вторичного атома углерода, и, наконец, сложнее всего разорвать связь С–Н при первичном атоме углерода. Эта закономерность сказывается, прежде всего, на составе продуктов реакций алканов с бромом. Например, при бромировании 2-метилбутана происходит замещение атома водорода именно у  третичного атома углерода и  образуется только одно органическое вещество  – 2-бром-2метилбутан:

5


H 3C H 3C t°

CH

CH 2 CH 3 +

Br 2

2- метилбутан H 3 C Br C CH 2 CH 3 + HBr H 3C 2-бром-2-метилбутан

В то же время при хлорировании разветвленных алканов образуется смесь различных хлорзамещенных продуктов. Дело в том, что радикал Cl∙, будучи более активным, чем Br∙, практически «не чувствует» разницы в прочности связей, поэтому почти с равной вероятностью замещает любой из атомов водорода. Так, при реакции 2-метилбутана с хлором образуется четыре монохлорзамещенных вещества в  сопоставимых количествах: Cl CH 2 H 3C

CH

CH 2 CH 3

2-метил-1-хлорбутан H 3 C Cl C H 3C H 3C H 3C

CH

CH 2 CH 3

2-метилбутан

Cl 2

CH 2 CH 3

2-метил-2-хлорбутан H 3C H 3C

CH

CH 3

Cl

H 3C CH

CH 2 CH 2 Cl

3-метил-1-хлорбутан

Нитрование

Нитрование алканов (реакция Коновалова) происходит при их нагревании с разбавленной азотной кислотой, например: 6

C H 3 -NO 2 + H 2 O

нитрометан

При нитровании гомологов метана, так же как и при бромировании, в первую очередь замещается атом водорода у третичного атома углерода, затем  – у  вторичного, и в последнюю очередь – у первичного. Например, при нитровании бутана преимущественно образуется продукт замещения атома водорода у  вторичного атома углерода: H3C CH2 CH2 CH3 + HNO бутан

3

(разб.)

140 °C

NO 2 CH3 CH CH2 CH3 + H 2 O 2-нитробутан

Термические превращения алканов

При нагревании алканов до высоких температур без доступа воздуха в присутствии катализаторов протекают реакции, сопровождающиеся разрывом связи С– С (крекинг, изомеризация). В промышленности эти процессы используют при переработке нефти. Возможны также реакции дегидрирования и  дегидроциклизации, приводящие к  получению алкенов, алкадиенов и ароматических углеводородов.

Крекинг

CH

2-метил-3-хлорбутан

H 3C

140 °C

CH4 + HNO 3(разб.)

Разрыв связей между атомами углерода в молекулах алканов происходит при температурах выше 400 оС. Этот процесс носит название крекинг (от англ. to crack – давать трещину, расщепляться). При крекинге алканов образуется смесь алканов и алкенов с меньшим числом углеродных атомов, например: H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

450 - 600 °C

нонан

H3C CH2 CH2 CH CH2 пентен-1

+

H3C CH2 CH2 CH3 бутан

Химия для школьников

3/2010


Эта реакция имеет большое практическое значение. При помощи крекинга высококипящие фракции нефти (мазут) превращают в ценные низкокипящие продукты  – бензин, керосин, а  также газообразные углеводороды  – сырье для органического синтеза, например этилен СН2=СН2.

с образованием бензола или его гомологов: H 3C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 3 гептан CH 3 кат., t° +

Изомеризация

Использование при крекинге хлорида алюминия в качестве катализатора вызывает превращение алканов с  нормальной цепью в  их изомеры с  разветвленной цепью. Этот процесс называется изомеризацией: H3C CH2 CH2 CH3

AlCl3, t°

бутан

CH3 H3C CH CH3 2-метилпропан, изобутан

Дегидрирование

Дегидрирование алканов (отщепление водорода) – обратимый каталитический процесс. В  качестве катализаторов используют металлы платиновой группы (Pt, Pd, Ni) или Cr2O3, нанесенный на пористый инертный носитель. Температура варьируется от 300 до 600 оС. В зависимости от условий образуются алкены или алкадиены: H3C CH2 CH3 пропан

H3C CH2 CH2 CH3 бутан

кат., t°

кат., t°

H2C CH CH3 + H 2 пропен

H2C CH CH CH2 + 2H 2 бутадиен-1,3

Ароматизация

Если алкан содержит шесть и более атомов углерода, то дегидрирование может сопровождаться замыканием цикла

Справочник-тренажер

кат., t°

4H 2

толуол

Горение и каталитическое окисление

Как и другие углеводороды, алканы горят на воздухе с образованием углекислого газа и воды: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О + 882 кДж C8H18 + 12,5O2 = = 8CO2 + 9H2O + 5470 кДж Количество выделяющейся при горении алканов теплоты очень велико, поэтому их использование в  качестве энергоносителей так привлекательно. Однако надо помнить, что смеси метана и других газообразных алканов с  воздухом взрывоопасны, и соблюдать осторожность при пользовании бытовым газом, бензином и т. д. В обычных условиях алканы устойчивы к действию таких лабораторных окислителей, как перманганат и  дихромат калия, хромовая смесь и т. д. В то же время реакции неполного каталитического окисления используются в  промышленности для получения кислородсодержащих соединений  – спиртов, альдегидов, карбоновых кислот. Например, из бутана путем окисления кислородом воздуха в присутствии катализаторов получают уксусную кислоту: H3C CH2 CH2 CH3

O 2, кат., t°

O 2 H3C C OH

7


Природные источники алканов Основными природными источниками алканов являются нефть и природный газ. Состав природного газа зависит от месторождения: обычно в нем содержится от 75 до 95% метана, а этана и пропана значи-

тельно меньше. Нефть содержит алканы от С5Н12 до С30Н62 нормального и разветвленного строения. Кроме того, иногда рядом с  угольными пластами встречаются и  отдельные залежи твердых высших алканов в виде озокерита, или горного воска.

Способы получения алканов Промышленные способы

Основной промышленный способ получения алканов – переработка нефти. Альтернативой может служить прямой синтез из угля и водорода: C + 2H 2

кат., t°

CH4

Лабораторные способы

Гидролиз карбида алюминия позволяет получить метан: Al 4C3 + 12H 2O

4Al(OH) 3 + 3CH 4

Другие алканы этим способом получить нельзя. Сплавление натриевых солей карбоновых кислот со щелочами. Эта реакция протекает при нагревании смеси порошков соли карбоновой кислоты и гидроксида натрия и сопровождается декарбоксилированием, т. е. отщеплением группы -СООNa от молекулы соли. В молекуле образующегося алкана остается на один атом углерода меньше, чем в  молекуле исходной соли, например: CH3CH2COONa + NaOH

CH3CH3 + Na2CO3

Электролиз водных растворов натриевых или калиевых солей карбо-

8

новых кислот (синтез Кольбе) также сопровождается декарбоксилированием. Продуктами реакции являются симметричные углеводороды, например: электролиз

2CH3COONa + 2H 2O

CH3CH3 + 2CO 2 + 2NaOH + H 2

В ходе электролиза на аноде анионы СН3СОО окисляются до радикалов СН3СОО∙, которые распадаются с образованием радикалов СН3∙ и углекислого газа СО2. Радикалы СН3∙ соединяются попарно, и образуется молекула этана. Реакция галогеналканов с натрием (реакция Вюрца) позволяет получать углеводороды с удвоенным числом атомов углерода по сравнению с исходным соединением, например: 2CH3CH2Br + 2Na

CH3CH2CH2CH3 + 2NaBr

Если в реакцию ввести смесь двух галогеналканов, то образуются одновременно три продукта, например: CH3CH2-Br + Br-CH 3

Na

CH3CH2CH3 CH3CH3 CH3CH2CH2CH3

Химия для школьников

3/2010


Приложения к конспекту «алканы» Приложение 1. Первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода. Нормальная и разветвленная углеродная цепь В молекулах гомологов метана принято различать первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода в зависимости от числа связей, направленных данным атомом на связь с  другими атомами углерода. Первичным называется атом углерода, связанный непосредственно с  одним атомом углерода (три оставшиеся валентности направлены на связь с атомами водорода); вторичным – I

CH3 I

H3C

C

IV

I

CH3

II

CH2

III

CH I

I

CH3

CH3

Рисунок 1. Структурная формула молекулы 2,2,4-триметилпентана. Первичные, вторичные, третичные и четвертичные атомы углерода обозначены соответственно цифрами I, II, III, IV

с двумя атомами углерода. Третичный атом углерода связан непосредственно с  тремя, а  четвертичный  – с  четырьмя атомами углерода (рис. 1). Углеродную цепь относят к  нормальной (неразветвленной), если она содержит только первичные и вторичные атомы углерода, например: H3C CH2 CH2 CH2 CH2 CH3

Соответствующий углеводород называют алканом нормального строения или просто нормальным алканом. Если же в углеродной цепи содержатся третичные или четвертичные атомы углерода, то ее называют разветвленной. Алкан с такой цепью называют разветвленным, например: CH3

H3C

CH3 H3C CH CH2 CH3 или

H3C H3C

C

C

CH3 CH3

Приложение 2. Механизм реакции радикального хлорирования метана 1. Под действием света или нагревания в молекуле хлора разрывается ковалентная связь с образованием двух свободных радикалов: Cl2 → 2Cl· Свободные радикалы  – это частицы, содержащие неспаренный электрон. Они очень химически активны и  быстро вступают в следующие стадии реакции. 2. Столкновение радикала Cl· с молекулой метана приводит к образованию молекулы HCl и радикала СН3∙, который, взаимодействуя со следующей молекулой хлора, дает хлорметан CH3Cl и радикал Cl·: Cl· + CH4 → HCl + CH3· Справочник-тренажер

CH3· + Cl2 → CH3Cl + Cl· Эти процессы могут повторяться многократно, приводя к продолжению реакции (развитию цепи). 3. Возможны и  «нежелательные» столкновения, приводящие к  гибели свободных радикалов: Cl· + Cl· → Cl2 CH3· + Cl· → CH3Cl CH3· + CH3· → СН3СН3 В результате последней реакции соединяются два радикала CH3·, поэтому в продуктах реакции хлорирования метана можно обнаружить некоторое количество этана. 9


Циклоалканы КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: циклоалканы, σ-связи, sp3-гибридизация, геометрическая изомерия, цис-транс-изомерия, малые и обычные циклы, «банановые» связи, реакции с размыканием цикла, дегидрирование циклогексана, гидрирование ароматических углеводородов.

Строение молекул, номенклатура и физические свойства циклоалканов Циклоалканы  – это предельные углеводороды циклического строения (рис. 3). Как и в молекулах алканов, электронные орбитали атомов углерода в  молекулах циклоалканов находятся в состоянии sp3гибридизации (об особенностях строения молекулы циклопропана будет сказано ниже). Атомы углерода связаны между собой и атомами водорода σ-связями. Общая формула циклоалканов – CnH2n. Названия незамещенных циклоалканов получаются путем добавления приставки цикло- к  названию алкана с тем же числом атомов углерода. Часто при изображении структурных формул этих веществ символы атомов углерода и  водорода опускают. Так, сокращенная структурная формула циклопропана представляет собой равносторонний треугольник, циклобутана – квадрат и т. д. (рис. 3). Принципы построения названий циклоалканов, имеющих боковые заместители, в  целом те же, что и  для алканов. За основу всегда берут название цикла. Заместители перечисляют в  алфавитном порядке. При необходимости атомы углерода в  цикле нумеруют, причем первый номер получает тот атом, с которым связан первый по алфавиту заместитель. Далее нумерацию ведут таким образом (все равно, по часовой стрелке или против нее), чтобы следующий заместитель получил наименьший номер. 10

CH2 H2C

CH2

циклопропан

H2C

CH2

H2C

CH2

циклобутан

H2C

CH2

CH2

CH2 CH2 циклопентан

H2C H2C

CH2

CH2

CH2 CH2

циклогексан Рисунок 3. Модели молекул и структурные формулы некоторых циклоалканов. Химия для школьников

3/2010


Пример. Назовем циклоалкан, структурная формула которого изображена ниже. 4 5

3 1

CH2

CH3

2

H3C

Молекула содержит пятичленный цикл и два боковых заместителя – метил

и этил. Таким образом, основой названия будет циклопентан, а  начало нумерации атомов углерода в цикле определяет первый по алфавиту заместитель  – метил: атом углерода, с  которым он связан, получает номер 1. Нумерацию атомов ведем в данном случае против часовой стрелки, чтобы атом углерода, с  которым связан второй заместитель  – этил, получил наименьший номер. Итак, название вещества 1‑метил‑3‑этилциклопентан.

Виды изомерии Для циклоалканов характерна как структурная, так и пространственная (геометрическая) изомерия. Структурная изомерия может быть обусловлена изменением размера цикла, состава и взаимного расположения боковых заместителей. Ниже приведены формулы всех структурных изомеров циклоалкана состава С5Н10: CH3

этот вид изомерии обусловлен различным пространственным расположением двух заместителей относительно плоскости цикла. Вещество, в котором заместители находятся по одну сторону плоскости цикла, называется цис-изомером, а вещество, в  котором заместители находятся по разные стороны плоскости цикла  – трансизомером. Примером может служить существующий в  виде двух геометрических изомеров 1,2-диметилциклопропан: H3 C

циклопентан; метилциклобутан;

CH2

CH3

этилциклопропан; CH3

CH3 1,2-диметилциклопропан;

H3C

CH3

1,1-диметилциклопропан.

Пространственная изомерия проявляется в существовании веществ, имеющих одну и  ту же структурную формулу, но различающихся положением атомов в  пространстве. В  случае циклоалканов Справочник-тренажер

CH3

цис-1,2-диметилциклопропан; H3C CH3 транс-1,2-диметилциклопропан.

Такой тип изомерии называют геометрической или цис-транс-изомерией. Отметим, что общая формула СnH2n характерна не только для циклоалканов, но и для алкенов. Следовательно, циклоалканы и алкены являются межклассовыми изомерами. Физические свойства циклоалканов и алканов схожи: циклопропан и циклобутан при обычных условиях нерастворимые в воде газы, циклопентан и циклы с большим числом атомов углерода  – жидкие вещества. 11


Химические свойства Химические свойства циклоалканов зависят от размеров цикла. Соединения, содержащие малые (С3-С4) и обычные циклы (С5-С7) существенно различаются по устойчивости и химическим свойствам.

Химические свойства циклопропана и циклобутана

«Визитной карточкой» углеводородов с малыми циклами является низкая устойчивость: для них характерны реакции присоединения водорода, галогенов и галогеноводородов, приводящие к размыканию цикла. Наиболее легко эти реакции протекают с  участием циклопропана: Ni, 80 °C CH2 H3C CH2 CH3 ; H2 + H2C CH2 пропан циклопропан CH2 H2C

CH2

+ Br2

циклопропан CH2

CH2 CH2 CH2 ; Br Br 1,3-дибромпропан

+ HBr

H2C CH2 циклопропан

CH3 CH2 CH2 Br 1-бромпропан.

H2C

CH2

+ Br2 CH

Br Br 1,4-дибромбутан

H2C 2 циклобутан H2C

CH2

+ HBr CH

H2C 2 циклобутан

CH2 CH2 CH2 CH2 ;

CH3 CH2 CH2 CH2 Br 1-бромбутан.

Склонность малых циклов, особенно циклопропана, к раскрытию и  реакциям присоединения объясняют особенностями химических связей между атомами углерода в их молекулах. Рассмотрим в качестве примера строение молекулы циклопропана. Исходя из того, что трехчленный цикл является плоским равносторонним треугольником, валентные углы между атомами углерода должны быть равныо ми 60 , то есть существенно отличаться 3 по величине от соответствующего sp гибридизации тетраэдрического угла. Такого сильного искажения валентного угла в  действительности не происходит: электронные облака, связывающие атомы углерода, перекрываются не на прямой, соединяющей ядра, а вне ее (рис. 4). Поскольку в  этом случае максимальная

Циклобутан вступает в аналогичные реакции, но в более жестких условиях. Его гидрирование начинается при темперао туре около 180 С: H2C

CH2

+ H2 CH

H2C 2 циклобутан

Ni, 180 °C

H3C CH2 CH2 CH3 бутан.

Галогенирование и гидрогалогенирование циклобутана протекают при нагревании: 12

Рисунок 4. Схема перекрывания электронных облаков в молекуле циклопропана (черными точками обозначены ядра атомов углерода). Химия для школьников

3/2010


электронная плотность располагается вне линии, соединяющей ядра атомов, образовавшаяся связь приобретает частично ненасыщенный характер и становится похожей на π-связь в алкенах. Связи такого типа называют «банановыми».

Химические свойства циклоалканов с пятью и более атомами углерода в цикле

Циклоалканы с пятью и более атомами углерода в цикле по химическим свойствам практически не отличаются от алканов. Так, при их хлорировании происходит замещение атома водорода на галоген:

+ Cl2

Cl

+

При действии разбавленной азотной кислоты при нагревании протекает реакция нитрования: O N O t°

+ HNO3

циклогексан

+ H2O .

нитроциклогексан

Характерной особенностью циклогексана и его гомологов является реакция дегидрирования с  образованием ароматических углеводородов, которая протекает при пропускании их паров над никелем или платиной при температуре около 300  оС: P t, t°

циклогексан

В природе наиболее распространены циклоалканы, содержащие наиболее устойчивые пяти- и шестичленные циклы. Они входят в состав нефти, а также содержатся в эфирных маслах некоторых растений. Общим способом получения циклоалканов является действие активных металлов (натрия, лития, магния, цинка) на дигалогенпроизводные алканов. Так, циклопропан можно получить действием натрия на 1,3-дибромпропан, а  циклопентан  – действием магния на 1,5-дибромпентан:

HCl .

хлорциклогексан

циклогексан

Нахождение в природе и способы получения циклоалканов

H2C

CH2 Br CH2 Br

H2C

CH2 CH2 Br

Справочник-тренажер

+ 2NaBr;

2Na

1,3-дибромпропан

циклопропан

+ Mg

CH2 CH2 Br 1,5-дибромпентан

+ MgBr2. циклопентан

Циклогексан чаще всего получают гидрированием бензола в присутствии катализаторов. Эта реакция обратима (сравните с  реакцией дегидрирования циклогексана). Чтобы сместить равновесие в  сторону образования циклогексана, процесс ведут при повышенном давлении:

+ 3H2 . бензол

+

+ 3H2 бензол

кат., t°, Р

циклогексан

13


ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ 1. Даны вещества: в) H3C CH2 CH2 CH3 а) CH3 CH3 H3C CH CH CH3

H3C CH CH CH3

б) H3C CH CH CH3 г) CH2 CH2 CH CH CH3 H3C

CH CH2 CH3

CH3 CH3 CH2 CH2 CH3

CH3

Назовите каждое из веществ в соответствии с  правилами номенклатуры ­ИЮПАК. 2. Даны вещества а) 2,3,4-триметилпентан; б) 2,4-диметил-3-этилпентан; в) 2,2,4,4-тетраметилгексан г) 2-бром-3-метилпентан; д) 3,4-диэтил-2,5-дихлоргексан е) 3-нитро-3-этилпентан. Напишите структурные формулы этих веществ. 3. Алкан состава С7Н16 имеет девять изомеров (включая нормальный гептан). Напишите структурные формулы этих веществ и дайте им названия. 4. Напишите уравнения следующих реакций, указывая условия их протекания: а) нитрования 2-метилбутана; б) ароматизации гексана; в) изомеризации пентана.*

* В этой реакции образуется одновременно два изомера. При написании уравнения реакции достаточно в качестве продукта привести один из них.

5. Напишите уравнения реакций бромирования и хлорирования 2,3-диметилбутана. Сколько разных монохлорзамещенных продуктов образуется при хлорировании этого вещества? 14

6. Напишите уравнения реакций, позволяющих с помощью реакции Вюрца получить а) октан; б) 2,5-диметилгексан. 7. Напишите структурные формулы всех алканов, образующихся при действии металлического натрия на смесь иодэтана и 2-иодпропана. 8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: карбид алюминия → метан → бромметан → этан → нитроэтан. 9. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: бутан → изобутан → 2-бром-2метилпропан. 10. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно получить 2,3-диметилбутан из пропана в две стадии. 11. Алкан, выделившийся на аноде при электролизе водного раствора пропионата натрия (CH3CH2COONa), пропустили над платиновым катализатором при температуре 300 оС. Какие продукты могли образоваться в результате? Напишите уравнения возможных реакций. 12. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: CH3CH2COONa

NaOH, t°

CH3CH2Cl AlC l3, t°

X2

X1 бутан

HNO3(разб.), t°

Химия для школьников

X3

3/2010


ЗАДАНИЯ В ТЕСТОВОЙ ФОРМЕ 1. Изомером 2-метилпентана является 1) 2-метилгексан 2) 3-этилпентан 3) 2,3-диметилбутан 4) 2,2,3-триметилбутан 2. Верны ли следующие суждения об этане? А. Молекула этана содержит как σ-, так и π-связи. Б. Для этана наиболее характерны реакции радикального замещения атомов водорода. 1) верно только А 2) верно только Б 3) верны оба суждения 4) оба суждения неверны 3. В схеме превращений CH3CH3COONa

NaOH, t°

X1

Pt, 300 °C

X2

конечным продуктом Х2 является 1) CH CH CH 3 2 3

2) CH CH=CH 3 2

3) CH CH 3 3

4) CH =CH 2 2

4. Метан не образуется при 1) гидролизе карбида алюминия 2) реакции хлорметана с натрием 3) взаимодействии С и Н2 4) сплавлении ацетата натрия с NaOH 5. Гептан входит в состав 1) нефти 2) природного газа 3) горного воска 4) синтез-газа 6. Для гексана справедливы утверждения:

1) хорошо растворяется в воде 2) является изомером 2-метилциклогексана 3) при нормальных условиях жидкость 4) все атомы углерода находятся в  состоянии sp3-гибридизации 5) при нагревании с катализатором образует бензол 6) обесцвечивает раствор перманганата калия Ответ: _________________. 7. Взаимодействие пропана и брома 1) начинается при УФ-освещении или сильном нагревании 2) приводит к образованию смеси 1-бромпропана и 2-бромпропана 3) относится к  реакциям присоединения 4) осуществляется по радикальному механизму 5) сопровождается образованием бромводорода 6) приводит к образованию 1,2-дибромпропана Ответ: _________________. 8. Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения: CH3CH2COOK X2

электролиз Br2, hν

X1

AlC l3, t°

X3

2,2,3,3-тетраметилбутан

СО

2

ОТВЕТЫ К ЗАДАНИЯМ В ТЕСТОВОЙ ФОРМЕ № задания 1 2 3 4

Верный ответ 3 2 4 2

№ задания 5 6 7 8

Верный ответ 1 345 145 Х1 – бутан, Х2 – 2-метилпропан Х3 – 2-бром-2-метилпропан

Справочник-тренажер

15


В последующих номерах будут представлены темы: • • • • • • •

«Непредельные углеводороды: алкены, диены, алкины»; «Ароматические углеводороды»; «Одноатомные и многоатомные спирты, фенолы»; «Карбонильные соединения: альдегиды и кетоны»; «Карбоновые кислоты и сложные эфиры»; «Амины и аминокислоты»; «Биологически важные вещества: жиры, белки, углеводы».

Справочником–тренажером вы можете пользоваться как при самостоятельной подготовке к экзамену, так и на школьных уроках и факультативных занятиях.

Желаем успехов на экзаменах!


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

25

Выращивание кристаллов меди в домашних условиях* Автор: А. М. Назаров, ученик 4 класса школы № 924 г. Москвы Научный руководитель: учитель И. В. Рудникова

К

аждому из нас знакомы минералы меди, представляющие собой ее соли, оксиды, сульфиды... Так, все знают минерал малахит Cu2(CO3)2CO3, привлекающий нас удивительно густым зеленым цветом. Известны темно-синяя медная лазурь Cu3(СО3)2(ОН)2 и небесно-голубая бирюза CuAl6[PO4]4(OH)8·5H2O. Гораздо менее известны золотистые кристаллы халькопирита CuFeS2 или красные кристаллы ковелина Cu2O. И уж совсем мало кто знает, что в  природе встречается и  самородная медь  – в  виде пластинок, губчатых масс, нитевидных агрегатов, а  также кристаллов, сложных двойников и  дендритов. Дендриты  – это очень красивые кристаллы, по форме похожие на веточки растений. Оказывается, что дендриты меди легко можно получить не только в школьной химической лаборатории, но и  в домашних условиях.* Идея этого опыта была взята из Интернета с авторского сайта Станислава Попова, посвященного выращиванию кристаллов (http://zircon81.narod.ru). Идея проста: медный купорос засыпается поваренной солью, соль накрывается фильтровальной бумагой, на бумагу кладется железо, все это заливается насыщенным раствором соли, сосуд накрывается крышкой, чтобы вода не испарялась. В нашем опыте в  стеклянную банку объемом 200 мл было засыпано примерно 15 г медного купороса CuSO4∙5H2O и 50 г поваренной соли NaCl (помол № 1), фильтровальная бумага была вырезана по диаметру банки, в качестве железа были взяты обычные канцелярские кнопки (30 штук). * Рисунки к статье см. на с. 2 обложки

Все было залито 50 мл насыщенного раствора соли (рис. 1). Уже через час нижний слой позеленел. Через два дня зеленый цвет распространился на весь слой соли – ионы меди поднимались вверх (рис. 2). В это же время от фильтровальной бумаги вниз начали расти розовые дендриты меди. Через три дня на их концах образовались кристаллики меди (рис. 3). Дендриты довольно быстро росли, постепенно заполняя все пространство банки (рис. 4). На 17-й день мы извлекли пинцетом кнопки и фильтровальную бумагу. Содержимое банки долго промывали, пока все не растворилось и  осталась только медь. К  сожалению, тонкие веточки дендритов поломались. Но кристаллики сохранились (рис. 5). Их максимальный размер достигал 5 мм. Все этапы роста кристаллов были сфотографированы. Уравнение происходящей реакции хорошо известно школьникам: CuSO4 + Fe = FeSO4 + Cu Это одна из первых химических демонстраций, с которой начинается школьная химия. Если опустить железный гвоздь в  раствор медного купороса, то он весь покроется слоем меди. После этого железо переходить в раствор уже не будет, а  следовательно, и  рост меди прекратится. Поэтому важно, чтобы поступление железа в  раствор было постоянным и медленным, чтобы было время для постепенного роста кристалла. Именно такие условия мы и создали в нашем опыте. Фильтровальная бумага не позволяет образовываться меди на кнопках, слой соли также увеличивает расстояние меж-


26

Химия для школьников

ду реагентами, а значит, и время между «встречей» железа и  медного купороса. Кроме того, слой соли обеспечивает пространство, где дендриты и  кристаллы могли бы разместиться. Поэтому соль, видимо, должна быть крупнозернистой,

Э

3/2010

чтобы между частичками было больше пустот. Попробуйте выполнить этот простой эксперимент, и вы тоже сделаете себе подарок – получите великолепные дендриты меди.

то интересно

Женские имена на карте Венеры

Маат («страусиное перо»), в египетской мифологии богиня истины, правосудия и гармонии, дочь бога солнца Ра, участница сотворения мира, когда был уничтожен хаос и восстановлен порядок. Она играла заметную роль в загробном суде Осириса. Поскольку древние египтяне верили, что каждый усопший должен был предстать перед 42 судьями и признать себя невиновным или виновным в грехах, душа умершего взвешивалась на чашах весов, уравновешенных страусиным пером богини. Весы держал Анубис, бог с головой шакала, а приговор выносил супруг Маат, бог Тот. Если сердце было отягчено преступлениями, чудовище Амту, лев с головой крокодила, пожирало умершего. Если покойный прожил жизнь «с Маат в сердце», был чист и безгрешен, то оживал для счастливой жизни на полях рая, иару. Маат обычно изображали с пером в прическе, которое на суде она возлагала на чашу весов. Считалось, что люди живут «благодаря Маат, в Маат и для Маат». Лавиния (Lavinia), согласно римской мифологии, жена Энея, мать Аскания; по

другим преданиям Лавиния — дочь делосского жреца Апия, знаменитая прорицательница. Луиза Мэй Олкотт (Louisa May Alcott; 1832 — 1888) — американская писательница, прославившаяся изданным в 1868 году романом «Маленькие женщины», который основан на воспоминаниях о её взрослении в обществе трёх сестёр.


К ОЛИМПИЙСКИМ ВЫСОТАМ

Э

27

то интересно

СТИХИ М. В. ЛОМОНОСОВА Отрывок из стихотворения ”Утреннее размышление …” (1743 г.)

О СОЛНЦЕ

…”Когда бы смертным толь высоко Возможно было возлететь, Чтоб к солнцу бренно наше око Могло приблизившись воззреть; Тогдаб со всех открылся стран Горящий вечно Океан. Там огненны валы стремятся И не находят берегов, Там вихри пламенны крутятся, Борющись множество веков; Там камни, как вода, кипят, Горящи там дожди шумят. Отрывок из стихотворения “Вечернее размышление…”

О ЗВЕЗДАХ

Лице свое скрывает день, Поля покрыла мрачна ночь; Взошла на горы черна тень, Лучи от нас склонились прочь. Открылась бездна звезд полна; Звездам числа нет, бездне дна…. Уста премудрых нам гласят: «Там разных множество светов, Несчетны солнца там горят, Народы там и круг веков… Отрывки из стихотворения “Письмо о пользе стекла…” (1752 г.)

О ГЕЛИОЦЕНТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ МИРА

Астроном весь свой век в бесплодном был труде,

Запутан циклами, пока восстал Коперник, Презритель зависти и варварству соперник. В средине всех планет он солнце положил, Сугубое земли движение открыл. Однем круг центра путь вседневный совершает, Другим круг солнца год теченьем составляет, Он циклы истинной Системой растерзал И правду точностью явлений доказал. Потом Гугении, Кеплеры и Невтоны, Преломленных лучей в Стекле познав законы, Разумной подлинно уверили весь свет, Коперник что учил, сомнения в том нет… *** Во зрительных трубах Стекло являет нам, Колико дал творец пространство небесам. Толь много солнцев в них пылающих сияет, Недвижных сколько звезд нам ясна ночь являет. Круг солнца нашего, среди других планет, Земля с ходящею круг ней луной течет, Которую хотя весьма пространну знаем, Но к свету применив, как точку представляем…


НАКАНУНЕ УРОКА

СТРОЕНИЕ АТОМА.  ЭЛЕКТРОННЫЕ КОНФИГУРАЦИИ АТОМОВ Медведев Ю. Н., МПГУ Знание основ теории строения атома позволяет не только понять и объяснить свойства химических элементов и  их соединений, но и  предсказать неизвестные свойства. Предлагаемый в  статье материал по теории строения атома будет полезен как для подготовки к уроку, так и для систематизации и обобщения знаний при подготовке к экзамену.

И

дея об атомном строении вещества зародилась в глубокой древности (VI – II вв. до н. э.), в то время как убедиться в реальности существования атомов удалось только в XIX в. Современные представления о строении атома связаны с великими физическими открытиями, сделанными на рубеже XIX – XX веков. В 1889 г. русский физик А. Г. Столетов открыл фотоэффект – явление испускания металлами отрицательно заряженных частиц под действием света. В  1897  г. Дж. Томсон, изучая катодные лучи, также обнаружил эти мельчайшие отрицательно заряженные частицы и назвал их электронами. В  1895  г. В. К. Рентген, пропуская γ

β

α

электричество через разреженные газы, открыл невидимые Х-лучи; сообщение об этом сделано на заседании Парижской академии наук 20 января 1896 г. Уже 24 февраля 1896  г. французский физик А. Беккерель сообщил об открытии радиоактивности  – явлении, сопровождающемся испусканием различных видов излучения. В 1896–1898 гг. природа радиоактивного излучения изучалась физиками Э. Резерфордом, М. Кюри, П. Кюри, В. Рамзаем, Ф. Содди. Оказалось, что пучок радиоактивного излучения в сильном магнитном поле разделяется на три компоненты: α-, β- и γ- лучи. Было установлено, что β-лучи представляют собой поток электронов, α-лучи  – ядра атомов гелия, γ-лучи – коротковолновое электромагнитное излучение, более проникающее, чем Рентгеновы лучи. Явление естественной радиоактивности указало на сложное строение атома.

Ядерная модель атома

Рис. 1

Решающий вклад в создание современной теории строения атома внесли опыты Э. Резерфорда, Г. Гейгера и  Э. Марсдена


НАКАНУНЕ УРОКА

Рис. 2

(1909–1911 гг.). От радиоактивного источника, заключенного в  свинцовый кон7 тейнер К, α-частицы со скоростью 10 м/с направлялись на тонкую золотую фольгу Ф. Рассеянные фольгой частицы попадали на круговой экран Э, покрытый слоем сульфида цинка, способного светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались с  помощью микроскопа М. По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенные углы. Было обнаружено, что большинство αчастиц проходит через тонкий слой металла, практически не отклоняясь. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на двадцать тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к  180°. Резерфорд пришел к выводу, что полученное в  эксперименте распределение α-частиц возможно только в  том случае, если внутри атома имеется чрезвычайно сильное электрическое поле, созданное положительным зарядом, сконцентрированным в очень малом объеме. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого всего 10–14  – 10–15 м  (это в  105 раз меньше размеров самого атома). Вокруг ядра вращаются под действием электрических сил

29

притяжения отрицательно заряженные электроны. Атом электронейтрален: положительный заряд ядра равен суммарному заряду электронов. Практически вся масса атома сосредоточена в ядре. Электрон − самая легкая из известных элементарных частиц, его масса всего 9,11·10−31 кг (электроны в 1837 раз легче самого легкого из атомов – атома водорода). Поскольку электрический заряд электрона (равный 1,60·10−19 Кл) является наименьшим из всех известных зарядов, его называют элементарным зарядом. Так как все остальные заряды (отрицательные и положительные) кратны заряду электрона, их величину удобно выражать в условных единицах, считая абсолютный заряд электрона за единицу измерения. Условный заряд электрона при этом равен −1, катиона натрия +1, фосфат-иона −3 и т. д. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны и нейтроны объединяют одним названием − нуклоны («нуклеос» по-гречески «ядро»). Протоны представляют собой положительно заряженные частицы с  условным зарядом +1, нейтроны заряда не имеют. Следовательно, весь положительный заряд атомных ядер обу-

Рис. 3


30

Химия для школьников

Основные характеристики электронов и нуклонов. Частица

Заряд, Кл

Электрон ē

−1,60·10−19

−1

Протон р

+1,60·10−19 0

Нейтрон n

Заряд, усл. ед. Массовое число

Таблица 1

Масса, г

Масса, а.е.м.

0

9,11·10−28

5,5·10−4

+1

1

1,67·10−24

1,0073

0

1

1,67·10−24

1,0087

словлен присутствием в ядрах протонов. В целом атом электронейтрален, поскольку число протонов в  ядре равно числу электронов в атоме. Общее число нуклонов в  ядре (протонов и  нейтронов) называют массовым числом атома: А = Z + N. Массовое число атома − величина всегда целая и близкая к значению его атомной массы (поскольку масса каждого нуклона, как это видно из таблицы, примерно равна 1 а. е. м.). В соответствии с  законом Г. Мозли (1913  г.) заряд ядра численно равен порядковому номеру элемента в Периодической системе Д. И. Менделеева. Следовательно, порядковый номер Z  определяет: заряд ядра атома, число протонов в ядре, число электронов в атоме. Так, все атомы водорода имеют заряд ядра +1 (т. е. содержат 1 протон в  ядре), т. к. порядковый номер водорода в Периодической системе равен 1. Все атомы углерода имеют заряд ядра +6 (т. е. содержат 6 протонов в  ядре), т. к. порядковый номер углерода равен 6. Все атомы золота имеют заряд ядра +79, т. к. порядковый номер золота равен 79.

Изотопы

3/2010

Если число протонов в ядрах одного и  того же элемента всегда одинаково, то число нейтронов может быть различно. Так, в  природе есть три разновидности атомов кислорода. Ядро любого из атомов кислорода содержит 8 протонов, но

разное число нейтронов. В ядрах атомов самой легкой разновидности кислорода содержится 8 нейтронов, ядра двух других разновидностей содержат либо 9, либо 10 нейтронов. Следовательно, существуют три разновидности атомов кислорода − с  массовым числом 16 (99,759  %), массовым числом 17 (0,037 %) и массовым числом 18 (0,204 %). Это условно записывают следующим образом: 16 17 18 8 O, 8 O, 8 O

Слева внизу от символа элемента обозначают его порядковый номер в Периодической системе (заряд ядра или число протонов в ядре). Слева вверху указывают массовое число (сумму протонов и нейтронов в ядре). Разновидности атомов одного и  того же элемента, различающиеся по массе, называются изотопами. Так, для кислорода существует три изотопа: 16О, 17О и 18О. Изотопы называют, прибавляя к названию элемента массовое число данного изотопа, например: 12С − изотоп угле235 U − изотоп урана-235 и  т. д. рода-12, Только для водорода каждый из изотопов имеет свое индивидуальное название. Так, самый легкий изотоп 1Н называется протием, существуют также дейтерий 2Н (или D) и тритий 3Н (или Т). Всего известно около 2000 различных изотопов, причем в природе существует чуть более 250 из них, остальные получены искусственным путем.


НАКАНУНЕ УРОКА

Наличие изотопов − одна из причин* дробных значений атомных масс элементов, приведенных в Периодической системе. Так, хлор в  природе представлен смесью двух изотопов: 35Cl (75% от числа всех атомов хлора) и  37Cl (25%). Атомная масса элемента рассчитывается с  учетом распространенности отдельных изотопов в природе и для хлора составляет: Аr(Cl) = 35·0,75 + 37·0,25 ≈ 35,5. Итак, число протонов в  ядре (и электронов в  атоме) равно порядковому номеру элемента в  Периодической системе Д. И. Менделеева, а  число нейтронов в  ядре равно разности между массовым числом изотопа и  порядковым номером элемента.

Электронные оболочки атомов

В соответствии с современными представлениями, электрон имеет двойственную природу, проявляя и  свойства частицы, и  свойства волны. Как частица, электрон имеет определенную массу и импульс, а как волна, обладает способностью к  интерференции и  дифракции. Следствием такой двойственности является отсутствие траектории движения электрона в  атоме  – существует лишь та или иная вероятность нахождения электрона в  данной точке пространства. Как волна, электрон может находиться в  любой части околоядерного пространства, но вероятность его пребывания в  разных частях этого пространства не­одинакова. В  связи с  этим электрон представляют не в  виде материальной точки, а  в виде так называемого электронного облака, «размазанного» по всему объему атома. * Другая причина связана с  так называемым дефектом массы при образовании ядра из отдельных нуклонов. Более подробно об этом говорится в курсе физики.

31

Электроны формируют электронную оболочку атома, представляющую собой сложную систему. Электронная оболочка любого атома состоит из определенных слоев или энергетических уровней, в пределах которых электроны имеют близкую энергию. Энергетические уровни обозначают арабскими цифрами  – 1, 2, 3, 4 и  т. д. (или латинскими буквами К, L, M, N  и т. д.). Уровни, в  свою очередь, подразделяются на энергетические под­ уровни, которые объединяют электроны с  одинаковой энергией. Энергетические подуровни обозначают латинскими буквами – s, p, d и f. Число подуровней в уровне равно номеру данного уровня. Так, первый энергетический уровень состоит из одного под­уровня, называемого 1s-подуровень. Второй энергетический уровень состоит из двух подуровней: 2s и 2р. Третий уровень содержит три подуровня: 3s, 3p и 3d, а четвертый – четыре подуровня: 4s, 4p, 4d и 4f. Каждый подуровень включает в себя несколько атомных орбиталей. Атомная ор­ биталь − это область пространства в атоме, в которой наиболее вероятно находится электрон**. Для обозначения атомных орбиталей используют те же латинские буквы, что и для обозначения под­уровней: s, p, d и f. Так же обозначают и электроны, занимающие эти орбитали. s-Подуровень состоит из одной s-орбитали. р-Подуровень содержит три р-атомных орбитали. d-Подуровень состоит из пяти d-атомных орбиталей. f-Подуровень включает семь атомных орбиталей. Атомные орбитали различаются энергией, каждой атомной орбитали отвечает своя форма электронного облака. s-Электронное облако имеет форму сферы (шара), р-облако − форму объемной ** Более строгое определение атомной орбитали дается в курсе химии высшей школы.


32

Химия для школьников

восьмерки, вытянутой вдоль соответствующей оси координат: s

z

y x

z

px

y

py

z

z

y

y

pz

x

x

x

Три р-орбитали обозначают как px, py и pz. d- -Облака имеют более сложную форму: z

z

y

z

y

x

z

y

x

x

z

y x

y x

Рис. 4

Электроны на ближайшем к ядру энергетическом уровне (n = 1) обладают наименьшей энергией. По мере увеличения номера уровня запас энергии электронов возрастает, что схематически передает следующая диаграмма: F

6s 5s 4s 3s 2s

5d 5p

4f

4d 4p 3p

3d

2p

1s

Рис. 5

Наибольшей энергией обладают электроны на внешнем энергетическом уровне: поскольку они наименее связаны с ядром, то именно они принимают участие в  образовании химических связей.

3/2010

Число электронов на каждой атомной орбитали ограничено. В соответствии с  принципом В. Паули на атомной орбитали не может находиться более двух электронов. Это связано с  особым свойством электрона  – его спином. Иногда спин (от англ. spin – вертеть[-ся]) связывают со способностью электрона вращаться вокруг своей оси:

Рис. 6

Поскольку вращение возможно в двух направлениях, то электрон может иметь два различных значения спина. Однако в  действительности такого вращения не происходит. Строго говоря, спином называют собственный момент импульса элементарной частицы, имеющий сугубо квантовую природу и никак не связанный с  движением частицы в  пространстве. Спин – это внутренняя характеристика электрона, причем характеристика исключительно квантовая, не имеющая аналогий в  классической механике, не имеющая наглядного толкования. Это неизменное, неустранимое свойство электрона, такое же, как его масса и заряд. Важно, что спиновый момент (спин) может принимать два значения. Условно электроны с  противоположными значениями спина обозначают стрелками, направленными в разные стороны: ↓ и ↑. В соответствии с  принципом В. Паули два электрона в  пределах одной атомной орбитали должны различаться своим спином, что условно обозначают так: Два электрона, находящиеся на одной атомной орбитали, называются спарен­ ными.


НАКАНУНЕ УРОКА

33

Число атомных орбиталей на подуровне

на уровне (n2)

Максимальное число электронов на уровне (2n2)

1s

1

1

2

2s

1

4

8

2p

3

3s

1

9

18

3p

3

3d

5

4s

1

16

32

4p

3

4d

5

4f

7

Энергетический уровень (n)

Подуровень

1 2 3

4

Схема

Подведем итог. Первый энергетический уровень состоит из одной атомной орбитали (1s), второй энергетический уровень включает четыре атомные орбитали (одну 2s и три 2р), третий − девять атомных орбиталей (одну 3s, три 3р и  пять 3d), четвертый − шестнадцать атомных орбиталей (одну 4s, три 4р, пять 4d и семь 4f). Следовательно, первый энергетический уровень максимально вмещает только 2 электрона, второй уровень − максимально 8 электронов, третий уровень − 18 электронов, четвертый уровень − 32 электрона. Покажем это в виде схемы:

(поскольку алюминий – элемент 3-го периода). Обозначения уровней даны вверху схемы. Цифры под дугами показывают число электронов на данных уровнях. В  атоме алюминия на первом уровне (K) находятся два электрона, на втором (L) − восемь электронов и на третьем (M) − три электрона. Третий уровень является для атома алюминия внешним (Al  – элемент 3-го периода). n=2 n=1 L K

Электронные конфигурации атомов

Упрощенная схема строения атома, например атома алюминия, может быть записана следующим образом: В центре изображено ядро с указанием его заряда: +13, следовательно, в  атоме алюминия 13 электронов, они распределены по трем энергетическим уровням

n=3 M

Al

+13

2e–

8e–

3e–


34

При более подробном описании электронного строения атома принято записывать его электронную конфигурацию. Электронная конфигурация показывает распределение электронов в атоме по энергетическим уровням, подуровням и  орбиталям. Электронная конфигурация составляется в соответствии с прин­ ципом минимума энергии − вначале электронами заполняются атомные орбитали с  наименьшей энергией, расположенные ближе к  ядру. Экспериментально установлено, что атомные орбитали заполняются электронами в  следующем порядке:

Химия для школьников

3/2010

подуровне, что записывается следующей электронной формулой: 1s1 1H Иногда используют так называемые графические электронные формулы, в которых каждая атомная орбиталь обозначается условно квадратиком, а  каждый электрон – стрелкой. Для атома водорода графическая электронная формула выглядит так: 1S ↑ Атом гелия содержит два электрона на 1s-орбитали: 1s2 2Hе Или в графическом виде:

1s<2s<2p<3s<3p<4s<3d<4p<5s<4d<5p... Обратите внимание: сначала заполняется 4s-атомная орбиталь и лишь затем – 3d, сначала заполняется 5s и лишь потом 4d. Причины этого изучаются в  высшей школе. Составляя электронную формулу атома, сначала цифрой указывают номер энергетического уровня, затем буквой (s, p, d, f) обозначают подуровень и, наконец, указывают число электронов на данном под­уровне (в виде верхнего индекса). Так, запись 1s2 означает, что на 1s-подуровне находятся два электрона. Для составления электронной формулы любого атома достаточно знать порядковый номер элемента в  Периодической системе (это дает число электронов в атоме), номер периода (указывает на число энергетических уровней, заполняющихся электронами) и приведенную выше последовательность заполнения атомных орбиталей электронами. Рассмотрим электронное строение атомов первых четырех периодов Периодической системы Д. И. Менделеева. Первый период содержит два элемента − водород и гелий. Атом водорода имеет один электрон, располагающийся на 1s-

Обратите внимание на взаимное расположение стрелок: в соответствии с принципом В. Паули два электрона, занимая одну атомную орбиталь, должны различаться своим спином. На этом первый уровень, максимально вмещающий два электрона, полностью заполнен. Именно поэтому первый период Периодической системы Д. И. Менделеева содержит только два элемента. Второй период начинается элементом литием и  заканчивается элементом неоном. Все электроны в атомах элементов второго периода располагаются на двух энергетических уровнях. В атоме лития всего три электрона, два из них находятся на первом энергетическом уровне и занимают 1s-орбиталь, третий электрон, в  соответствии с  выше сказанным, находится на втором энергетическом уровне, занимая 2s-орбиталь. Электронная конфигурация атома лития: 1s22s1 3Li Строение внешнего электронного уровня можно записать в графическом виде: 2s

2p


НАКАНУНЕ УРОКА

35

За литием в Периодической системе следует элемент бериллий. Электронная конфигурация атома бериллия: 1s22s2 4Ве Строение внешнего электронного уровня можно записать в графическом виде: 2s

2p

На этом 2s-подуровень полностью заполнился. В атоме бора следующий электрон расположится на р-подуровне: 1s22s22р1 5В или в графическом виде: 2s

2p

2s

или

2p

Начиная с атома кислорода каждый следующий р-электрон попадает на атомную орбиталь, уже занятую одним электроном. Это приводит к спариванию электронов на р-орбиталях: 2s

2p

O

2p

В атомах следующих элементов (углерод, азот, кислород, фтор и неон) каждый последующий электрон также располагается на р-подуровне. Если элементы Li и Be относятся к s-элементам, то B, C, N, O, F и Nе − к р-элементам. Электронные конфигурации атомов от углерода до неона таковы: 1s22s22р2 6С 1s22s22р3 7N 1s22s22р4 8O 1s22s22р5 9F 2 2 6 10Ne 1s 2s 2р Изображая графическую электронную формулу атомов р-элементов, следует руководствоваться правилом Хунда, в  соответствии с  которым электроны так располагаются в  пределах подуровня, чтобы суммарный спин был максимальным (т. е. число неспаренных электронов должно быть наибольшим). Так, для атома углерода можно изобразить строение внешнего электронного уровня двумя способами: 2s

но, в атоме азота, находящемся в  основном состоянии, имеется три неспаренных электрона:

2s

2p

Очевидно, что только вторая схема не противоречит правилу Хунда. Аналогич-

2s

2p

F 2s

2p

Ne Таким образом, в атоме неона все электроны − спаренные. Кроме того, в  атоме неона полностью завершен не только р-подуровень, но и весь второй энергетический уровень (8 электронов). Вот почему второй период Периодической системы Д. И. Менделеева содержит 8 элементов. В третьем периоде Периодической системы Д. И. Менделеева расположены также 8 элементов, это s-элементы натрий и магний: 2 2 6 1 11Nа 1s 2s 2р 3s 2 2 6 2 12Mg 1s 2s 2р 3s и р-элементы − алюминий, кремний, фосфор, сера, хлор и аргон: 2 2 6 2 1 13Al 1s 2s 2р 3s 3p 2 2 6 2 2 14Si 1s 2s 2р 3s 3p 2 2 6 2 3 15P 1s 2s 2р 3s 3p


36

Химия для школьников

S 1s22s22р63s23p4 2 2 6 2 5 17Cl 1s 2s 2р 3s 3p 2 2 6 2 6 18Ar 1s 2s 2р 3s 3p Элементом аргоном третий период заканчивается. Казалось бы, на третьем уровне остались вакантными 3d-орбитали, и именно они должны заполняться электронами после того, как в атоме аргона полностью заполнился 3р-подуровень. Однако после аргона в атомах калия и кальция начинают заполняться 4s-орбитали: 2 2 6 2 6 1 19К 1s 2s 2р 3s 3p 4s 2 2 6 2 6 2 20Ca 1s 2s 2р 3s 3p 4s Таким образом, четвертый период, как и другие периоды, начинается с s-элементов − калия и кальция, в атомах которых происходит заполнение электронами 4sорбиталей. Это становится возможным с  учетом того, что в  атомах этих элементов энергия 4s-подуровня меньше энергии 3d-подуровня. И только после заполнения 4s-оболочки происходит заполнение вакантной 3d-оболочки. Первый 3d-электрон появляется в атоме скандия: 2 2 6 2 6 1 2 21Sc 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 16

Обратите внимание! Заполняется сначала 4s-подуровень, а затем 3d-подуровень, а записывается сначала 3d-подуровень, а затем 4s-подуровень (в порядке увеличения номера энергетического уровня).

Скандий и последующие элементы называются 3d-элементами, всего их десять (т. к. на пяти d-орбиталях может максимально разместиться 10 электронов). d-Элементы наряду с  f-элементами относятся к  так называемым переходным элементам. Переходные элементы всегда располагаются в побочных подгруппах Периодической системы. Приведем электронные конфигурации переходных элементов четвертого периода:

3/2010

Sc 1s22s22р63s23p63d14s2 2 2 6 2 6 2 2 22Ti 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 3 2 23V 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 5 1 24Cr 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 5 2 25Mn 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 6 2 26Fe 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 7 2 27Co 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 8 2 28Ni 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 10 1 29Cu 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 2 2 6 2 6 10 2 30Zn 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s Обратите внимание на электронные конфигурации атомов хрома и меди. Вместо конфигурации 3d44s2 атом хрома имеет конфигурацию 3d54s1. Это связано с  переходом одного из 4s-электронов на 3d-подуровень, что объясняют повышенной устойчивостью наполовину заполненной d-оболочки. Аналогичный «провал электрона» имеет место и в атоме меди, что связано с повышенной устойчивостью полностью заполненной d-оболочки. После заполнения 3d-подуровня происходит заполнение электронами 4p‑под­ уровня. Электронные конфигурации остальных элементов четвертого периода таковы: 2 2 6 2 6 10 2 1 31Ga 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 4p 2 2 6 2 6 10 2 2 32Ge 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 4p 2 2 6 2 6 10 2 3 33As 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 4p 2 2 6 2 6 10 2 4 34Se 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 4p 2 2 6 2 6 10 2 5 35Br 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 4p 2 2 6 2 6 10 2 6 36Kr 1s 2s 2р 3s 3p 3d 4s 4p В атоме криптона заканчивается заполнение р-подуровня, криптон − последний элемент четвертого периода. Всего в  четвертом периоде 18 химических элементов − два s-элемента, десять d-элементов и шесть р-элементов. Электроны, находящиеся на последнем энергетическом уровне, называются внешними электронами. Внешние электроны находятся на энергетическом уровне, номер которого равен номеру периода, в  котором находится химический элемент. Так, в атоме фосфора (эле21


НАКАНУНЕ УРОКА

мент 3-го периода) внешними являются 2 3 3s 3p -электроны, в атоме железа (элемент 4-го периода) внешними являются 2 4s -электроны, в  атоме брома (элемент 4-го периода) внешними являются 4s24p5электроны. Электроны, которые могут принимать участие в образовании химических связей, называются валентными электронами. Для элементов главных подгрупп валентными являются внешние s- и  р-электроны. Для элементов побочных подгрупп валентными являются внешние s- и предвнешние d-электроны. Так, валентными электронами являются: 2 3 для атома фосфора − 3s 3p -электроны (5 валентных электронов), 6 2 для атома железа − 3d 4s -электроны (8 валентных электронов), 2 5 для атома брома − 4s 4p -электроны (7 валентных электронов). Число валентных электронов в  большинстве своем равно номеру группы, в  которой располагается элемент в  Периодической системе. Исключение составляют элементы IВ (медь, серебро, золото) и  VIIIВ групп (кобальт, никель и  платиновые металлы). Мы рассмотрели электронные конфигурации атомов, находящихся в  основ­ ном состоянии. Атом может находиться в  основном состоянии бесконечно долгого времени. Возбужденные состояния атомов образуются из основного состояния при переходе одного или нескольких электронов с занятых орбиталей на свободные. Подобные переходы могут происходить при поглощении атомом энергии извне (например, под действием излучения или

37

при нагревании). В возбужденном состоянии атом может находиться весьма малое время, не более 10–8 с. После этого атом вновь возвращается в основное состояние, отдав избыток энергии в виде, например, светового кванта. Так, атом водорода в  основном состоянии имеет электронную конфигурацию 1 1s . При поглощении 10,2 эВ энергии* электрон в  атоме водорода переходит на второй энергетический уровень. Поглотив еще 1,9 эВ энергии, электрон в атоме водорода переходит на еще более высоко лежащий третий уровень и  т. д. Все эти состояния и  будут возбужденными. Если основное состояние атома  – единственное, то возбужденных состояний может быть бесконечное множество. Поглощение 13,6 эВ энергии приведет к тому, что электрон в атоме водорода будет переведен на уровень с n = ∞, т. е. будет полностью удален из атома. В следующих номерах мы продолжим знакомство с электронным строением атомов и рассмотрим следующие вопросы: Периодический закон и  Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева. Радиусы атомов, их периодические изменения в системе химических элементов. Закономерности изменения химических свойств элементов и  их соединений по периодам и группам. * Электрон-Вольт (эВ)  — широко используемая единица измерения энергии в атомной физике, 1эВ равен энергии, которую приобретает электрон, ускоряясь разностью потенциалов 1 Вольт. В системе СИ 1эВ = 1,6∙10–19 Дж.


38

Химия для школьников

3/2010

ХИМИЧЕСКАЯ НОМЕНКЛАТУРА И ФИЛОЛОГИЯ

Колевич Т. А., Матулис Вадим Э., Матулис Виталий Э., лицей БГУ, Республика Беларусь В органической химии рассмотрение номенклатуры химических соединений является не менее важным, чем изучение строения и свойств веществ, так как простого заучивания названий веществ явно недостаточно ввиду многочисленности изучаемых объектов. Важно понять основополагающие принципы построения названий веществ. Эти знания способствуют развитию логического мышления и  одновременно очень полезны при выполнении разного типа заданий контрольных и  экзаменационных работ, а  также заданий, которые предлагаются при проведении тестирования и на химических олимпиадах. В статье рассказывается о том, как основные принципы словообразования, с  которыми каждый школьник знакомится на уроках русского языка, могут быть применены при изучении химической номенклатуры органических соединений, принадлежащих к  классу алканов. В дальнейшем эти принципы могут быть с успехом применены и для других классов соединений.

О

рганическая химия – химия соединений углерода. В молекулах органических веществ атомы углерода, связанные между собой посредством ковалентных связей, могут образовывать линейные, разветвленные и  циклические структуры, число которых, в  принципе, неограниченно. Этим объясняется многообразие органических соединений, число которых намного больше, чем число известных неорганических веществ. Многие органические вещества имеют одинаковый состав, но разное строение молекул. Такие вещества называются изомерами. В случае алканов явление изомерии проявляется, начиная с  четвертого представителя гомологического ряда – бутана, для которого существует два изомера: CH 3

CH 2

CH 3

CH 2

CH

CH 3

CH 3

CH 3

Пентан имеет три изомера, гептан – девять.

Для алканов с большим числом атомов углерода в  молекуле число изомеров огромно. Например, алканов состава С25Н52 может быть 36797588, т. е. почти сорок миллионов веществ! В связи с этим возникает вопрос: как называть эти вещества? Эта проблема решается с  помощью системы составления названий органических соединений. Такая система называется номенклатурой. В  настоящее время наиболее широко используется систематическая или международная номенклатура ИЮПАК (IUPAC – International Union of Pure and Apply Chemistry). Основные принципы ее были предложены в  1892 году на Международном съезде химиков в  Женеве. С  тех пор номенклатура органических соединений неоднократно дополнялась и совершенствовалась. Рассмотрим основные принципы номенклатуры органических соединений для класса алканов. Молекулы алканов могут иметь линейное и  разветвленное строение. Вначале рассмотрим номенклатуру алканов ли­ нейного строения.


НАКАНУНЕ УРОКА

Названия первых четырех представителей гомологического ряда алканов – метана, этана, пропана и бутана – являются исторически сложившимися или тривиальными. Названия последующих гомологов состоят из корня, соответствующего греческому числительному, обозначающему число атомов углерода в молекуле алкана и суффикса -ан. Например: СН3–СН2–СН2–СН2–СН3 – пентан СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3 – гексан СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3 – октан СН 3 –СН 2 –СН 2 –СН 2 –СН 2 –СН 2 –СН 2 – СН2–СН2–СН3 – декан Назвать молекулу алкана разветвлен­ ного строения несколько сложнее. Будем руководствоваться очевидным принципом: если объект невозможно назвать целиком, разобьем его на части и  будем называть по частям. При этом логично представить молекулу разветвленного строения как подобие «дерева», имеющего «ствол», к которому в определенных местах прикреплены «веточки». Задача сводится к  определению в названии длины «ствола», «веточек» и мест соединения «веточек» со «стволом». Основа нашего «дерева» – ствол, который называется основной цепью. Эта цепь имеет максимальную для данной молекулы длину. «Веточки», соединенные с  нашим «стволом», представляют собой группы атомов СН3-, СН3–СН2- и  т. д. Такие группы называются углеводородными группами. Названия углеводородных групп состоят из корня, соответствующего названию алкана с  таким же, как и  в углеводородной группе, числом атомов углерода и  суффикса -ил. Таким образом, группа СН3- называется метил, группа СН3–СН2или С2Н5- называется этил, СН3–СН2– СН2- или С3Н7- называется пропил и  т. д. То есть название углеводородной группы состоит из корня, показывающего число атомов углерода в ней и суффикса -ил. Ис-

39

пользуются также названия: метильная, этильная, пропильная и т. д. группы. Теперь составим название разветвленного алкана. Оно будет состоять из нескольких частей: названия углеводорода, соответствующего основной цепи, и названий углеводородных групп. Для наглядности рассмотрим правила номенклатуры алканов на примерах. Пример 1 Назовем изомер бутана разветвленного строения СН3–СН–СН3 1

CH3

2

CH

3

CH2

CH3

Молекулу данного соединения можно рассматривать как молекулу пропана, в которой второй атом углерода связан с одним атомом водорода и метильной группой СН3-. Очевидно, что выбор основной цепи и  порядок нумерации в  данном случае однозначен. Атомы углерода нумеруются арабскими цифрами. Название этого углеводорода будет двухкорневым словом, в котором имеется корень, указывающий, что основная цепь соединения включает три атома углерода и суффикс -ан, показывающий, что данное соединение принадлежит к  классу алканов. Метильная группа при втором атоме углерода обозначается приставкой 2 и  названием группы СН3  – метил, которое, в  свою очередь, состоит из корня -мет- и  суффикса -ил. Название цифры-приставки пишется через дефис. Эти номера также называют локантами. В итоге название углеводорода: ∧ ∧ ┐ 2-метилпропан. Части слова в  названии (корни, приставку и  суффиксы) обозначены так, как это принято в русском языке: корень, суффикс ∧, приставка ┐.


40

Химия для школьников

Пример 2 Рассмотрим более сложный случай – составим название изомера пентана разветвленного строения. CH3

CH

CH2

CH3

CH3

Выбираем в молекуле основную цепь, которая должна иметь максимальную длину. Атомы углерода основной цепи нумеруем арабскими цифрами. Нумерацию следует начинать с того конца, к которому ближе находится заместитель:

1

CH 3

2

CH

3

CH 2

4

CH 3

CH 3

Как видно, основная цепь содержит четыре атома углерода, что соответствует алкану, название которого бутан. Углеводородная группа (в данном случае CH3- или метил), соединенная с основной цепью, фигурирует в названии углеводорода в  качестве отдельной части слова с номером атома углерода основной цепи, с которым она связана. В итоге наш углеводород будет называться 2-метилбутан. Таким образом, название алкана разветвленного строения представляет собой многокорневое слово, где сначала идут названия углеводородных групп с номерами атомов углерода основной цепи, с которыми они соединены. Далее идет название основной цепи. Оно совпадает с  названием углеводорода с таким же числом атомов углерода в  молекуле. Заканчиваться название будет суффиксом –ан, одинаковым для всех алканов. Пример 3 Назовем изомер гептана, имеющий строение:

1

CH 3

2

3

CH

CH

CH 3

CH 3

4

3/2010

5

CH 2

CH 3

Основная цепь соединения содержит пять атомов углерода, как у углеводорода пентана. Данный пример интересен тем, что в  молекуле имеются две метильные группы, они связаны со вторым и третьим атомами углерода основной цепи. Отметим, что в  случае наличия в  молекуле нескольких одинаковых углеводородных групп, их число обозначается дополнительной приставкой, соответствующей греческому числительному, например: диэтил-, трибутил-, пентаметил- и т. д. Таким образом, приставки-цифры укажут на положение углеводородных групп в молекуле, а приставки-греческие числительные – на их общее количество. Поэтому перед названием метил– необходимо поставить приставку ди–. Название соединения: ┐┐ ─┐ ∧ ∧ 2,3–диметилпентан. Возникает вопрос: а можно ли пронумеровать атомы углерода в этой же молекуле с  другого конца и  назвать соединение 3,4-диметилпентан? Так делать нельзя, следует нумеровать атомы углерода с того конца, к  которому ближе находится первый заместитель. Пример 4 Рассмотрим еще более сложный пример. Назовем алкан следующего строения: 1

2

3

4

5

6 7


НАКАНУНЕ УРОКА

Самая длинная цепь в молекуле углеводорода включает семь атомов углерода. Нумеровать их следует слева направо – с  конца, к  которому ближе находится первый заместитель. Следует отметить, что цепь, выделенная штрихом, также содержит семь атомов углерода, но эту цепь нельзя выбрать в  качестве основной. Если в  молекуле имеется несколько цепей атомов углерода одинаковой длины, то в  качестве основной выбирают цепь, содержащую наибольшее число заместителей (наиболее замещенную цепь). В данной молекуле имеются четыре метильные и одна этильная группы. В названии их следует перечислять в алфавитном порядке, т. е. сначала метильные, затем этильную группы. Второй атом углерода связан с двумя метильными группами, положение каждой из них должно быть отражено в названии, следовательно, цифра 2 перед частью слова, отражающего положение метильных групп, должна фигурировать дважды. Название углеводорода: 2,2,4,5-тетра­ метил-3-этилгептан. Пример 5 Рассмотрим еще более интересный и  сложный пример, подобные которому часто встречаются на вступительных испытаниях. Назовем алкан следующего строения: СН3 СН3 СН3    СН–СН–СН   СН3 СН3–СН2 Если внимательно посмотреть на формулу, видно, что основная углеводородная цепь включает шесть атомов углерода, причем начинать ее нумерацию можно либо с  левого верхнего атома, либо с  левого нижнего:

41

1 2

3

6

4 5

Для наглядности перепишем формулу в привычном для нас виде:

Очевидно, что назвать данный углеводород сейчас не представляет особых трудностей: 2,3,4-триметилгексан. Пример 6 Решим обратную задачу – напишем структурную формулу алкана по его названию. Название алкана: ┐┐┐┐┐ ──┐ ∧ ┐ ∧ ∧ 2,2,3,5,5–пентаметил–3–этилгептан. Проведем разбор слова так, как это делается на уроках русского языка, обозначив части слова принятыми для этого знаками:  – корни, ┐ – приставки, ∧ – суффиксы. Названия корней слова обозначают длины основной цепи молекулы и  цепей углеводородных групп: -мет- – корень названия метильной группы, содержащей один атом углерода; -эт- – корень названия этильной группы, содержащей два атома углерода; -гепт- – корень названия основной цепи, содержащей семь атомов углерода. Цифры-приставки обозначают, что второй и  пятый атомы основной цепи связаны с двумя метильными группами, третий атом – с метильной и этильной группами. Общее число метильных групп в  молекуле  – пять  – показывает приставка -пента- (от греческого пять) перед первым корнем.


42

Химия для школьников

Суффикс -ил- указывает на то, что соответствующие фрагменты молекулы являются углеводородными группами: СН3– метил, С2Н5– этил. Суффикс –ан на конце слова свидетельствует о принадлежности углеводорода к классу алканов. Теперь можно написать формулу: СН3 СН3   СН3– С –– С–– СН2–   СН3 СН2  СН3

СН3  С– СН2–СН3, или  СН3

Из приведенных примеров видно, что возможности систематической номенклатуры практически неограничены и позволяют называть углеводороды самого сложного строения, так как в основе формирования названий органических соединений лежат обычные принципы слово­ образования. Название углеводорода разветвленного строения представляет собой многокорневое слово, корни которого обозначают длины основной цепи и  цепей углеводородных групп. Суффиксы –ил фигурируют в  названиях углеводородных групп. Суффикс –ан на конце слова указывает на принадлежность соединения к  классу алканов. Система приставок показывает местоположение углеводородных групп и их количество. Для закрепления изученного материа-

3/2010

ла можно ответить на некоторые вопросы и выполнить упражнения.

Вопросы и упражнения

1. Каковы основные причины многообразия органических соединений? 2. Что такое номенклатура органических соединений? Почему возникла необходимость ее введения? 3. Что такое углеводородная группа? Напишите формулы бутила, гептила, октила. 4. Напишите структурные формулы изомеров гептана. Назовите все изомеры по систематической номенклатуре. 5. Назовите алканы следующего строения: а) СН3 СН3 СН3    СН2– С – СН2  СН3 – СН – СН3 б)

6. Напишите структурную формулу алкана, имеющего следующее название: 2,3,3,4-тетраметил–4,5-диэтилоктан. Проведите разбор слова. Сколько углеводородных групп в молекуле данного соединения? 7. Какие из приведенных названий алканов составлены правильно: а) 2,3,4-триметил–2-этилпентан; б) 1,1-диметил–3-этилпентан; в) 2,2,4,5-тетраметил–3-этилгептан; г) 3,3-диэтилпентан; д) 4,5-диметил–4-этилгексан?


В МИРЕ ВЕЩЕСТВ И РЕАКЦИЙ

Элемент № 80 – ртуть – жидкое серебро Куркова Т. Н., РГУ им. И. Канта, г. Калининград Чаще всего со словом «ртуть» ассоциируется опасность отравления, экологическое загрязнение, однако, прочитав эту заметку, вы узнаете много интересного об этом удивительном металле древности: чем он отличается от остальных металлов, о его положительных и отрицательных свойствах. В 1825 г. во время лекции по химии Тенар по ошибке вместо сахарной воды сделал глоток жидкости из другого стакана. Он спокойно поставил стакан на место и хладнокровно объявил: «Господа я отравился. Мне могут помочь сырые яйца». Сырое яйцо  – прекрасное противо­ ядие при отравлении солями ртути.

Металл из «великолепной семерки»

Ртуть является одним из первых известных человеку металлов древности (золото, серебро, медь, железо, свинец, олово). Она отличается от других металлов агрегатным состоянием при обычной температуре (жидкость), особым блеском и высокой плотностью. В египетских захоронениях, относящихся к XVI или XV вв. до н. э., были найдены драгоценности из сплавов золота, серебра и ртути. С конца VI в. до н. э. ртуть применяют для извлечения золота или серебра из руд методом амальгамирования, а также для золочения серебра или меди. В Древнем Риме применялась киноварь для получения пигментов и  косметических препаратов. Алхимики рассматривали ртуть как «spirit metallic», т. е. носитель металлических свойств, ее считали обязательным компонентом всех металлов. Они же предложили название «ртуть» в честь планеты

Меркурий (VI в. н. э.). Ртутные пары ассоциировались со «злыми духами». Знак Hg для ртути был введен Берцелиусом. Аристотель называл ртуть жидким серебром, Диоскорид – серебряной водой. Отсюда и происходит латинское название ртути – гидраргирум.

Распространение в природе

В природе ртуть редко встречается в самородном виде, но гораздо чаще в виде соединений (сульфида, селенида, теллурида, хлорида, оксида и оксихлорида) в различных минералах. Содержание ртути в зем-6 ной коре равно 5,0·10 вес. %. К наиболее важным минералам ртути относятся следующие: киноварь HgS, тиманнит HgSe, каломель Hg2Cl2 , монтроидит HgO. В очень малых количествах соединения ртути встречаются в  некоторых термальных водах, в морской воде, в продуктах извержения вулканов, в некоторых метеоритах. Киноварь HgS была известна в России давно, она применялась как хорошая краска


44

Химия для школьников

красного цвета. На воздухе и под действием солнечного света красный сульфид ртути постепенно превращается в черный изза выделения мельчайших капелек ртути. Поэтому киноварь применяли для стенной росписи только внутри зданий.

Физические свойства

Ртуть представляет собой блестящий серебристо-белый металл с ромбической решеткой, легкоплавкий и летучий металл. Электропроводность ртути достаточно мала. Существуют методики приготовления коллоидных растворов ртути в жирах, дисперсной и порошковой ртути. Так, при взаимодействии нитрата ртути(I) с гидроксидом натрия или сероводородом, выделяющаяся ртуть образует черный порошок изза присутствия оксида ртути (уравнение 1) или сульфида ртути (уравнение 2):

Hg2(NO3)2 + 2NaOH = = Hg↓ + HgO + 2NaNO3 + H2O Hg2(NO3)2 + H2S = = Hg↓ + HgS + 2HNO3

(1) (2)

Под действием электрических разрядов пары ртути начинают светиться, излучая ультрафиолетовые лучи. Благодаря этому свойству кварцевые лампы, заполненные парами ртути, служат источниками ультрафиолетового излучения.

Химические свойства

Ртуть находится в побочной подгруппе II группы Периодической системы Д. И. Менделеева, куда входят цинк и кадмий. Строение внешних электронных оболочек атомов: Zn 3d104s2, Cd 4d105s2 и  Hg 4f145d106s2. Связь d-электронов у  Zn, Cd, Hg с  ядром прочнее, чем у  Cu, Ag и  Au, поэтому элементы подгруппы цинка не проявляют степени окисления выше +2 (т. е. в  образовании связей участвуют только два внешних s-электрона).

3/2010

С химической точки зрения ртуть – наименее активный металл из подгруппы цинка, сильно отличается от них, а  по некоторым свойствам уникальна. Это единственный металл, образующий 2+ кластерный катион Hg2 , стойкий в вод­ ном растворе. Только для ртути известны амидные соединения, содержащие связь Hg–N, устойчивые в водной среде (другие металлы образуют подобные соединения лишь в неводных растворах). При обычной температуре сухой воздух и кислород не действуют на ртуть, но в  присутствии следов воды поверхность ртути становится матовой и  покрывается серым слоем оксида. При нагревании рту0 ти до 350 образуется красный оксид HgO, 0 который при 500 термически разлагается на элементы: Hg + 1/2O2 ↔ HgO + 21,5 ккал. Озон легко окисляет ртуть до Hg2O  – соединение черного цвета. Металлическая ртуть взаимодействует с галогенами, образуя сначала галогениды Hg2Hal2, а  затем  – HgHal2. Интересно отметить, что сульфид ртути HgS можно получить разного цвета: при растирании ртути с порошковой серой образуется HgS черного цвета, а при высокой температуре – HgS красного цвета. Неметаллы азот, фосфор, углерод, кремний и бор непосредственно не взаимодействуют с ртутью. Ртуть вступает в  реакции с  газообразными HBr, HI, HCl, с  хлористым иодом, четыреххлористым углеродом: 2Hg + Cl2 = Hg2Cl2 2Hg + 2ICl = HgCl2 + HgI2 4Hg + CCl4 = 2Hg2Cl2 + C В  концентрированных H2SO4 и  HNO3, разбавленной HNO3, и  в царской водке при нагревании ртуть растворяется: Hg + 2H2SO4(конц.) = = HgSO4 + SO2↑ + 2H2O 3Hg + 8HNO3(конц.)= = 3Hg(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O


В МИРЕ ВЕЩЕСТВ И РЕАКЦИЙ

6Hg + 8HNO3(разб.)= = 3Hg2(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O 3Hg + 6HCl + 2HNO3 = = 3HgCl2 + 2NO↑ + 4H2O Можно проделать реакцию ртути с вод­ ным раствором серной кислоты, которая известна как «ртутное сердце». Для этого каплю ртути следует поместить на часовое стекло в водный раствор H2SO4, содержащей небольшое количество дихромата калия K2Cr2O7, а потом прикоснуться к поверхности ртутной капли иголкой, то капля ртути начнет пульсировать, попеременно прикасаясь к  иголке и  отходя от нее, принимая то сферическую, то плоскую форму. Такая пульсация может длиться долго, при этом кажется, что капля ртути напоминает живое сердце. Подумайте, как с точки зрения физики можно объяснить этот процесс?

Соединения ртути

Оксиды ртути Оксид ртути(I) Hg2O представляет собой оливково-зеленый порошок, легко окисляющийся под действием света или тепла в HgO. Оксид ртути(II) представляет собой желтые или красные кристаллы, плохо растворимые в  воде. Оксиды ртути получаются по следующим химическим реакциям: Hg2(NO3)2 + 2NaOH = = Hg2O↓ + 2NaNO3 + H2O зеленый Hg(NO3)2 + 2NaOH = = HgO↓ + 2NaNO3 + H2O желтый Оксид ртути(II) реагирует с аммиаком, в  отличие от оксидов цинка и  кадмия, с образованием желтого малорастворимого основания Милона [Hg2N]OH·2H2O: 2HgO + NH3 + H2O = [Hg2N]OH·2H2O Соли ртути В XVII веке молодой монах должен был приготовить красную краску «скарлет».

45

В соответствии с рецептом он взял водный раствор нитрата ртути Hg(NO3)2 и прилил к  нему раствор иодида калия KI. Монах увидел, как раствор сначала стал красным, а  затем прозрачным и  бесцветным. Никакого красного осадка «скарлета» не образовалось. Объяснив происшедшее «дьявольским наваждением», монах бросил работу и стал молиться. Как это можно объяснить? При смешивании строго стехиометрических количеств реагентов происходит реакция: Hg(NO3)2 + 2KI = HgI2↓ + 2KNO3, красный при добавлении избытка иодида калия KI, осадок растворяется, образуя прозрачный раствор тетраиодомеркурата калия: HgI2 + 2KI = K2[HgI4]. Концентрированный водный раствор K2[HgI4] (первая тяжелая жидкость) – раствор Туле, названный так по имени предложившего его в 1878 г. французского ученого, применялся для разделения твердых порошковых веществ или для определения их плотности. Раствор тетраиодомеркурата калия K2[HgI4] немецким химиком-аналитиком Юлиусом Несслером был предложен в качестве реагента для определения аммиака и солей аммония: 2K2[HgI4] + NH4Cl + 4KOH = = [Hg2ONH2]I↓ + 7KI + KCl + 3H2O красно-бурый Тиоцианат ртути Hg(NCS)2 интересен тем, что это вещество можно применить для эффектного опыта «фараоновы змеи». Тиоцианат ртути при поджигании дает желто-серый объемистый продукт горения, который принимает причудливую форму, подобную змее: 2Hg(NCS)2 = 2HgS + С3N4 + CS2, дисульфид углерода сгорает с образованием оксидов: CS2 + 3О2 = СО2↑ + 2SО2↑. Окислительно-восстановительная реакция взаимодействия хлорида ртути(II)


46

с раствором оксалата аммония протекает только под действием видимого света: 2HgCl2 + (NH4)2C2O4 = = Hg2Cl2↓ + 2NH4Cl + 2CO2↑ Масса выделившегося осадка Hg2Cl2 может служить мерой измерения количества света, т. е. выполнять роль простейшего фотометра. Некоторые соединения ртути могут не только гореть, но и  «греметь». «Гремучая ртуть… есть образец всех взрывчатых соединений» (Менделеев). «Гремучая ртуть» или фульминат ртути Hg(CNO)2 много лет применялась для взрывов. Еще алхимики были знакомы со взрывчатой способностью этого вещества, но только английский химик Эдвард Говард впервые детально изучил синтез и физико-химические свойства Hg(CNO)2: Hg + 4HNO3 + 2C2H5OH = = Hg(CNO)2 + N2↑ + 2CO2↑ + 8H2O Разложение со взрывом Hg(CNO)2 происходит даже при случайном касании, а тем более при ударе или нагревании: Hg(CNO)2 = Hg + N2↑ + 2CO↑. Хлорид ртути(I) Hg2Cl2  – каломель и хлорид ртути(II) HgCl2 – сулема. Хлорид ртути(I) Hg2Cl2 представляет собой белые игольчатые микрокристаллы, которые быстро желтеют при нагревании или становятся серыми: Hg2Cl2 = HgCl2 + Hg. Соединение Hg2Cl2 растворяется при нагревании в конц. HNO3, царской водке, хлорной и  бромной воде, в  концентрированных растворах хлоридов, бромидов или иодидов щелочных металлов: 3Hg2Cl2 + 8HNO3 = = 3HgCl2 + 3Hg(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O 3Hg2Cl2 + 6HCl + 2HNO3 = 6HgCl2 + 2NO↑ + 4H2O Hg2Cl2 + Cl2 = 2HgCl2 Hg2Cl2 + Br2 = HgCl2 + HgBr2 Hg2Cl2 + 2KCl = K2[HgCl4] + Hg

Химия для школьников

3/2010

Реакция с водным раствором аммиака применялась для определения Hg2Cl2: Hg2Cl2 + 2NH4OH ↔ ↔ HgNH2Cl + Hg + NH4Cl + 2H2O белый черный Хлорид ртути(II) HgCl2  – вещество устойчивое на воздухе, токсично, растворяется в  воде, органических растворителях. Водные растворы имеют слабокислый характер вследствие гидролиза: HgCl2 + НОН ↔ Hg(ОН)Cl + НСl При действии щелочных металлов, аммиака на HgCl2 образуются комплексные соединения: HgCl2 + KCl = K[HgCl3] HgCl2 + 2NH4OH = = [HgNH2]Cl + NH4Cl + 2H2O

Ртуть полезная и вредная

Широкое применение ртути в самых различных областях основано на таких ее свойствах, как малая упругость пара при обычной температуре и большая упругость пара при высокой температуре, большой удельный вес, малая удельная теплоемкость, низкая тепло- и электропроводность. Ртуть применяют: - в  физических и  физико-химических приборах (термометрах, барометрах, манометрах, денситометрах, ареометрах, гироскопах для авиации, в элементах Вестона); - в установках для собирания газов; - в полярографических установках; - при изготовлении специальных ламп; - в  изготовлении ртутных переключателей, предохранителей, выпрямителей электрического тока; - в приборах для электролиза; - в металлургии для извлечения золота и серебра из руд методом амальгамирования; - для получения амальгам многих металлов, имеющих разнообразное промышленное применение;


В МИРЕ ВЕЩЕСТВ И РЕАКЦИЙ

- в области органического синтеза в качестве катализатора; - в реакторах в качестве хладоагента. С физиологической точки зрения ртуть и  ее растворимые соединения токсичны. При действии малых концентраций ртуть накапливается в  организме и  тяжелые последствия могут проявиться не сразу. Помня о большой токсичности паров ртути, образующихся даже при комнатной температуре, необходимо соблюдать все меры предосторожности при работе с этим металлом. Внимание! Если вы разбили градусник, то ртуть нужно полностью собрать. Для этого можно воспользоваться одним из способов. Соберите видимые глазом капли ртути зачищенной медной проволокой (а лучше медным проводом, сплетенным из множества тонких проводков) или, в  крайнем случае, бронзовой монетой. Ртуть легко прилипает к меди и перестает растекаться. Все использованные вами предметы вместе с  собранной ртутью сложите в  баночку и вынесите на улицу. Все места, куда могла попасть ртуть, можно засыпать хлоркой, хлорамином или любым дезинфицирующим средством, содержащим хлор. Подойдут даже хлорсодержащие отбеливатели. Рассыпанный порошок следует смочить (именно смочить, а не за­лить) водой и оставить на несколько часов. За это время ртуть превратится в  хлорид ртути(II) или оксид ртути(II) (в зависимости, что вы использовали). Теперь аккуратно соберите кашицу и  сложите ее в  полиэтиленовый пакет. Остатки хлорки уберите влажной

47

тряпкой, положите ее в тот же пакет и отнесите на помойку. Вместо хлорки ртуть можно обработать насыщенным раствором хлорида железа(III), который окисляет металл: 2FeCl3 + 2Hg = 2FeCl2 + Hg2Cl2. Через сутки соберите раствор сухой тряпкой (разумеется, в резиновых перчатках). Можно применить настойку иода или раствор марганцовки: Hg + I2 + 2KI = K2[HgI4] К сожалению, ни хлорид железа, ни иодную настойку нельзя использовать на паркетном полу, а иод еще и на линолеуме. Ртуть можно засыпать серой, однако реакция Hg + S = HgS протекает лишь на поверхности ртутных шариков. А из глубины ртуть продолжает спокойно испаряться. Давление насыщенного пара ртути при комнатной температуре составляет ~ 0,1 Па, поэтому возможно отравление парами ртути. Следовательно, этот способ для полной утилизации ртути не подходит. (См. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В. А. Володин. – М.: Аванта+, 2001. – С. 294.) Литература

1. Трифонов Д. Н, Трифонов В. Д. Как были открыты химические элементы. – М.: Просвещение, 1980. – С. 26. 2. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Т.2.  – М.: Мир, 1972.  – С. 818–824, 830–836. 3. Степин Б. Д., Аликберова Л. Ю. Книга по химии для домашнего чтения. – М.: Химия, 1994. – С. 222, 245, 255, 277.


Министерство связи РФ

ф. СП-1

АБОНЕМЕНТ на журнал (индекс издания)

Кол-во комплектов

2

Куда

3

4

5

6

7

(почтовый индекс)

8

9

10

11

12

(адрес)

Кому

(фамилия, инициалы)

Доставочная карточка на журнал ПВ

место

литер

(индекс издания)

«ХИМИЯ ДЛЯ ШКОЛЬНИКОВ» (наименование издания)

Стоимость

подписки доставки

___ руб. ___ коп. ___ руб. ___ коп.

Количество комплектов:

на 2011 год по месяцам: 1

Куда

(почтовый индекс)

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

I полугодие

на 2011 год по месяцам: 1

Подписка — 2011

(наименование издания)

Внимание! Подписную цену с учетом почтового сбора вы можете узнать в своем отделении связи.

Подписаться можно с 1 сентября до 30 ноября 2010 г. Журнал «Химия для школьников» (2 номера) Подписной индекс 80485

БЛАНК ПОДПИСКИ ПО КАТАЛОГУ «Газеты. Журналы» агентства «Роспечать»

«ХИМИЯ ДЛЯ ШКОЛЬНИКОВ»

(адрес)

Кому (фамилия, инициалы)

Извещение

ООО «Школьная Пресса» ИНН/КПП 7710301559/771501001 Сбербанк России, г. Москва, Марьинорощинское ОСБ № 7981/1670 Р/с 40702810438050103814 К/с 30101810400000000225 БИК 044525225

Индекс, адрес

Назначение платежа

Дата

Сумма

Укажите название журнала: «Химияиндекс, для школьников»

270

руб.

(в том числе 10% НДС)

Кассир Квитанция

Подписка на II полугодие 2011 г.

Плательщик

(Подпись)

ООО «Школьная Пресса» ИНН/КПП 7710301559/771501001 Сбербанк России, г. Москва, Марьинорощинское ОСБ № 7981/1670 Р/с 40702810438050103814 К/с 30101810400000000225 БИК 044525225 Информация о плательщике Ф.И.О. Индекс, адрес

Назначение платежа

Дата

Укажите индекс, название журнала:

«Химия для школьников»

270

Плательщик

руб.

(в том числе 10% НДС)

Подписка на II полугодие 2011 г.

Кассир

Сумма

(Подпись)

I полугодие

Ф.И.О.

Подписка — 2011

УСЛОВИЯ ПОДПИСКИ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ: 1. Заполните бланк. Оплатите подписку через Сбербанк РФ 2. Пришлите копию квитанции об оплате по адресу: 127254, г. Москва ул. Руставели, д. 10, корп. 3.

Подписка продлена до 31 декабря 2010 г. Доставка по России осуществляется за счет издательства Подписная цена 270 руб. (за 2 номера)

БЛАНК ПОДПИСКИ В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ

Информация о плательщике


Издательство

«Школьная Пресса»

представляет новый практический журнал

«Физика для школьников»

(Объем 64 с., формат 84х108/16)

Периодичность — 4 раза в год

Журнал «Физика для школьников» издается редакцией журнала «Физика в школе» (гл. редактор — к. п. н. С. В. Третьякова).

Цели журнала вызвать у школьников интерес к физике как учебному предмету и к физике как науке, связанной с дальнейшим профессиональным обучением;

повысить уровень подготовленности учеников к сдаче экзаменов по физике

Рубрики журнала, их содержание «Иду на урок»

Разбор трудных тем учебника, помощь по применению информационнокомпьютерных технологий, решение задач, ответы на вопросы школьников

«Эксперимент» Проведение лабораторных работ и опытов «Готовимся к ЕГЭ» Анализ и разбор экзаменационных заданий, оформление работ, критерии их оценки

«Мое портфолио» Создание портфолио ученика для поступления

в профильную школу или вуз; рекомендации, памятки, образцы Решение задач нетрадиционными методами;

«Физика+» публикация материалов, отражающих прикладной характер знаний и умений и раскрывающих межпредметные связи

«За страницами учебника»

Осуществление проектно-исследовательской деятельности: требования к работам, интернет-ссылки по темам исследований, региональные творческие конкурсы и др.

«Выбор профессии»

Ознакомление с вузами и специальностями, ориентированными на предмет

«Советуем прочитать», «Интересно, что…»

Исторические факты, новости науки и техники и др.

Подписка на журнал «Физика для школьников» осуществляется по каталогу «Газеты. Журналы» агентства «Роспечать» Подписной индекс 79011


Химия для школьников, 2010, № 3, с. 1—64

Подписной индекс: 80485

Подписка — 2011. I полугодие Дорогие друзья! Для комплектования библиотек предлагаем подписаться по льготной цене на комплект журналов для школьников: 1) «Биология для школьников» (2 номера) 2) «География для школьников» (2 номера) 3) «История и обществознание для школьников» (2 номера) 4) «Математика для школьников» (2 номера) 5) «Русский зык и литература для школьников» (4 номера) 6) «Химия для школьников» (2 номера) 7) «Физика для школьников» (2 номера) Подписной индекс 81496, каталожная цена комплекта 1920 руб. Внимание! Каталожная цена не включает почтовый сбор. Подписную цену с учетом доставки вы можете узнать в своем отделении связи.

Химия для школьников  

Химия для школьников

Read more
Read more
Similar to
Popular now
Just for you