Хімія 9 клас Попель 2022

ХiМiЯ 9 клас ПАВЛО ПОПЕЛЬ, ЛЮДМИЛА КРИКЛЯ

КЛАС

2022

ХiМiЯ.9

ХiМiЯ ПАВЛО ПОПЕЛЬ, ЛЮДМИЛА КРИКЛЯ

ПІДРУЧНИК

9

КЛАС

Вода Розчини Хімічні реакції

Найважливіші органічні сполуки Хімія і людство

ПАВЛО ПОПЕЛЬ, ЛЮДМИЛА КРИКЛЯ

ХiМiЯ ПІДРУЧНИК

для 9 класу закладів загальної середньої ередньої освіти 2-ге ге видання, перероблене ерероблене

РЕКОМЕНДОВАНО Міністерством освіти і науки України Київ Видавничий центр «Академія» 2022

Шановні дев’ятикласники і дев’ятикласниці! На уроках хімії у 8 класі ви дізналися багато нового і цікавого про хімічні елементи та різні речовини. Вам стало відомо, що в хімії порції речовин оцінюють за кількістю атомів, молекул, йонів, які в них містяться. Читаючи підруч& ник і виконуючи досліди, ви вивчили властивості найважливі& ших неорганічних сполук — оксидів, основ, кислот, амфотер& них гідроксидів, солей. Тепер ви знаєте, як було відкрито періодичний закон — основний закон хімії, що встановлює залежність хімічного характеру елементів, властивостей їхніх простих і складних речовин від зарядів ядер атомів. Речовини існують завдяки тому, що атоми, молекули, йони можуть сполучатися між собою. Таку взаємодію частинок називають хімічним зв’язком. Знаючи будову речовини, можна прогнозувати її властивості. У цьому навчальному році ви дізнаєтесь про водневий зв’я& зок, ознайомитесь із процесами, які відбуваються у водних розчинах різних речовин, довідаєтесь про нові типи хімічних реакцій, особливості їх перебігу, а також отримаєте відомості про найважливіші органічні сполуки, у тому числі й ті, що містяться в рослинах, тваринах і організмі людини.

Як користуватися підручником Робота з підручником буде ефективнішою, якщо знати і розуміти його структуру. На початку кожного параграфа вказано, яке значення має для вас викладений навчальний матеріал, а в кінці параграфів сформульовано висновки. Текст, відмічений зліва вертикаль& ною кольоровою лінією, призначений для тих, хто бажає роз& ширити й поглибити свої знання з хімії. Додаткову інформа& цію і цікаві факти вміщено на полях. Основнi визначення виді& лено кольором, а новi термiни, важливі твердження і слова з 3

логічним наголосом — курсивом. Текст до лабораторних дослi& дiв і практичних робiт подано на кольоровому тлi. Після кожного параграфа наведено запитання, вправи, зав& дання і задачі різних типів; вони розміщені переважно за зрос& танням складності. У кінці підручника містяться відповіді до деяких вправ і задач, словник термінів, а також предметний покажчик, за допомогою якого можна швидко знайти сторінку підручника з відомостями про певний термін, речовину, явище тощо. Крім того, для тих, хто цікавиться хімією, наведено список відпо& відної літератури і назви інтернет&сайтів. За QR&кодами ви зможете відшукати в інтернеті розширену інформацію про визначних учених&хіміків, будову молекули води, водневий зв’язок, спостерігати деякі досліди з речовинами. Вдумлива робота з підручником допоможе вам глибше усві& домити зв’язок між складом, будовою і властивостями речовин, навчитися прогнозувати й пояснювати хімічні перетворення.

Хімічний експеримент Як і раніше, ви будете виконувати різні досліди на уроках хімії, а також удома, отримавши дозвіл батьків або рідних. Упевнені, що вони будуть для вас пізнавальними і цікавими. Під час проведення дослідів будьте уважними й дот& римуйтеся правил роботи і безпеки. Нагадуємо, що до практичних робіт потрібно готуватися заздалегідь. Варіант практичної роботи і завдання, які вам належить виконати, укаже вчитель або вчителька. Здійснюючи хімічний експеримент, дуже важливо занотову& вати всі дії та спостереження. Намагайтеся завжди пояснюва& ти результати дослідів і робити відповідні висновки. Бажаємо вам успіхів у навчанні!

Автори

1

розділ

Вода. Розчини

Кожний із вас, почувши слово «розчин», передусім уявить прозору рідину — безбарвну чи забарвлену, а також згадає про воду, яка є компонентом багатьох розчинів. Чому вода розчиняє деякі речовини? Чи існує зв’язок між будовою речовини та її роз& чинністю у воді? Що відбувається під час утво& рення розчину? Відповіді на ці та інші запитан& ня ви знайдете, уважно прочитавши параграфи першого розділу підручника. Дізнаєтеся і про те, які частинки містяться в розчинах основ, кислот, солей, зрозумієте суть хімічних реак& цій між розчиненими речовинами.

1

Суміші речовин. Розчини Матеріал параграфа допоможе вам: пригадати типи сумішей речовин; з’ясувати, які розчини називають колоїдними; дізнатися про види неоднорідних сумішей; отримати інформацію про значення водних роз чинів.

5

Суміші речовин. Чим схожі між собою по& вітря, морська вода, нафта, молоко, ювелір& ний сплав, зубна паста? Це — суміші речовин. Ви знаєте, що вони бувають однорідними і неоднорідними. Розчини. У будь&якій однорідній суміші рівномірно розподілені найдрібніші частинки речовин — атоми, молекули, йони. Однорідні суміші називають розчинами. Розчини можуть бути не лише рідкими, а й твердими і газуватими (мал. 1).

Мал. 1. Розчини: а — водний розчин солі CuSO4; б — сплав міді й алюмінію (1 гривня випуску 2001 р.); в — суміш газів NO2 і О2;

а

б

в

Вам відомо, що компонентами розчину є розчинник і одна або кілька розчинених речо& вин. Розчинником обирають речовину, яка перебуває в такому ж агрегатному стані, що й розчин, а в разі однакового агрегатного стану всіх компонентів — речовину, маса якої пере& важає. Якщо розчин містить воду, то за тради& цією саме її називають розчинником. Вода розчиняє багато речовин. Це — один із найкращих розчинників. Найважливішими серед органічних розчинників є спирти — ети& ловий і метиловий. Розрізняють концентровані та розбавлені розчини.

6

Властивості розчину в усіх частинах його об’єму одні й ті самі; вони відрізняються від властивостей компонентів. Наприклад, вод& ний розчин кухонної солі замерзає за темпера& тури, нижчої від 0 °С, закипає за температу& ри, яка перевищує 100 °С, і, на відміну від води й кристалів натрій хлориду, проводить електричний струм. Колоїдні розчини. Водні розчини крохмалю і натрій хлориду на вигляд однакові — безбарв& ні й прозорі. Однак якщо на кожний розчин спрямувати промінь світла, то його «шлях» можна побачити лише в розчині крохмалю (мал. 2). Світло розсіюють молекули цієї речо& вини, кожна з яких містить тисячі сполуче& них атомів. Таке саме явище спостерігається під час проходження сонячних променів крізь туман (мал. 3) або запилене повітря. У першо& му випадку світло відбивають дрібні краплин& ки води, у другому — часточки пилу.

Мал. 2. Проходження променя світла крізь розчин крохмалю

Цікаво знати Розмір молекули води — 0,25 нм.

Мал. 3. Сонячні промені в лісі

Розчини, які містять великі молекули речо& вин або скупчення багатьох атомів чи молекул, називають колоїдними, а ті, в яких перебувають найдрібніші частинки розчинених речовин — окремі атоми, молекули, йони, — істинними. Розміри частинок речовин у колоїдних роз& чинах становлять від 1 до 100 нм (1 нм = 10–9 м), а в істинних — не перевищують 1 нм.

7

Колоїдні розчини досить стійкі; в них частинки речовини не осідають у рідині про& тягом тривалого часу. Одна із причин цього — наявність на поверхні цих частинок одно& йменних електричних зарядів (тому частинки відштовхуються одна від одної та не «злипа& ються»). Прискорити осадження частинок можна нагріванням колоїдного розчину або розчиненням у ньому будь&якої солі. Колоїдні розчини дуже поширені в живій природі. Серед них — кров, плазма крові, міжклітинні рідини, соки рослин. Неоднорідні суміші. У будь&якій неоднорід& ній суміші можна помітити тверді часточки або крапельки речовин, пухирці газів (мал. 4).

а Мал. 4. Неоднорідні суміші: а — суміш порошку крейди і води; б — пемза (вулканічне скло); в — краплинки дезінфекційного засобу в повітрі

8

б

в

Деякі неоднорідні суміші мають загальні назви. Коли наливаємо у склянку газований напій чи додаємо у воду рідкий пральний засіб, інтенсивно перемішуючи, утворюється піна — неоднорідна суміш газу і рідини. Ця суміш нестійка; газ швидко виходить із ріди& ни. Пінопласт, пінобетон, пінометал — також піни. Основу кожного матеріалу становить тверда речовина, в якій містяться бульбашки газу. Молоко, майонез, косметичні креми — неоднорідні суміші, головними компонента& ми яких є рідини (вода й рідкі жири), що не розчиняються одна в одній. Такі суміші нази& вають емульсіями. Рідина з добре переміша& ною нерозчинною й подрібненою твердою речовиною — це суспензія. Суспензіями є

суміші води з борошном, глиною, деякі лікар& ські препарати. Емульсії та суспензії нестійкі, з часом вони розшаровуються на окремі ком& поненти. Повітря не завжди прозоре. У ньому іноді зависають краплинки води, що утворюють туман. Під час пожежі в повітря надходять тверді часточки сажі, інших речовин і з’яв& ляється дим. Запилене повітря трапляється над будівельними майданчиками, у степу за сильного вітру. Суміші повітря з краплинка& ми рідин, часточками твердих речовин нази& вають аерозолями1. Аерозоль утворюється, наприклад, коли розпиляємо з балончиків фарбу або рідкий засіб проти комах. Які види неоднорідних сумішей зображено на малюнку 4? Неоднорідні суміші, в яких дрібні2 тверді часточки, краплинки, пухирці однієї або кількох речовин розподілені в об’ємі іншої речовини, називають дисперсними3 система ми. До них зараховують піни, емульсії, сус& пензії, аерозолі, а також колоїдні розчини. Значення розчинів. Різні речовини, розчи& няючись у воді річок, морів, океанів, «подоро& жують» планетою, беруть участь у хімічних реакціях з утворенням мінералів, компонен& тів ґрунту. Розчини надходять у рослини через коріння і листя, а в організми тварин і людини — разом із харчовими продуктами, постачаючи необхідні речовини та хімічні елементи. Хімічні реакції в живих організмах відбу& ваються лише у водних розчинах (переважно колоїдних). У процесах травлення беруть участь слина, шлунковий сік, жовч. Разом із 1

Слово походить від грецького аёr — повітря. Розміром 10–4—10–9 м.

3 Термін походить від латинського слова dispersio — розсіяння.

2

9

сечею і птом з організму виводяться продукти життєдіяльності, а іноді й токсичні речовини. Вода, яку ми п’ємо, насправді є дуже роз& бавленим розчином. У ній розчинені малі кількості різних речовин1, які надають їй ледь відчутного особливого смаку. За наявнос& ті в природній воді певних речовин і йонів вона може мати лікувальні властивості, віднов& лювати сольовий баланс в організмі. Багато рідких ліків є водними розчинами. Без води і водних розчинів не можуть працю& вати металургійні та хімічні заводи, підприєм& ства легкої та харчової промисловості, побуто& вого обслуговування, медичні установи. Тверді розчини, наприклад сплави металів, широко використовують у ракетно&космічній галузі, літако& і машинобудуванні, техніці. Ми дихаємо повітрям — природним газо& вим розчином, споживаючи з нього частину кисню. Якби людина постійно дихала чистим киснем, то процеси окиснення в організмі від& бувалися б дуже інтенсивно, і в ньому сталися б серйозні порушення.

ВИСНОВКИ

Суміші речовин бувають однорідними й неоднорідними. В однорідних сумішах, або розчинах, рівномірно розподілені між собою атоми, молекули, йони речовин. У неоднорід' них сумішах можна візуально виявити окремі компоненти. Суміші, в яких дрібні часточки, краплинки, пухирці однієї або кількох речовин розподіле' ні в об’ємі іншої речовини, називають дис' персними системами. До них належать піни, емульсії, суспензії, аерозолі, а також колоїдні 1 Пити лише чисту (дистильовану) воду не можна, бо організм не отримуватиме необхідні елементи в достатній кількості й із нього «вимиватимуться» потрібні речовини.

10

розчини. Колоїдний розчин, на відміну від істинного, містить великі молекули або скуп' чення частинок однієї з речовин. За участю водних розчинів відбуваються біологічні процеси в організмах. Розчини широко використовують у промисловості, медицині, інших галузях.

?

1. Чим різняться розчин і неоднорідна суміш речовин?

2. Розчин, який містить 100 г етилового спирту і 30 г води, один учень назвав концентрованим, а інший — розбавленим. Яку рідину кож ний учень вважав розчинником?

3. У двох склянках без етикеток містяться дистильована вода і водний розчин кухонної солі. Як експериментально розрізнити ці рідини?

4. Які розчини називають колоїдними? Чим вони відрізняються від істинних розчинів?

5. Про що свідчить відсутність видимого шляху проходження світла крізь водні розчини глюкози, натрій гідроксиду?

6. Чи можна стверджувати, що соки полуниці, чорної смородини є розчи нами і містять кілька розчинених речовин? Відповідь аргументуйте.

7. Що спільне і що відмінне в суспензії та емульсії?

8. Скориставшись інтернетом, підготуйте повідомлення про пінобетон і його застосування. Які переваги має цей матеріал порівняно зі зви чайним бетоном?

9. Оцініть значення розчинів у вашому побуті.

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Виготовлення колоїдних розчинів 1. Виготовлення колоїдного розчину крохмалю1. Помістіть у склянку 1/2 чайної ложки крохмалю, додайте 50 мл холодної води і перемішайте суміш. Налийте в невелику посудину приблизно 200 мл води і нагрійте до кипіння. Обережно, перемішуючи, вливайте в киплячу воду суміш води з крохмалем. Утворюватиметься колоїдний розчин.

1

Колоїдний розчин можна також виготовити, використавши борошно із пшениці, рису, гороху.

11

Продовження Тільки но він закипить, припиніть нагрівання і залиште розчин охо лоджуватися. Спрямуйте промінь світла від ліхтарика на виготовлений розчин. Що спостерігаєте? З’ясуйте, чи виділятиметься крохмаль із колоїдного розчину під час додавання розчину кухонної солі. Для цього розчиніть чайну ложку солі у 50 мл води і влийте цей розчин у колоїдний розчин крох малю. Які зміни відбуваються в рідині протягом 5—15 хв.?

2. Приготування киселю та ягідного желе. Змішайте у склянці столову ложку крохмалю і 200 мл холодної води. У посудину налийте 2 л води, закип’ятіть її, додайте ягоди і цукор (за смаком). Приблизно через 15 хв. у киплячу суміш1 почніть дода вати, перемішуючи, суміш води з крохмалем. Кип’ятіть приготовле ний кисіль протягом 3—5 хв. Ягідне желе готують так само, як і кисіль, але беруть більше крох малю. Гаряче желе одразу розливають у форми і залишають застига ти за кімнатної температури.

2

Будова молекули води. Водневий зв’язок Матеріал параграфа допоможе вам: пригадати будову молекули води; зрозуміти суть водневого зв’язку.

Будова молекули. Хімічна формула води Н2О відома кожному з вас. Це — молекулярна речовина. Електронна і графічна формули молекули води ..

H : ..

O: H–O ⎢ H H 1

12

Рідину можна відокремити від ягід.

вказують на те, що два атоми Гідрогену сполу& чені з атомом Оксигену простим ковалентним зв’язком. Який зв’язок називають ковалентним? Яка особливість електронної будови атома зумовлює утворення такого зв’язку з ін& шим атомом? Звернемо увагу на будову атомів Гідрогену та Оксигену: 2p 2s 1Н

1s1; 1s

;

8O

1s22s22p4; 1s

Кожний зв’язок у молекулі води утворений електроном атома Гідрогену та електроном атома Оксигену в p&орбіталі. Два таких електро& ни атома Оксигену, які беруть участь у цих зв’язках, є неспареними й перебувають у різних орбіталях. Оскільки р&орбіталі розташовані перпендикулярно одна до одної, молекула води має кутову будову1. Щоправда, кут між прями& ми, що з’єднують центри атомів Гідрогену й Оксигену, становить не 90°, а 104,5° (мал. 5):

Мал. 5. Моделі молекули води: а — кулестержнева; б — масштабна

а

б

Спільні електронні пари в молекулі води зміщені від атомів Гідрогену до більш елек& тронегативного атома Оксигену; зв’язок О–Н 1

Таке пояснення будови молекули води є спрощеним.

13

є полярним. На атомі Оксигену зосереджений невеликий негативний заряд, а на кожному з двох атомів Гідрогену — позитивний:

0 < δ < 1 (δ = 0,17) Молекула води з боку атома Оксигену зарядже& на негативно, а з протилежного боку, де пере& бувають атоми Гідрогену, — позитивно. Таку молекулу називають полярною; вона є дипо& лем1, тобто має два різнойменно заряджені полюси. Її умовно зображають еліпсом зі зна& ками «+» і «–» без зазначення величин зарядів:

Полярність молекули води істотно впливає на властивості цієї речовини. Водневий зв’язок. Молекули&диполі води можуть притягуватися одна до одної, а сме δ+

2δ–

атом Н однієї молекули — до атома О іншої. Крім того, до позитивно зарядженого атома Гідрогену притягуються також «неподілені» електронні пари атома Оксигену іншої моле& кули води.

Електростатичну взаємодію між молекулами за участю атомів Гідрогену і найбільш електронегативних еле' ментів називають водневим зв’язком. Водневий зв’язок позначатимемо трьома крапками: Н · · · О. Цей зв’язок значно слабший за ковалентний. Обов’язкова умова його утво& рення — наявність у молекулі речовини атома Гідрогену, сполученого з атомом Флуору, Оксигену або Нітрогену. Водневі зв’язки існують у воді, етиловому спирті, кислотах, білках, а також між моле& 1

Термін походить від грецьких префікса di(s) — двічі і слова polos — полюс.

14

https://youtube. com/watch?v= sBZfPmIcS E

https://youtube. com/watch?v= moITG5Q7zzI

кулами цих речовин і води в розчинах. Щоми& ті частина водневих зв’язків руйнується, але водночас утворюються нові зв’язки. У воді кожна молекула сполучена водневи& ми зв’язками із чотирма іншими молекулами (мал. 6). Унаслідок взаємного притягання молекул вода кипить за значно вищої темпе& ратури, ніж, наприклад, рідкий метан СН4, в якому немає водневих зв’язків. (Про утворен& ня і будову молекул води, водневий зв’язок у воді та льоду можете дізнатися більше за покли& каннями в QR&кодах.)

Мал. 6. Водневі зв’язки молекули води

Водневі зв’язки відіграють важливу роль у живих організмах. Завдяки цим зв’язкам білки набувають певної структури (просторо& вої будови), що надає їм змогу виконувати особливі функції. Водневий зв’язок існує також у нуклеїнових кислотах — сполуках, які «відповідають» за збереження, передаван& ня й відтворення генетичної інформації.

ВИСНОВКИ

Молекула води містить ковалентні полярні зв’язки О–Н, має кутову форму і є полярною. На атомах Гідрогену молекули води зосере' джені невеликі позитивні заряди, а на атомі Оксигену — невеликий негативний заряд. Молекули води притягуються одна до одної внаслідок електростатичної взаємодії між 15

атомами Гідрогену й Оксигену різних моле' кул. Таку взаємодію називають водневим зв’язком. Водневі зв’язки існують у сполуках, молекули яких містять, крім атомів Гідроге' ну, атоми Флуору, Оксигену, Нітрогену.

?

10. Поясніть, чому молекула води має кутову форму.

11. Чим різняться кулестержнева і масштабна моделі молекули?

12. Що таке водневий зв’язок? Завдяки чому він утворюється між частинками?

13. Спробуйте пояснити істотну відмінність між температурами плав лення льоду (0 °С) і метану (–182,5 °С).

14. Чому, на вашу думку, водневий зв’язок існує в рідкому амоніаку NH3, але не утворюється в газуватій сполуці?

15. Яким є співвідношення мас елементів у воді?

16. Обчисліть кількості атомів Гідрогену й атомів Оксигену в 1 мг води.

3

Утворення розчину Матеріал параграфа допоможе вам: зрозуміти, що відбувається під час утворення розчину; пояснювати тепловий ефект розчинення речо вини.

Утворення розчину. Процес утворення роз& чину є складним; крім фізичних явищ, він часто охоплює й хімічні. Розглянемо, як відбувається розчинення у воді йонної речовини. Зануримо її кристал у воду. Молекули води одразу притягуються до кожного йона, розміщеного на поверхні кри& стала, своїми протилежно зарядженими части& нами (мал. 7). Якщо сили такої взаємодії пере& важають над силами притягання між катіона& 16

+

+ – – + Cl– Na+ Cl– Na+ – – Na+ Cl– Na+ Cl– +

⇒

Cl– Na+ Cl– Na+ – + Na+

Cl–

Na+ Cl– + –

+

+ – + –

– +

Мал. 7. Розчинення йонного кристала у воді

–

+

–

+

–

+

– – Na+ – – + + –

–

–

+ + +

+

–

Cl– +

+ –

+

–

гідратований йон Натрію

гідратований йон Хлору

— молекула диполь води

ми й аніонами в кристалі, то йони поступово відокремлюються один від одного і переходять у воду. Кристал розчиняється. У розчині, що утворюється, містяться йони розчиненої речо& вини, сполучені з молекулами води. Такі частинки називають гідратованими1. Зобразіть у зошиті гідратовані катіон Барію і гідроксид&іон. Розчинення молекулярних речовин у воді може відбуватися по&різному. Якщо молекули кисню, спирту чи цукру, потрапляючи у воду, не зазнають змін, то молекули хлороводню, сульфатної кислоти розпадаються на йони (§ 7). Розчинення у воді вуглекислого газу супрово& джується хімічною реакцією — утворенням карбонатної кислоти. Щоправда, з водою реагує лише незначна частина карбон(IV) оксиду. Процес утворення водного розчину, який не супроводжується хімічною реакцією, можна поділити на три стадії: 1. Взаємодія частинок речовини і молекул води завдяки наявності в них електрич& них зарядів.

1

Розчинення натрій хлориду у воді можна проілюструвати схемою NaCl + (m + n)H2O → Na+ · mH2O + Cl– · nH2O.

17

2. Руйнування хімічних зв’язків у речови& ні, відокремлення її частинок одна від одної під впливом молекул води.

3. Дифузія речовини і води, тобто проник& нення частинок однієї речовини між частинками іншої (мал. 8). Якщо у воді розчиняється газ, другої стадії в цьому процесі немає.

KMnO4

Мал. 8. Дифузія забарвлених йонів MnO4– у воді під час розчинення калій перманганату

Для того щоб тверда речовина розчинялася швидше, її подрібнюють, збільшуючи в такий спосіб поверхню контакту частинок речовини з розчинником. Крім того, розчинення здій& снюють, перемішуючи, а іноді й нагріваючи суміш речовини і розчинника. Тепловий ефект розчинення. Утворення розчину супроводжується виділенням або поглинанням теплоти. Виникнення теплового ефекту під час роз& чинення можна пояснити так. Взаємодія частинок речовини і молекул води (перша ста& дія розчинення) відбувається з виділенням теплоти. Роз’єднання йонів або молекул речо& вини (друга стадія розчинення) потребує витрати енергії; у цьому разі теплота поглина& ється. Якщо на першій стадії розчинення виділяється більше теплоти, ніж поглинаєть& ся на другій стадії, то розчин розігрівається, а якщо навпаки — розчин охолоджується. Змішуючи етиловий спирт або сульфатну кислоту з водою, виявимо розігрівання розчи& 18

ну (у другому випадку — досить сильне). При& чина полягає в тому, що на другій стадії розчи& нення цих речовин поглинається мало тепло& ти, оскільки молекули спирту або кислоти притягуються одна до одної дуже слабо. Готуючи розбавлений розчин сульфатної кислоти, концентрований розчин кислоти нали вають у воду, а не навпаки. Додають його повільно, невеликими порціями, постійно пере мішуючи й охолоджуючи посудину проточною водою (мал. 9). Якщо ж наливати воду в концен тровану кислоту, то утворюваний розчин може навіть закипіти, а бризки кислоти — потрапити на шкіру й спричинити сильні хімічні опіки.

Мал. 9. Приготування розбавленого розчину сульфатної кислоти

Іноді виявити тепловий ефект розчинення не вдається (наприклад, коли розчиняємо кухонну сіль у воді). Насправді він є, але не& значний. З метою зменшення відчуття болю в разі трав ми практикують охолодження частини тіла. Для цього часто використовують кріопакети. Це пакет із полімерною оболонкою, поділений на дві частини. В одній із них міститься амоній нітрат NH4NO3, а в другій — вода. Маса солі перевищує масу води. Щоб охолоджувальний засіб «запра цював», відкривають перетинку між його части нами. Сіль змішується з водою і починає розчиня тися. Це супроводжується істотним зниженням температури (навіть трохи нижче за 0 °С).

19

ВИСНОВКИ

Утворення розчину — складний фізико' хімічний процес. Під час розчинення речови' ни відбувається електростатична взаємодія її молекул або йонів із молекулами води, відок' ремлення частинок речовини одна від одної та перехід їх у розчинник. Роз’єднання молекул, йонів речовини супроводжується поглинанням теплоти, а в разі гідратації цих частинок теплота виді' ляється.

?

17. Опишіть явища, які відбуваються під час розчинення речовини у воді.

18. Чим різняться процеси розчинення цукру у воді та магнію в хлорид ній кислоті?

19. Як можна досягти швидкого розчинення твердої речовини в рідко му розчиннику?

20. У якому випадку розчинення речовини відбувається: а) з виділенням теплоти; б) з поглинанням теплоти?

21. Чи залежить тепловий ефект розчинення речовини від її агрегатно го стану? Відповідь аргументуйте.

22. Чому, на вашу думку, під час утворення водного розчину натрій нітрату температура рідини знижується, а в разі розчинення нітрат ної кислоти у воді — підвищується?

4

Кристалогідрати Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, які сполуки називають кристалогідра тами; розв’язувати задачі про кристалогідрати.

20

Вода може не лише розчиняти речовини, а й реагувати з ними. Під час взаємодії води з деякими солями утворюються сполуки (також — солі), які, крім відповідних катіонів і аніонів, містять молекули води. Це можна підтвердити за допомогою експерименту. Якщо до білого порошку купрум(ІІ) сульфату додавати воду, то тверда речовина спочатку набуває блакитного кольору (мал. 10), а потім розчиняється. У розчині накопичуються гідратовані йони Cu2+ і SO2– 4 . Під час нагріван& ня цього розчину вода випаровується, і згодом у рідині з’являються кристалики не білого, а блакитного кольору.

Мал. 10. Взаємодія солі CuSO4 з водою

У розглянутому досліді купрум(ІІ) сульфат перетворився на нову речовину. Її формула — CuSO4 • 5H2O (вимовляємо: купрум&ес&о&чоти& ри&на&п’ять&аш&два&о). Тривіальна назва спо& луки — мідний купорос1, а хімічна — купрум(ІІ) сульфат пентагідрат. У назвах таких речовин до слова «гідрат» додають пре& фікс, що походить від грецьких числівників: моно& (1), ди& (2), три& (3), тетра& (4), пента& (5), гекса& (6), гепта& (7), окта& (8), нона& (9)2, дека& (10) і т. д. Крапка в хімічній формулі означає, що мідний купорос — це сполука купрум(ІІ) 1 Сполуку використовують у сільському господарстві для боротьби зі шкідниками та хворобами рослин.

2 Префікс «нона» походить від латинської назви числівника.

21

сульфату і води, а не суміш цих речовин чи водний розчин купрум(ІІ) сульфату. У сполуці на кожну пару йонів — Cu2+ і SO2– 4 — припадає п’ять молекул води. Рівняння реакції утворення мідного купо& росу: CuSO4 + 5H2O = CuSO4 · 5H2O. купрум(ІІ) сульфат (безводна сіль)

купрум(ІІ) сульфат пентагідрат

Кристалічні речовини, у складі яких містяться молеку' ли води, називають кристалогідратами. Кристалогідрат СuSO4 · 5H2O

Відомо багато кристалогідратів. Серед них — гіпс CaSO4 · 2H2O (мал. 11), залізний купорос FeSO4 · 7H2O, гірка сіль MgSO4 · 7H2O, кристалічна сода Na2CO3 · 10H2O.

Мал. 11. Природні кристали гіпсу

Дайте хімічні назви цим кристалогідратам. Воду, яка є складником кристалогідратів, називають кристалізаційною. Часто кристалогідрати і відповідні безводні сполуки мають різне забарвлення (мал. 12). Під час нагрівання кристалогідрати розкла& даються з виділенням води: t

CuSO4 · 5H2O = CuSO4 + 5H2O↑.

22

CuSO4 ⋅ 5H2O

Мал. 12. Кристалогідрати і безводні солі

CoCl2 ⋅ 6H2O

CuSO4

CoCl2

Чимало солей, які виготовляють на хімічних заводах і постачають у хімічні лабораторії, є кристалогідратами. Серед реактивів, що збері& гаються в шкільному хімічному кабінеті, ви не знайдете безводних барій хлориду, магній сульфату, алюміній нітрату та багатьох інших розчинних солей. На етикетках упаковок із речовинами побачите формули BaCl2 · 2H2O, MgSO4 · 7H2O, Al(NO3)3 · 9H2O. Розв’язування задач. Кристалогідрати вико& ристовують для здійснення хімічних реакцій, приготування розчинів. Розглянемо, як розв’я& зують задачі, в яких ідеться про кристало& гідрати. ЗАДАЧА 1. Обчислити маси безводної солі та кристалізаційної води у мідному купоросі масою 25 г. Дано:

Розв’язання

1. Розраховуємо молярні маси купрум(ІІ) суль& m(CuSO4 · фату і мідного купоросу: · 5H2O) = 25 г М(CuSO4) = 64 + 32 + 4 · 16 = 160 (г/моль); m(CuSO4) — ? М(CuSO4 · 5H2O) = М(CuSO4) + 5М(H2O) = m(Н2О) — ? = 160 + 5 · 18 = 160 + 90 = 250 (г/моль).

2. Обчислюємо масу безводної солі в мідному купоросі масою 25 г (складанням пропорції): 23

у 250 г CuSO4 · 5H2O міститься 160 г CuSO4, — х г CuSO4; у 25 г CuSO4 · 5H2O х = m(CuSO4) = 16 г.

3. Визначаємо масу кристалізаційної води: m(H2O) = m(CuSO4 · 5H2O) – m(CuSO4) = = 25 – 16 = 9 (г). Відповідь: m(CuSO4) = 16 г; m(Н2О) = 9 г. ЗАДАЧА 2. Визначити масу мідного купоросу, в якій міститься без водна сіль масою 3,2 г. Дано:

Розв’язання

m(CuSO4) = 3,2 г

Розрахувавши молярні маси купрум(ІІ) сульфату і мідного купоросу (див. задачу 1), обчислюємо масу кристалогідрату (складан& ням пропорції): 160 г CuSO4 міститься в 250 г CuSO4 · 5H2O, — в х г CuSO4 · 5H2O; 3,2 г CuSO4 3,2 г · 250 г ——— = 5 г. х = m(CuSO4 · 5H2O) = —————— 160 г Відповідь: m(CuSO4 · 5Н2О) = 5 г .

m(CuSO4 · · 5H2O) — ?

ВИСНОВКИ

Кристалічні речовини, які містять молеку' ли води, називають кристалогідратами. Під час нагрівання вони розкладаються з виді' ленням води. Перед використанням кристалогідрату для здійснення хімічної реакції або виготовлення розчину обчислюють масу безводної сполуки в певній масі кристалогідрату або масу крис' талогідрату, в якій міститься певна маса без' водної сполуки.

?

23. Що таке кристалогідрат?

24. Складіть формули: а) кристалогідрату берилій нітрату, в якому на кожний катіон при падає чотири молекули води; 24

б) кристалогідрату магній хлориду, якщо молекул води у сполуці удвічі більше, ніж усіх йонів. Дайте хімічні назви речовинам.

25. Виконайте розрахунки для кристалогідрату CuCl2 · 2H2O і заповніть таблицю: M(CuCl2)

2M(H2O) M(CuCl2 · 2H2O)

(CuCl2)

(H2O)

26. Обчисліть масу барій гідроксиду, яка міститься в його кристало гідраті масою 6,3 г. Візьміть до уваги, що у формулі цього кристало гідрату — вісім молекул води.

27. У якій масі залізного купоросу FeSO4 · 7H2O міститься безводна сіль масою 38 г?

28. Кристалічна сода Na2CO3 · 10Н2О розкладається під час нагріван ня на кальциновану соду Na2CO3 і водяну пару. Яка маса кристаліч ної соди розклалася, якщо маса порції соди в результаті реакції зменшилася на 9 г?

5

Розчинність речовин Матеріал параграфа допоможе вам: пояснити вираз «розчинність речовини»; з’ясувати, від яких чинників залежить розчин ність різних речовин у воді.

Розчинність. Характеризуючи фізичні влас& тивості будь&якої речовини, зазвичай указу& ють, чи розчиняється вона у воді, спирті, інших розчинниках.

Властивість речовини утворювати з іншою речовиною розчин називають розчинністю. Сульфатна і нітратна кислоти, етиловий спирт, ацетон змішуються з водою в будь& яких співвідношеннях з утворенням розчину. Ці речовини мають необмежену розчинність у 25

воді. Однак для багатьох інших речовин існує межа розчинення. Розчин, у якому за певної температури (іноді — й певного тиску) речовина більше не розчиняється, називають насиченим (мал. 13), а той, у якому ще можна розчинити порцію речовини, — ненасиченим.

Мал. 13. Насичений водний розчин калій бромату KBrO3 над кристалами солі

Як би ви розрізнили насичений і ненасиче& ний розчини? Розчинність речовин можна оцінити кіль& кісно. Для цього вказують максимальну масу речовини, яка може розчинитися в 100 г роз& чинника за певної температури1. Відповідну фізичну величину позначають латинською літерою S (перша літера в латинському слові solvere — розчиняти). Відомості про розчинність деяких сполук у воді наведено в таблиці, розміщеній на фор& заці ІІ. Скориставшись таблицею розчинності, назвіть кислоту, всі солі якої є водорозчин& ними. Здатність речовини розчинятися у воді зале& жить від будови речовини, тобто типу части& 1

Для газу зазвичай указують його максимальний об’єм, який розчи& няється в 100 г або 1 л розчинника за певних температури й тиску.

26

нок, з яких вона складається, а також від зов& нішніх умов — температури, тиску. Залежність розчинності речовин від будо' ви. Багато йонних речовин добре розчиняєть& ся у воді. Таку властивість мають і речовини, які, подібно до води, складаються з полярних молекул, зокрема сполуки галогенів з Гідро& геном — HF, HCl, HBr, HI. Речовини з непо& лярними молекулами, наприклад азот N2, кисень О2, метан CH4, мають дуже малу роз& чинність у воді. Із часів алхіміків існує пра& вило: подібне розчиняється в подібному. Його використовують і нині, хоч існують численні винятки. Залежність розчинності речовин від темпе' ратури. Вплив температури на розчинність речовини здебільшого визначається її агрегат& ним станом. Якщо у склянку налити холодну воду і залишити її в теплому місці, то через деякий час на стінках посудини з’являться пухирці повітря, яке було розчинене у воді (мал. 14). У теплій воді розчинність газів менша, і «зайве» повітря виділяється з неї.

Мал. 14. Виділення бульбашок розчиненого повітря з нагрітої води

Розчинність газів у воді з підвищенням температури зменшується. Залежність розчинності твердих речовин у воді від температури зазвичай є протилежною.

27

Розчинність більшості твердих речовин у воді з підви' щенням температури зростає. Натрій гідроксид, магній нітрат, лимонна кислота і багато інших сполук краще розчи& няються в гарячій воді, ніж у холодній. Наприклад, в 1 л води за температури 20 °С розчиняється приблизно 2 кг цукру, а за тем& ператури 80 °С — 3,6 кг. Розчинність деяких сполук, зокрема каль& цій гідроксиду Ca(OH)2, кальцій сульфату CaSO4, літій сульфату Li2SO4, з підвищенням температури зменшується. Залежність розчинності речовини від тем& ператури часто подають графічно — у вигляді кривої розчинності (мал. 15). На горизонталь&

S (маса речовини в грамах у 100 г води)

Мал. 15. Криві розчинності деяких солей у воді 350

AgNO3 NaI

300

250 KNO3 200

150 K2CO3 100

LiCl CuSO4

50

NaCl Li2SO4 20

28

40

60

80

100 t, °С

ній осі графіка позначають температуру, а на вертикальній — розчинність, тобто макси& мальну масу речовини, яка розчиняється за певної температури в 100 г води. Точки на кривій розчинності відповідають складу наси& чених розчинів, а ділянка під кривою — нена& сиченим розчинам. Згідно з кривими, наведеними на малюнку 15, у 100 г води за температури 90 °С розчи& няється, наприклад, 300 г натрій йодиду, 120 г літій хлориду. Скориставшись малюнком 15, визначте роз& чинність аргентум нітрату у воді за темпе& ратури 30 °С. Залежність розчинності газів від тиску. Якщо відкрити пляшку з газованим напоєм, то вуглекислий газ, який був розчинений у рідині за підвищеного тиску, швидко з неї виділяти& меться; рідина спіниться. Це відбувається тому, що розчин потрапляє в умови звичайного тиску, за якого розчинність газу менша.

Розчинність газів у воді з підвищенням тиску збіль' шується. Розчинність більшості газів у воді прямо пропорційна тиску; відповідний графік є пря& мою лінією. Якщо тиск збільшити в декілька разів, то розчинність газу у воді збільшиться в стільки ж разів (мал. 16).

P1

Мал. 16. Вплив тиску на розчинність газу у воді

P2

P3

P1 < P2 < P3

29

На розчинність у воді твердих і рідких речо& вин тиск не впливає.

ВИСНОВКИ

Здатність речовини утворювати з іншою речовиною розчин називають розчинністю. Більшість речовин має обмежену розчин' ність у воді. Мірою цієї властивості є макси' мальна маса речовини, яка може розчинити' ся за певної температури (для газів — ще й за певного тиску) у 100 г води. Розчин, у якому міститься максимально можлива кількість розчиненої речовини, називають насиченим. Розчинність більшості твердих речовин у воді з підвищенням температури зростає, а від тиску не залежить. Гази збільшують роз' чинність у воді зі зниженням температури й підвищенням тиску.

?

29. Як ви розумієте вираз «розчинність речовини»? Від яких чинників залежить розчинність речовин у воді?

30. Після поступового додавання у воду кількох порцій розчинної крис талічної речовини і тривалого перемішування утворилася неодно рідна суміш. Чим є рідина над кристалами речовини? Як перетво рити цю суміш на однорідну, тобто на розчин?

31. З огляду на будову речовин оцініть здатність сірки, графіту, натрій нітрату, гелію, гідроген броміду розчинятися у воді.

32. Визначте розчинність калій карбонату у воді за температури 70 °С, скориставшись кривою розчинності сполуки (мал. 15).

33. У 10 мл води за температури 20 °С розчинили 20 г аргентум нітра ту. Який розчин було приготовлено — розбавлений чи концентро ваний, насичений чи ненасичений? Для відповіді скористайтеся кривою розчинності сполуки (мал. 15).

34. У 100 г води за нормальних умов розчиняється 2,8 мг азоту. Який максимальний об’єм газу розчиниться за цих умов в 1 л води?

35. За кривою розчинності калій нітрату (мал. 15) визначте: а) мінімальну масу води, в якій розчиниться 20 г солі за 70 °С; б) максимальну масу солі, яку можна розчинити у 80 г води за 50 °С; в) масову частку солі в її насиченому розчині за 60 °С.

30

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Вода — найкращий розчинник для солей Якщо до концентрованого водного розчину кухонної солі повіль но додавати етиловий спирт, то через деякий час у рідині з’являться дрібні кристалики натрій хлориду, які осідатимуть на дно посудини. Розчинність цієї солі у водно спиртових сумішах менша, ніж у воді, а в 100 г чистого спирту за температури 25 °С розчиняється лише 0,065 г натрій хлориду. Аналогічні результати отримаємо в дослідах із розчинами багатьох інших хлоридів, а також нітратів, сульфатів. Майже всі солі, які добре розчиняються у воді, мають дуже малу розчинність в ети ловому спирті, а в бензині, гасі вони нерозчинні. Серед винятків — меркурій(ІІ) хлорид HgCl2; розчинність цієї солі у спирті в кілька разів вища, ніж у воді за тієї самої температури.

НА ДОЗВІЛЛІ

Вирощування кристалів мідного купоросу1 Приготуйте насичений розчин мідного купоросу. Для цього поміс тіть у склянку приблизно 20 г цієї речовини і доливайте невеликими порціями, постійно перемішуючи, гарячу воду до розчинення всіх кристалів. У разі потреби гарячий розчин профільтруйте. Накрийте посудину аркушем паперу і залиште розчин охолоджуватися до кім натної температури. Наступного дня ви побачите на дні посудини кристали; над ними буде насичений розчин. Дістаньте пластмасовим пінцетом кристал правильної форми, без дефектів, і покладіть його на папір. Насиче ний розчин із кристалів, які залишилися, обережно злийте в іншу посудину, а відібраний кристал покладіть на її дно. Його також можна підвісити на тонкій нитці (мал. 17). Посудину нічим не накри вайте і залиште на кілька днів. Вода поступово випаровуватиметься з насиченого розчину, на дні посудини утворяться нові кристали речовини й виросте той, який помістили в розчин. Видаляючи дрібні кристали й перевертаючи відібраний на різні грані для рівномірного росту (робіть це з інтервалом у кілька днів), можна виростити краси

1

Можна також вирощувати кристали алюмокалієвого галуну KAl(SO4)2 • 12H2O, інших речовин.

31

Продовження вий кристал завбільшки в кілька сантиметрів. Час від часу доливайте в посудину нові порції холодно го насиченого розчину сполуки. Якщо дрібні кристали з посудини не видаляти, утворяться друзи — групи кристалів, що зрослися один з одним (мал. 18). Про досліди з вирощування кристалів різних со лей ви можете дізнатися за покликанням у QR коді.

Мал. 17. Вирощування кристала мідного купоросу з насиченого розчину купрум(ІІ) сульфату

6

http://lnzchem. blogspot.com/ p/blog page_ 25.html

Мал. 18. Друзи кристалів солей

Електроліти та неелектроліти Матеріал параграфа допоможе вам: зрозуміти, чому розчини і розплави деяких речо вин проводять електричний струм; розрізняти електроліти і неелектроліти; дізнатися про те, як можна виявляти йони в роз чині.

32

Загальновідомо, що метали проводять елек& тричний струм. Така властивість зумовлена наявністю в них електронів, які не утриму& ються атомами і вільно рухаються в речовині. Якщо з’єднати металеву дротину або пласти& ну з батарейкою (акумулятором), то ці елект& рони починають переміщуватися до позитив& но зарядженого полюса батарейки й виникає електричний струм. Основи, солі, оснвні й амфотерні оксиди містять заряджені частинки іншого типу — йони. З’ясуємо за допомогою експерименту, чи здатні речовини йонної будови, а також їхні водні розчини проводити електричний струм. Зберемо прилад, який складається зі склянки, двох електродів1, лампочки і бата& рейки (мал. 19). Будемо занурювати електро& ди у тверді речовини та їхні водні розчини, а також у дистильовану воду, яка слугувала роз& чинником для лугу і солі. Виявимо, що лам& почка загоряється тоді, коли електроди пере& бувають у розчині йонної речовини (мал. 20). Зауважимо, що електропровідними також є розплави солей, лугів, йонних оксидів.

HСl Мал. 19. Прилад для дослідження електропровідності речовин та розчинів

NaOH

NaCl

H2O

Мал. 20. Виявлення властивості водних розчинів кислоти, лугу і солі проводити електричний струм

1 Електродом може слугувати стержень або пластина з металу чи графіту.

33

Пояснимо результати експерименту. У твердій речовині йони сполучені один з одним, тому вона не проводить електричного струму. У рідині (розплаві, розчині) йони хаотично рухаються (мал. 21). Якщо в неї занурити електроди, з’єднані із джерелом постійного струму, рух йонів стає спрямова& ним. Позитивно заряджені йони (катіони) переміщуватимуться до негативно зарядже& ного електрода (катода), а негативно заря& джені (аніони) — до позитивно зарядженого електрода (анода) (мал. 22). катод (–)

→

+

Мал. 21. Хаотичний рух йонів у розплаві або розчині

–→

–→ + →

→

→

–→

+

+ –→

–→

+

→

→

→

+

+

→

–

–→ –

→

–

→

→

→

→

–

+

+

→

–

+

→

+

→

→

–→

анод (+)

+

Мал. 22. Спрямований рух йонів до електродів у розплаві або розчині

Електричний струм проводять також водні розчини деяких молекулярних речовин — кислот (мал. 20). Причина полягає в тому, що під час розчинення кислоти у воді частина її молекул руйнується й утворюються йони. Цей процес розглядатимемо в наступному параграфі.

Сполуки, водні розчини і розплави яких проводять електричний струм, називають електролітами1. Загальна назва речовин, розчини і розплави яких не проводять струму, — неелектроліти.

1

34

Термін походить від грецького слова lytos — той, що розкладається.

Майкл Фарадей (1791—1867)

https://uk.wikipedia.org/ wiki/Майкл_Фарадей

Електроліти (у водному розчині): солі, луги, кислоти Електроліти (у розплавле& ному стані): солі, луги, йонні оксиди

Видатний англійський фізик і хімік, член Лон донського королівського товариства (Англій ської академії наук), почесний член Петер бурзької академії наук. Відкрив закони, які встановлюють залежність між кількістю електрики і масами речовин, що розклада ються або утворюються за дії електричного струму (1833—1834). Удосконалив спосіб скраплення газів і добув у рідкому стані хлор, сірководень, амоніак, нітроген(IV) оксид. Одним із перших розпочав вивчати реакції, які відбуваються за наявності ката лізаторів. Здійснив фундаментальні дослі дження з електрики, магнетизму, зробив чимало відкриттів у фізиці. Не мав вищої освіти. Дізнатися більше про вченого ви можете за покликанням у QR коді.

До них належить багато молекулярних речо& вин, а також речовини атомної будови. Значний внесок у дослідження електропро& відності водних розчинів зробив на початку ХІХ ст. англійський учений Майкл Фарадей. Рух йонів у розчині можна виявити за допо& могою простого досліду. На скляну або полі& мерну пластину кладуть аркуш фільтруваль& ного паперу і змочують його безбарвним розчи& ном електроліту (наприклад, натрій хлориду). Потім у центр аркуша наносять кілька кра& пель розчину солі, що містить забарвлені катіони (купрум(ІІ) сульфату CuSO4, нікель(ІІ) сульфату NiSO4, ферум(ІІІ) хлориду FeCl3) або аніони (калій перманганату KMnO4, калій дихромату K2Cr2O7). На папір по обидва боки від центра кладуть два електроди і з’єднують їх дротинками з батарейкою (мал. 23). Кольо& рова пляма починає зміщуватися до одного з електродів.

35

Мал. 23. Дослід із виявлення руху забарвлених йонів у розчині до електродів

До якого електрода — позитивно чи нега& тивно зарядженого — рухатимуться катіо& ни Cu2+, Ni2+, Fe3+, аніони MnO4–, Cr2O72–?

ВИСНОВКИ

Сполуки, водні розчини і розплави яких проводять електричний струм, називають електролітами. До електролітів належать усі йонні речовини — луги, солі, оснвні й амфо' терні оксиди, а також частина молекулярних речовин — кислоти (вони проводять струм лише у водному розчині). Інші речовини є неелектролітами.

?

36. Назвіть кілька речовин, які у твердому стані проводять електрич ний струм. Які частинки зумовлюють електропровідність цих ре човин?

37. Чому водний розчин натрій хлориду проводить електричний струм?

38. Які речовини називають електролітами? Наведіть кілька прикладів.

39. Водопровідна вода, на відміну від дистильованої, проводить елек тричний струм. Чим це зумовлено?

40. Електропровідність якої води вища — морської чи річкової? Чому?

41. Назвіть класи сполук, що є електролітами: а) лише у водних розчинах; б) у водних розчинах і в рідкому (розплавленому) стані.

42. У переліку речовин укажіть ті, що проводять електричний струм у рід кому (розплавленому) стані: барій оксид, сірка, хлороводень, магній хлорид, калій гідроксид, сульфур(VI) оксид. Поясніть свій вибір.

36

43. Обчисліть сумарну кількість йонів: а) у 20,0 г літій оксиду; в) у 20,4 г алюміній оксиду; б) в 11,7 г натрій хлориду; г) у 41,0 г кальцій нітрату.

7

Електролітична дисоціація Матеріал параграфа допоможе вам: довідатись, який процес називають електролі тичною дисоціацією; зрозуміти, як утворюються йони в розчинах кислот; з’ясувати, які частинки діють на індикатори у вод них розчинах кислот і лугів; дізнатися про ступінчасту дисоціацію багато оснвних кислот.

Здатність розчинів чи розплавів певних речовин проводити електричний струм зумов& лена наявністю йонів у цих рідинах.

Розпад речовини на йони під час її розчинення або плав' лення називають електролітичною дисоціацією1. Теорію електролітичної дисоціації речовин у розчинах створив шведський учений Сван& те&Август Арреніус у 1887 році. Ви вже знаєте, що речовини, які розпада& ються в розчині чи розплаві на йони, назива& ють електролітами. Серед них є сполуки йон& ної та молекулярної будови. Електролітична дисоціація йонних речо' вин. Про розчинення йонної речовини у воді йшлося в § 3. Молекули води завдяки електро& статичній взаємодії з йонами, які перебува& ють на поверхні кристалів, поступово вилуча& ють їх із речовини (мал. 7, с. 17). Кристали 1

Термін походить від латинського слова dissociatio — роз’єднання.

37

Сванте-Август Арреніус (1859—1927)

https://uk.wikipedia.org/ wiki/Сванте_Август_Арреніус

Видатний шведський учений, академік Королівської академії наук Швеції, почес ний член Петербурзької академії, академій наук СРСР і багатьох інших країн. Один із засновників фізичної хімії. Зробив вагомий внесок у дослідження розчинів і хімічних реакцій. Автор теорії електролітичної дисо ціації (1887), за створення якої вчено му було присуджено Нобелівську премію (1903). Пояснив залежність швидкості реак ції від температури, увівши поняття про «активні молекули» (1889). Математичну формулу цієї залежності названо рівнянням Арреніуса. Автор багатьох наукових праць із хімії, біології, геології, фізики. Дізнатися більше про вченого ви можете за покликанням у QR коді.

руйнуються, речовина розчиняється. Зали& шаючись сполученими з молекулами води, катіони та аніони електроліту разом з іншими молекулами води утворюють розчин. Електролітичну дисоціацію речовини, як і хімічну реакцію, можна відобразити за допо& могою хімічного рівняння. Запишемо рівнян& ня електролітичної дисоціації натрій хлориду і алюміній сульфату у водному розчині: NaCl = Na+ + Cl–; Al2(SO4)3 = 2Al3+ + 3SO42–. (Молекули води, з якими сполучені йони, в таких рівняннях не вказують.)

Солі — електроліти, які дисоціюють у водних розчинах або розплавах на катіони металічних елементів1 і аніо' ни кислотних залишків.

1

38

Або амонію NH4+.

У водних розчинах лугів містяться катіони металічних елементів і гідроксид&іони OH–. Рівняння електролітичної дисоціації калій гідроксиду і барій гідроксиду: KOH = K+ + OH–; Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH–.

Основи — електроліти, які дисоціюють у водних розчи' нах або розплавах з утворенням аніонів одного типу — гідроксид'іонів OH–.

Цікаво знати Заряд на атомі Гідрогену в молекулі HCl становить +0,2, а на атомі Хлору –0,2.

Наявність гідроксид&іонів у водних розчи& нах лугів зумовлює спільні хімічні властиво& сті цих сполук. Так, луги однаково діють на певний індикатор: фенолфталеїн забарвлю& ється в малиновий колір, метилоранж — у жовтий, лакмус — у синій, універсальний індикатор — у синьо&зелений. Отже, за допо& могою індикатора можна виявити у водному розчині лугу йони OH–, але не певну сполуку. Нерозчинні основи на індикатори не діють. У хімії часто використовують словосполу& чення «лужне середовище». Воно вказує на те, що в розчині є гідроксид&іони. Електролітична дисоціація молекулярних речовин. До електролітів молекулярної будо& ви належать кислоти — нітратна, сульфатна, ортофосфатна та ін. Під час розчинення у воді кислот, а також газів HF, HCl, HBr, HI, H2S утворюються йони, які зумовлюють електро& провідність рідин. Розглянемо, як відбувається цей процес у хлоридній кислоті — водному розчині хлоро& водню. У молекулі HCl cпільна електронна пара змі& щена до більш електронегативного атома Хлору (H : Cl); між атомами реалізується полярний ковалентний зв’язок. На атомі Хлору зосере& джується невеликий негативний заряд (δ–), а на атомі Гідрогену — позитивний заряд (δ+). δ+ δ–

Отже, молекула хлороводню є диполем: H–Cl. 39

Під час розчинення хлороводню у воді моле& кули HCl і H2O притягуються одна до одної своїми протилежно зарядженими частинами (мал. 24). Унаслідок цього ковалентний зв’я& зок у багатьох молекулах HCl розривається і вони розпадаються, але не на атоми, а на йони. Спільна електронна пара, що була змі& щена до атома Хлору, під час руйнування молекули хлороводню переходить у його «власність», і цей атом перетворюється на йон Cl–. Атом Гідрогену втрачає свій єдиний елек& трон і стає йоном Н+. Утворені йони, як і моле& кули HCl, є гідратованими, тобто сполучени& ми з молекулами води.

–

–

–

– + + + δ+ δ– ⇒ + – H :Cl + + + – – –

– +

+

–

–

+

+

–

⇒ + – H+ + – H+ Cl– Cl– + + + + – – – + + – – – +

Мал. 40. Утворення йонів із молекули HCl у водному розчині

+

– +

–

— молекула диполь води

Деякі йони H+ і Cl– унаслідок електроста& тичного притягання знову сполучаються в молекули. Тому рівняння електролітичної дисоціації хлороводню у водному розчині записують зі знаком оборотності: → H+ + Cl–.

HCl ← Цей знак свідчить про одночасний перебіг двох процесів — прямого (зліва направо) і зво& ротного (справа наліво). Обидва процеси за незмінних концентрації розчину і температу& ри відбуваються з однаковою швидкістю. Тому кількість молекул і йонів у розчині з часом не змінюється. Отже, у водних розчинах кислот, крім молекул води, містяться катіони Гідрогену Н+, аніони кислотних залишків, а також молекули кислот.

40

Кислоти — електроліти, які дисоціюють у водних роз' чинах з утворенням катіонів одного типу — йонів Гідрогену Н+. Наявність йонів Н+ у водних розчинах кислот зумовлює спільні хімічні властивості цих сполук, наприклад однакову дію на інди& катор. За його допомогою виявляємо у водно& му розчині кислоти йони H+, а не певну кисло& ту. Вираз «кисле середовище» означає, що розчин містить катіони Гідрогену. Нерозчинні кислоти не діють на індикатори.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 1 Виявлення йонів Гідрогену та гідроксид-іонів у розчинах У вашому розпорядженні — розбавлені хлоридна та нітратна кислоти, розчини гідроксидів Калію і Барію, а також індикатор — універсальний, лакмус або метил& оранж. Доведіть наявність катіонів Н+ у розчинах кислот і аніонів ОН– у розчинах лугів. Дисоціація багатооснвних кислот має сту& пінчастий характер; вона відбувається в кілька стадій. Розглянемо цей процес на при& кладі триоснвної ортофосфатної кислоти Н3РО4. Молекула цієї кислоти містить три атоми Гідрогену. Спочатку від молекули відокремлюється один із них, перетворюю& чись на йон Н+ → H+ + H2PO4– (перша стадія); Н3РО4 ← потім, уже від йона H2PO4–, — другий → H+ + HPO42– (друга стадія); Н2РО4– ← і, нарешті, третій (від йона HPO42–): → H+ + PO43– (третя стадія). НРО42– ← 41

Цікаво знати Кислота H3PO4 за звичайних умов є твердою речовиною; температура її плавлення +42 °С.

Зверніть увагу: заряд йона в лівій частині дру& гого (або третього) рівняння дорівнює сумі зарядів двох йонів у правій частині. На кожній стадії дисоціації ортофосфатної кислоти розпадається лише частина молекул або йонів. Водний розчин сполуки, крім моле& кул води, містить молекули H3PO4, катіони Гідрогену і різну кількість аніонів трьох видів. Назви цих аніонів походять від хімічної назви кислоти: PO43– — ортофосфат&іон, HPO42– — гідрогенортофосфат&іон, H2РO4– — дигідроге& нортофосфат&іон. Напишіть рівняння електролітичної дисо& ціації сульфатної кислоти. Луги та солі, на відміну від кислот, дисоці& → BaOH+ + OH–; юють не ступінчасто [Ba(OH)2 ← → Ba2+ + OH–], а в одну стадію і повною BaOH+ ← мірою: Ba(OH)2 = Ba2+ + 2OH–. У розчин переходять йони, з яких складають& ся ці сполуки.

ВИСНОВКИ

Розпад речовини на йони під час її розчи' нення або плавлення називають електролі' тичною дисоціацією. У разі розчинення йон' ної речовини йони переходять у розчин. Дисоціація молекулярної речовини полягає в розпаді її молекул на йони під впливом молекул води. Солі дисоціюють на катіони металічних еле' ментів і аніони кислотних залишків, основи — з утворенням гідроксид'іонів, а кислти — з утворенням катіонів Гідрогену. На йони розпадається лише частина моле' кул кислоти; цей процес є оборотним. Елек' тролітична дисоціація багатооснвних кислот відбувається в кілька стадій.

42

?

44. Дайте означення солі, лугу та кислоти як електролітів.

45. Чи можуть бути електролітами прості речовини? Відповідь обґрун туйте.

46. Складіть формулу солі та запишіть рівняння її електролітичної дисо ціації, якщо в розчині сполуки містяться йони: а) K+ і CO32–; в) Mg2+ і Cl–.

3+ – б) Fe і NO3 ; 47. Напишіть рівняння електролітичної дисоціації у водному розчині сполук із такими формулами: LiOH, HBr, CuSO4, H2S, K3PO4. Яка спо лука дисоціює ступінчасто?

48. Чому, на вашу думку, кальцій хлорид дисоціює в одну стадію і пов ністю (CaCl2 = Ca2+ + 2Cl–), а не ступінчасто — у дві стадії?

49. Обчисліть кількість катіонів і кількість аніонів у розчині, що містить: а) 2,4 г літій гідроксиду; б) 2,9 г калій сульфату.

50. Визначте масову частку гідроксид іонів у розчині, який виготовили із натрій гідроксиду масою 4 г і води масою 36 г.

51. Газ хлороводень об’ємом 560 мл (н. у.) розчинили у 100 мл води. Припустивши, що сполука дисоціює повністю, обчисліть масові частки йонів у розчині.

52. У воді масою 800 г розчинили 1 моль натрій сульфату і 2 моль нат рій гідроксиду. Визначте масову частку кожного йона у розчині.

53. В 1 л води із джерела міститься 60 мг йонів Сa2+ і 36 мг йонів Mg2+. Зіставте кількості цих йонів (спробуйте це зробити на підставі усних обчислень) і оберіть правильну відповідь: а) йонів Ca2+ та Mg2+ — однакова кількість; б) йонів Ca2+ більше, ніж йонів Mg2+; в) йонів Ca2+ менше, ніж йонів Mg2+.

8

Ступінь електролітичної дисоціації. Слабкі та сильні електроліти Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, що називають ступенем електролітич ної дисоціації сполуки; 43

характеризувати електроліти за ступенем їх дисоціації.

Ступінь електролітичної дисоціації. Йонні речовини дисоціюють у водному розчині пов& ною мірою, а молекулярні — частково. У дру& гому випадку для кількісної характеристики цього процесу використовують величину, яку називають ступенем електролітичної дисоці ації. (Для спрощення друге слово в назві тер& міна далі не вказуватимемо.)

Ступінь дисоціації — це відношення кількості молекул електроліту, які розпалися на йони, до загальної кіль' кості розчинених молекул. Ступінь дисоціації позначають грецькою літерою α (альфа). Цю фізичну величину вира& жають часткою від одиниці або у відсотках: N(дис.)

N(дис.) α = ————; α = ———— · 100 %.

N(заг.)

N(заг.) У наведених формулах N(дис.) — кількість молекул електроліту, що розпалися на йони; N(заг.) — кількість молекул електроліту до дисоціації. Інтервали значень ступеня дисоціації: 0 < α < 1, або 0 % < α < 100 %. У формулах для ступеня дисоціації кіль& кість молекул, що зазнали дисоціації, можна замінити на кількість катіонів або аніонів, які утворилися. Узявши до уваги, наприклад, що кожна молекула нітратної кислоти під час дисоціації утворює один йон Н+ і один йон NO3– → Н+ + NO–3, HNO3 ← отримуємо: N(дис.)

N(H+) N(NO3–) α(HNO3) = ————— = —— ———— = —— ————.

N(заг.)

N(HNO3) N(HNO3) У вираз для ступеня дисоціації можна запи& сати і кількості речовини електроліту — ту, 44

яка зазнала дисоціації (в чисельнику), і загальну, тобто до дисоціації (у знаменнику): n(дис.) α = ———— ( · 100 %). n(заг.) Обґрунтуйте цю формулу. ЗАДАЧА. У розчині кислоти HA на кожну пару йонів H+ і A– припадає чотири молекули сполуки. Обчислити ступінь дисоціації кислоти. Дано: +

Розв’язання –

N(H ) = N(A ) = 1 Пара йонів (Н+ і А–) утворилася з однієї N(HA) = 4 молекули кислоти: α(НА) — ? НА = H+ + A–. Отже, до дисоціації було 4 + 1 = 5 молекул сполуки НА. Визначаємо ступінь дисоціації кислоти: N(дис.)

1 α(НА) = ————— = — —= 0,2, N(заг.)

5 або 0,2 · 100 % = 20 %. Відповідь: α(HA) = 0,2, або 20 %.

Слабкі та сильні електроліти. Якщо значен& ня ступеня дисоціації дорівнює, наприклад, 0,01 чи 0,001 (1 % чи 0,1 %), то сполука роз& падається в розчині на йони незначною мірою. Її називають слабким електролітом. Якщо ж значення наближається до одиниці, або до 100 % (становить, наприклад, 90 % чи 99 %), то сполука майже повністю дисоціює. Це — сильний електроліт. Ступінь дисоціації залежить від концентрації розчину і температури. Для визначення типу електроліту або порівняння електролітів за «силою» досліджують розбавлені розчини, що містять однакові кількості речовини в одиниці об’єму розчину (наприклад, 0,1 моль або 1 моль кислоти в 1 л розчину) за певної температури (18 або 25 °С).

45

Вам відомо, що йонні речовини — луги і солі — перебувають у розчинах лише у вигля& ді відповідних йонів. Для цих речовин α = = 1 (100 %), і всі вони належать до сильних електролітів. Щодо кислот (молекулярних речовин), то деякі з них розпадаються в розчинах на йони майже повністю, а деякі — незначною мірою. Перші називають сильними кислотами, другі — слабкими кислотами. Існують також кислоти середньої сили. Наводимо приклади найважливіших кис& лот кожного типу; їхні формули записано в порядку зменшення ступеня дисоціації спо& лук у розчинах (див. також форзац ІІ): HNO3 ≈ HCl ≈ H2SO4 > H2SO3 > H3PO4 > HF > H2CO3 > H2S > H2SiO3 сильні кислоти

кислоти середньої сили

слабкі кислоти

Раніше ми називали сильними кислотами ті, які активно реагують із багатьма речовина& ми. Тепер ви знаєте, що в розчинах таких кислот міститься найбільше катіонів Гідроге& ну. Отже, хімічна активність кислоти зале жить від кількості йонів Н+ у її розчині. У попередньому параграфі зазначено, що багатооснвні кислоти дисоціюють у кілька стадій. Кожну стадію можна охарактеризува& ти відповідним ступенем дисоціації: → H+ + HSO–4 α1 — ступінь дисоціації H2SO4 ← за першою стадією; – → + 2– HSO4 ← H + SO4 α2 — ступінь дисоціації за другою стадією. Кислота дисоціює за першою стадією повні& ше, ніж за другою: α1 > α2. Це зумовлено двома причинами: • йону Н+ легше відокремитися від електро& нейтральної частинки — молекули H2SO4 (перша стадія дисоціації), ніж від протилеж& но зарядженої — йона HSO4– (друга стадія); • двозарядний йон SO42– міцніше сполучаєть& ся з катіоном Н+ (це зменшує дисоціацію 46

за другою стадією), ніж однозарядний йон HSO4–.

ВИСНОВКИ

Ступінь дисоціації — це відношення кіль' кості молекул електроліту, які розпалися на йони, до загальної (початкової) кількості його молекул. Якщо електроліт розпадається на йони не' значною мірою, його називають слабким, а якщо повністю або майже повністю, — силь' ним. Серед кислот є електроліти обох типів, а луги і солі належать до сильних електролітів, оскільки складаються з йонів.

?

54. Що називають ступенем електролітичної дисоціації? На які групи поділяють електроліти залежно від значень цієї величини?

55. Серед наведених словосполучень оберіть те, яким потрібно закін чити речення «Речовини, що складаються з йонів, виявляють влас! тивості ...»: а) сильних електролітів; б) слабких електролітів; в) як сильних електролітів, так і слабких.

56. Укажіть словосполучення, яке має бути в кінці речення «Речовини, що виявляють у водних розчинах властивості сильних електролітів, складаються ...»: а) з йонів; б) з молекул; в) з йонів, а іноді — з молекул; г) з молекул, а іноді — з йонів.

57. Запишіть різні математичні вирази для розрахунку ступеня дисоці ації хлоридної кислоти.

58. З’ясуйте, сильним чи слабким електролітом є кислота НА, якщо в її водному розчині: а) із кожних 20 молекул HА не розпалися на йони 17 молекул; б) на кожну молекулу НА припадає шість йонів.

59. Яких частинок у водному розчині сульфатної кислоти найбільше, а яких — найменше: молекул H2SO4, йонів SO42–, HSO4–, H+? Відповідь поясніть.

47

60. Яка формула для розрахунку ступеня дисоціації сульфатної кислоти за другою стадією правильна і чому: N(SO42–) а) α2 = ———— —; N(HSO4–) N(SO42–) ? б) α2 = ————— N(H2SO4)

9

Вода як електроліт. Водневий показник (рН) Матеріал параграфа допоможе вам: характеризувати електролітичну дисоціацію води; з’ясувати, що таке водневий показник (рН); визначати приблизне значення рН розчину уні версальним індикатором.

Вода як електроліт. Результати дослідів свідчать про те, що вода, в якій немає розчи& нених електролітів, має низьку електропро& відність. Це зумовлено наявністю в ній дуже малої кількості йонів Н+ та ОН–. Такі йони утворюються внаслідок розриву одного з полярних ковалентних зв’язків у молекулі Н2О (§ 2, с. 14). Отже, вода — електроліт. Вона дисоціює згідно з рівнянням → H+ + OH–. Н2О ← Вода є дуже слабким електролітом. За тем& ператури 25 °С лише одна її молекула з кож& них 555 мільйонів молекул розпадається на йони. Ступінь електролітичної дисоціації води становить 1 —————— ≈ 1,8 · 10–9, α(Н2О) = ——— 555 000 000 або 1,8 · 10–7 %. Обчислимо кількість речовини катіонів Гідрогену в 1 л чистої води. Для цього спочат& 48

ку визначаємо кількість речовини води в 1 л (або в 1000 г): 1000 г m(Н2О) ——— = ——— ————— = 55,6 моль. n(Н2О) = ——— 18 г/моль М(Н2О) Тепер скористаємося формулою для розрахун& ку ступеня дисоціації електроліту: n(Н+) n(Н2О, дис.) α(Н2О) = ——— — — —— —— —— = ——— — —— ; n(Н2О) n(Н2О, заг.) n(Н+) = α(Н2О) · n(Н2О) = = 1,8 · 10–9 · 55,6 моль = 1,00 · 10–7 моль. Отже, в 1 л води міститься 10–7 моль йонів Н . Інакше кажучи, молярна концентра ція катіонів Гідрогену у воді становить 10–7 моль/л. Оскільки молекула води дисо& ціює на один йон Н+ і один йон ОН–, то моляр& на концентрація гідроксид&іонів також дорівнює 10–7 моль/л. Молярну концентрацію позначають латинсь& кою літерою с. Водневий показник. Вміст катіонів Гідроге& ну в багатьох водних розчинах дуже малий. Використовувати й вимовляти, наприклад, наведене вище значення концентрації цих йонів незручно. Тому для характеристики вмісту катіонів Н+ у розчині запроваджено величину, назва якої — водневий показник, а позначення — рН (читається «пе&аш»). Якщо значення молярної концентрації катіонів Гідрогену записати так: +

с(Н+) = 10–m моль/л, то рН = m. рН(Н2О) = 7

У чистій воді с(Н+) = 10–7 моль/л, тому рН води дорівнює 7. Для води і будь&якого водного розчину з таким значенням рН використову& ють термін «нейтральне середовище». У розчині кислоти міститься більше катіонів Гідрогену, ніж у воді, тобто с(Н+) > 10–7 моль/л.

49

Значення молярної концентрації катіонів Н+ у розчинах кислот можуть становити, напри& клад, 10–6; 10–4; 10–1 моль/л. Їм відповідають значення рН 6, 4, 1. Розчин лугу містить більше йонів ОН–, ніж чиста вода, але менше катіонів Гідрогену. Можливими для розчинів лугів є, наприклад, значення молярної концентрації йонів Н+ 10–8; 10–10; 10–13 моль/л. Відповідні значення рН: 8, 10, 13. Отже, для розчинів кислот рН < 7, а для розчинів лугів рН > 7. Щодо таких розчинів використовують терміни «кисле середови& ще», «лужне середовище» (схема 1). Схема 1 Значення рН і характер середовища водного розчину Нейтральне середовище Кисле середовище рН

0

1

2

3

4

5

Лужне середовище 6

7

8

9

10

11

12

13

14

Визначення рН розчинів. Ви вже знаєте, що йони Н+ у розчинах кислот і йони ОН– у розчи& нах лугів виявляють за допомогою індикато& рів (назвіть їх). Серед відомих вам індикаторів лише універсальний дає змогу визначати рН розчину (мал. 25).

Мал. 25. Універсальні індикаторні папірці зі шкалою рН на упаковці

50

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 2 Установлення приблизних значень рН води, лужних і кислих розчинів за допомогою універсального індикатора Вам видано штатив із пробірками, в яких містяться вода, розбавлені хлоридна кислота і розчин натрій гідроксиду. У вашому розпорядженні — універсальні індикатор& ні папірці, шкала рН, скляна паличка, склянка, про& мивалка з водою, невеликі аркуші фільтрувального паперу. Для встановлення значення рН певної рідини занурте в неї скляну паличку і нанесіть за її допомогою крап& лю рідини на універсальний індикаторний папірець. Порівняйте забарвлення індикатора після дії на нього досліджуваної рідини із кольоровою шкалою рН і запишіть значення водневого показника в таблицю: Рідина

Значення рН

...

...

Після кожного визначення рН промийте скляну паличку водою і витріть фільтрувальним папером. У хімічних лабораторіях для вимірювання рН використовують прилади — рН&метри (мал. 26). Вони дають змогу визначати водне& вий показник із точністю до 0,01.

Мал. 26. рН-метри

51

На яке середовище — кисле, лужне чи нейт& ральне — вказує значення рН на шкалі кожного приладу (мал. 26)? Значення водневого показника більшості розчинів, які трапляються в природі, менші за 7 або наближаються до цього числа (табл. 1). Таблиця 1 Середні значення водневого показника деяких рідин Рідина

Рідина

рН

рН

Шлунковий сік

1,4

Сеча

6,4

Сік лимона

2,1

Слина

7,1

Сік яблук «антонівка»

2,5

Сльози

7,3

Томатний сік

4,1

Кров

7,4

Свіже молоко

6,5

Лімфа

7,4

Істотне відхилення значень рН біологічних рідин в організмі людини від наведених у таблиці спричиняє захворювання або є його наслідком. Людям із підвищеною кислотністю шлункового соку рекомендують пити міне& ральну воду з меншою концентрацією йонів Н+ (тобто з вищим рН), а людям зі зниженою кислотністю — «більш кислу» воду (з нижчим рН). Водневий показник для багатьох рідких косметичних засобів становить 5,5. Відповід& ний вміст у них катіонів Н+ є оптимальним для шкіри. На промислових підприємствах здійснюють контроль значень рН деяких харчових продук& тів і косметичних засобів. Якщо, наприклад, свіже молоко має нижче значення водневого показника, ніж передбачено стандартом, його не відправляють у торговельну мережу, а використовують для виробництва кисломо& лочної продукції. У сільському господарстві кислотність ґрунтового розчину є одним із важливих чин& ників, які впливають на врожай. Так, картоп& 52

ля найкраще росте на слабкокислих ґрунтах (рН ≈ 5), а буряк — на нейтральних (рН ≈ 7).

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 3 Дослідження рН харчової та косметичної продукції Вам видано у склянках і пробірках невеликі порції харчових продуктів, приправ, напоїв, а також зубної пасти, косметичного крему, розчинів шампуню та мила. Перед виконанням досліду додайте до твердих і пас& топодібних зразків продукції по 2—3 мл води й пере& мішайте суміші скляною паличкою. Визначте рН рідин універсальним індикатором і запишіть результати експерименту в таблицю, анало& гічну наведеній до лабораторного досліду № 2. Прокоментуйте значення рН досліджених рідин.

ВИСНОВКИ

Вода — дуже слабкий електроліт. Незначна частка її молекул дисоціює з утворенням катіонів Гідрогену і гідроксид'іонів. Концен' трації йонів Н+ і ОН– у воді однакові — 10–7 моль/л. Вміст йонів Н+ у воді та водних розчинах характеризують водневим показником (рН). У воді рН = 7, розчинах кислот рН < 7, а в роз' чинах лугів рН > 7. Природні розчини та біологічні рідини мають різні значення рН.

?

61. Охарактеризуйте електролітичну дисоціацію води.

62. Дайте пояснення терміну «водневий показник».

63. Яку перевагу має універсальний індикатор порівняно з лакмусом чи метилоранжем для визначення середовища водних розчинів?

53

64. Чому рН дощової води, зібраної над територією, де немає населе них пунктів і промислових об’єктів, зазвичай становить 5,6—6,0, а не 7,0?

65. Установіть відповідність між рідиною, відносною кількістю йонів у ній і значенням водневого показника: а) рН > 7 1. Розчин натрій А. Кількість йонів Н+ хлориду у воді більша, ніж йонів ОН– 2. Розчин вуглекислого Б. Кількості йонів Н+ і ОН– б) рН < 7 газу у воді однакові в) pH = 7 3. Водний розчин В. Кількість йонів ОН– вапна більша, ніж йонів Н+ 4. Лимонний сік 66. У якому розчині концентрація катіонів Гідрогену більша — з рН = 6 чи рН = 8? У скільки разів?

67. Визначте кількість йонів Н+ і йонів ОН– у краплі води об’ємом 0,1 мл.

68. Обчисліть масові частки йонів Н+ і ОН– у воді.

69. У воді розчинили 6 г натрій гідроксиду. Виготовлений розчин змі шали з розчином, який містив 6,3 г нітратної кислоти. Значення рН рідини, що утворилася: а) більше 7; в) дорівнює 7. б) менше 7;

10

Йонно-молекулярні рівняння Матеріал параграфа допоможе вам: зрозуміти суть хімічної реакції між електролітами в розчині; з’ясувати, які хімічні рівняння називають йонно молекулярними; складати йонно молекулярні рівняння.

Рівняння реакцій за участю розчинів елек& тролітів — лугів, кислот, солей, які ви скла& дали у 8 класі, не передають суті хімічних перетворень, оскільки в них записано форму& ли речовин, а не формули йонів. Що ж насправді відбувається під час взає& модії електролітів у розчині? З’ясуємо це, роз& 54

глянувши реакцію між розчинами магній хлориду і натрій гідроксиду: MgCl2 + 2NaОН = Mg(OH)2↓ + 2NaCl. Розчин солі містить катіони Магнію та аніо& ни Хлору MgCl2 = Mg2+ + 2Cl–, а розчин лугу — катіони Натрію і гідроксид& іони: NaOH = Na+ + OH–. Під час реакції йони Mg2+ і ОН–, сполучаю& чись, утворюють осад малорозчинної основи Mg(OH)2, а йони Na+ і Cl– залишаються в роз& чині. Змінимо наведене вище хімічне рівняння, взявши до уваги стан (дисоційований, недисо& ційований) кожного реагенту і продукту. Замість формул обох реагентів записуємо фор& мули йонів, які були в розчинах сполук до реакції, разом із відповідними коефіцієнтами (враховуємо індекс 2 у формулі солі Магнію та коефіцієнт 2 перед формулою лугу): Mg2+ + 2Cl– + 2Na+ + 2OH– = ... . У правій частині рівняння залишаємо форму& лу Mg(OH)2, а замість формули натрій хлори& ду записуємо формули відповідних йонів з урахуванням коефіцієнта 2, який був у вихід& ному рівнянні: Mg2+ + 2Cl– + 2Na+ + 2OH– = Mg(OH)2↓ + 2Na+ + 2Cl–. Молекулярне рівняння HI + KOH = KI + H2O Йонно'молекулярне рівняння + Н + ОН– = Н2О 1

В обох частинах нового рівняння бачимо йони Na+ і Cl–, причому кож& ний йон — в однаковій кількості. Вилучивши їх, отримуємо запис, який називають йонно молекулярним рівнянням1: Mg2+ + 2ОН– = Mg(OH)2↓.

Іноді використовують скорочений термін «йонне рівняння».

55

Йонно'молекулярне рівняння — це рівняння, яке містить формули речовин і формули йонів. Йонно&молекулярне рівняння вказує на те, щo сме відбувається під час хімічного перетво& рення, тобто які частинки взаємодіють і утво& рюються в розчині. Складаючи таке рівняння, кожну речовину подають у тій формі (дисоці& йованій, недисоційованій), яка переважає в реакційній суміші чи є в ній єдино можливою. Під час складання йонно&молекулярного рів& няння дотримуються такої послідовності дій: 1. Записують «звичайне» хімічне рівняння (його називають молекулярним1).

2. За таблицею розчинності визначають, які реагенти і продукти реакції розчиняються у воді, а які — не розчиняються.

3. З’ясовують, які реагенти і продукти реакції є сильними електролітами, а які — слабки& ми електролітами чи неелектролітами.

4. Формули розчинних сильних електролітів замінюють на формули відповідних йонів, ураховуючи індекси та коефіцієнти. Спо& чатку записують катіони, потім — аніони.

5. З обох частин отриманого рівняння вилуча& ють однакові йони (у разі їх наявності) в однаковій кількості.

6. Якщо всі коефіцієнти є кратними, їх ділять на відповідне число.

Cкладіть йонно&молекулярне рівняння реакції між барій нітратом і натрій карбо& натом у розчині. Розглянемо, як виконують протилежне зав& дання. Складемо молекулярне рівняння, що відповідає йонно&молекулярному рівнянню Н+ + ОН– = Н2О.

1

Така назва є умовною, оскільки молекул основ і солей не існує; це — йонні речовини.

56

У лівій частині рівняння записано лише формули йонів. Отже, сполуки, які взаємоді& ють, мають бути сильними й розчинними електролітами. Йони Н+ утворюються в розчині під час → дисоціації сильної кислоти (наприклад, HCl ← + – – → ← Н + Cl ), а йони ОН — внаслідок дисоціа& ції лугу (наприклад, NaOH = Na+ + ОН–). Обравши реагентами хлоридну кислоту і нат& рій гідроксид, допишемо в ліву частину йон& но&молекулярного рівняння йони Cl– і Na+: Н+ + Cl– + Na+ + ОН– = Н2О + ... . Йони Н+ і ОН– сполучаються в молекули слаб& кого електроліту — води, а йони Na+ і Cl– зали& шаються в розчині. Додаємо їх у праву части& ну рівняння: Н+ + Cl– + Na+ + ОН– = Н2О + Na+ + Cl–. «З’єднавши» йони у формули відповідних сполук, отримуємо молекулярне рівняння: HCl + NaOH = NaCl + H2O. Отже, щоб скласти молекулярне рівняння за певним йонно&молекулярним рівнянням, по& трібно замінити кожний йон на формулу відпо& відного сильного і розчинного електроліту, а потім дописати формули інших реагентів (про& дуктів) — розчинних сильних електролітів. Йонно&молекулярному рівнянню Н+ + ОН– = = Н2О відповідає багато молекулярних рівнянь, оскільки реагентами можуть бути інші луги та сильні кислоти. Приклади таких рівнянь: 2KOH + H2SO4 = K2SO4 + 2H2O; Ba(OH)2 + 2HNO3 = Ва(NO3)2 + 2H2O. Звернемо увагу на реакцію між барій гідроксидом і сульфатною кислотою: Ba(OH)2 + H2SO4 = ВаSO4↓ + 2H2O. Хоча обидва реагенти є сильними й розчинни& ми електролітами, однак у результаті їхньої взаємодії утворюється нерозчинна сіль BaSO4.

57

Цю реакцію описує інше йонно&молекулярне рівняння, ніж Н+ + ОН– = Н2О: Ba2+ + 2OH– + 2H+ + SO42– = BaSO4↓ + 2H2O. Зауважимо, що зазвичай сильну двооснвну кислоту H2SO4 подають у йонно&молекуляр& них рівняннях йонами Н+ і SO42–, а кислоти середньої сили — H3PO4, HF та ін. — молеку& лами, тобто в недисоційованій формі. Запропонуйте молекулярне рівняння, яке відповідає йонно&молекулярному рівнянню 2Ag+ + CO32– = Ag2CO3↓.

ВИСНОВКИ

Суть реакції, яка відбувається між елект' ролітами в розчині, передає йонно'молеку' лярне рівняння; воно містить формули речо' вин і йонів. Складаючи йонно'молекулярні рівняння, лише сильні електроліти записують у дисоці' йованій формі.

?

70. Чим відрізняється йонно молекулярне рівняння від молекулярного?

71. Складіть йонно молекулярні рівняння реакцій, які відповідають таким молекулярним рівнянням: а) Mn(NO3)2 + Ba(OH)2 = Mn(OH)2↓ + Ba(NO3)2; б) Na2S + H2SO4 = Na2SO4 + H2S↑; в) 2KOH + CO2 = K2CO3 + H2O; г) Ni(OH)2 + 2HCl = NiCl2 + 2H2O. 72. Запропонуйте молекулярні рівняння для наведених йонно молеку лярних рівнянь: а) Ag+ + Cl– = AgCl↓; б) 3Pb2+ + 2PO43– = Pb3(PO4)2↓; в) Cu2+ + 2OH– = Cu(OH)2↓; г) H2S + 2OH– = S2– + 2H2O; д) SO32– + 2H+ = SO2↑ + H2O; е) Zn(OH)2 + 2H+ = Zn2+ + 2H2O. 58

73. Напишіть йонно молекулярні рівняння реакцій, які відбуваються в розчинах між такими електролітами: а) ферум(ІІ) нітратом і барій гідроксидом; б) натрій фторидом і хлоридною кислотою; в) літій гідроксидом і сульфатною кислотою; г) хром(ІІІ) сульфатом і калій ортофосфатом.

74. Складіть молекулярне і йонно молекулярне рівняння реакції між розчинами лугу і солі, в результаті якої утворюються: а) нерозчинна основа і розчинна сіль; б) луг і нерозчинна сіль; в) нерозчинна основа і нерозчинна сіль.

75. Запишіть замість крапок формули йонів, складіть йонно молеку лярні та відповідні молекулярні рівняння: а) H3PO4 + ... → PO43– + H2O; б) Cr(OH)3 + ... → Cr3+ + H2O.

11

Реакції обміну між електролітами в розчині Матеріал параграфа допоможе вам: поповнити свої знання про реакції обміну за участю електролітів; передбачати можливість перебігу реакції обміну.

Розглянуті в § 10 реакції належать до реак& цій обміну. Вам відомо, що реакція такого типу можлива, якщо її продукт є малорозчинною Цікаво знати або нерозчинною речовиною, газом чи слабкою Деякі солі кислотою. Тепер додамо, що реакція відбу& можуть вається і тоді, коли утворюється слабкий елек& взаємодіяти троліт, у тому числі й вода. одна з одною Отже, для з’ясування можливості перебігу в розплавленому стані. реакції обміну потрібно використати відомості про розчинність і силу електролітів. Нагадує& мо, що ряд кислот, розміщених за їхньою здат& ністю до дисоціації, наведено на форзаці ІІ. Необхідно також знати, що галогеноводневі кислоти HF, HCl, HBr, HI, сульфідна H2S, 59

нітратна HNO3 — леткі кислоти, карбонатна Н2СО3 і сульфітна Н2SО3 — нестійкі, а силі& катна кислота H2SiO3 — нерозчинна у воді. Пропонуємо вам здійснити реакції обміну за участю розчинів сполук різних класів.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 4 Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються утворенням осаду Налийте в пробірку 1—2 мл розчину ферум(ІІІ) хло& риду і додайте такий самий об’єм розчину натрій гідроксиду. Що спостерігаєте? Здійсніть також реакцію між розчинами кальцій хлориду і натрій карбонату. Який зовнішній ефект взаємодії двох солей? Складіть молекулярні та йонно&молекулярні рів& няння реакцій. Експеримент із осадження різнобарвних сульфідів під час реакцій обміну подивіться за покликанням у QR&коді. http://academia pc. com.ua/video/h9/1.mp4

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 5 Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються виділенням газу Налийте в пробірку 1—2 мл розчину натрій карбона& ту і додавайте до нього невеликими порціями розбав& лену нітратну кислоту. Що відбувається? Здійсніть також реакцію між дуже розбавленими розчинами натрій сульфіту та сульфатної кислоти. Зафіксуйте появу запаху газу, який утворюється. Складіть молекулярні та йонно&молекулярні рів& няння реакцій.

60

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 6 Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються утворенням води Налийте в пробірку 1 мл розчину натрій гідроксиду, додайте одну краплю розчину фенолфталеїну і неве& ликими порціями за допомогою піпетки додавайте розбавлену нітратну кислоту, поки не зникне забарв& лення індикатора. Вміст пробірки періодично перемі& шуйте скляною паличкою або струшуванням. Здійсніть також реакцію між розчинами калій гідроксиду і сульфатної кислоти (за наявності фенол& фталеїну або іншого індикатора). Поясніть результати спостережень. Складіть моле& кулярні та йонно&молекулярні рівняння реакцій. Зверніть увагу на йонно&молекулярні рівнян& ня, записані вами після виконання дослідів. Кожне з них указує на те, що під час реакції обміну кількість йонів у розчині зменшується. Розглянемо випадок, коли реакція обміну між електролітами не відбувається. Якщо злити, наприклад, розчини натрій гідроксиду (луг) і калій хлориду (сіль), то жодних змін або зовнішніх ефектів не помітимо. Розчин залишиться безбарв ним; із нього не виділятимуться ні осад, ні газ. Складаючи йонно молекулярне рівняння, з’ясо вуємо, що його ліва і права частини однакові: NaOH + KCl = KOH + NaCl; Na + OH– + K+ + Cl– = K+ + OH– + Na+ + Cl–. +

Утворений розчин містить усі йони, які були в розчинах натрій гідроксиду і калій хлориду. Отже, ці сполуки не взаємодіють одна з одною.

Викладений у параграфі матеріал стосуєть& ся реакцій обміну, у яких обидва реагенти — розчинні й сильні електроліти. Якщо вихідна 61

сполука не розчиняється у воді або є слабкою кислотою, то висновок про можливість перебі& гу реакції роблять після здійснення відповід& ного експерименту.

ВИСНОВКИ

Реакція обміну між електролітами в розчи' ні відбувається, якщо серед її можливих про' дуктів є нерозчинна або малорозчинна сполу' ка, газ чи слабкий електроліт. Під час реакції обміну кількість йонів у роз' чині зменшується.

?

76. У яких випадках реакція обміну є можливою?

77. Запишіть формули продуктів реакцій і складіть молекулярні та йон но молекулярні рівняння: а) Ni(NO3)2 + KOH → … ; в) MnCO3 + H2SO4 → … . б) ZnCl2 + Na2S → … ; 78. Допишіть схеми реакцій, складіть молекулярні та йонно молекуляр ні рівняння: а) Ba(NO3)2 + ... → HNO3 + ... ; б) K2CO3 + ... → K2SO4 + ... ; в) Na[Al(OH)4] + … → … + AlCl3 + H2O. 79. Чи можлива реакція у водному розчині між сполуками з такими формулами: а) Ba(NO3)2 і H2S; в) HCl і KNO3; б) LiOH і HBr; г) K2CO3 і Ba(OH)2? Відповіді аргументуйте. Напишіть молекулярні та йонно молекуляр ні рівняння реакцій, які відбуваються.

80. Які йони не можуть одночасно перебувати у водному розчині: а) SO42– і Cl–; г) Na+ і Ba2+; 2+ 3– б) Ca і PO4 ; д) Pb2+ і NO3–; 3+ – в) Al і OH ; е) Cu2+ і S2–?

81. Укажіть сполуки, з якими взаємодіє у водному розчині ферум(ІІ) сульфат: а) хлоридна кислота; г) барій нітрат; б) калій гідроксид; д) вуглекислий газ. в) натрій сульфід; 62

82. Доберіть по дві пари різних електролітів, які реагують у розчині з утворенням: а) алюміній гідроксиду; б) силікатної кислоти; в) ферум(ІІ) карбонату. Напишіть відповідні молекулярні та йонно молекулярні рівняння. Зважте на те, що серед силікатів розчинні у воді солі Натрію і Калію.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Гідроліз солей Якщо в розчин кальцинованої соди, або натрій карбонату, Na2CO3 додати краплю розчину фенолфталеїну, то індикатор набуде малино вого забарвлення. Це вказує на наявність у розчині йонів ОН–. Оскільки в солі таких йонів немає, робимо висновок: натрій карбо нат взаємодіє з водою, і одним із продуктів цієї реакції є натрій гідроксид: Na2CO3 + H2O = NaOH + … Можна припустити, що другий продукт — карбонатна кислота. Ви знаєте, що вона нестійка і розкладається з утворенням вуглекисло го газу. Однак виділення газу з розчину соди не спостерігаємо. Отже, другим продуктом реакції є інша речовина. Зіставлення кількості атомів кожного елемента у формулах двох реагентів і натрій гідроксиду вказує на утворення водночас із лугом кислої солі1 — натрій гідрогенкарбонату NaHCO3: Na2CO3 + H2O = NaOH + NaHCO3. Відомо, що з водою реагує лише незначна частина соди. Водно час відбувається зворотна реакція — між сполуками NaOH і NaHCO3 (її продукти — Na2CO3 і вода). Тому в хімічному рівнянні записуємо знак оборотності: → NaOH + NaHCO3.

Na2CO3 + H2O ← Розглянута реакція є реакцією обміну. Щоправда, обмін речовин своїми складниками неповний: лише половина йонів Натрію у вихід ній солі обмінюється на атоми Гідрогену. Реакцію обміну між сіллю і водою називають реакцією гідролізу2.

1 Кисла сіль — продукт неповного заміщення атомів Гідрогену в молекулі кислоти на атоми (точніше — йони) металічного елемента.

2 Термін походить від грецьких слів hydr — вода і lysis — розпад.

63

Продовження Установлено, що з водою здатні взаємодіяти солі, утворені слаб кими основами або слабкими кислотами (сода — сіль слабкої кар бонатної кислоти). Середовище розчину солі зумовлює сильний електроліт, від якого походить сіль (у нашому випадку — натрій гідроксид); він утворюється під час її гідролізу. Наприклад, розчини солей K2S, Na2SiO3 мають лужне середовище, а розчини солей ZnCl2, CuSO4 — кисле. Тепер ми можемо пояснити, чому в клітинках таблиці розчиннос ті, які відповідають деяким солям, є позначка #. Кожна із цих солей походить від слабкої основи й слабкої кислоти і тому зазнає повно го гідролізу: Al2S3 + 6H2O = 2Al(OH)3↓ + 3H2S↑.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 1 Реакції йонного обміну між електролітами у водних розчинах Вам видано розчини магній хлориду, калій карбона& ту, натрій гідроксиду і сульфатної кислоти, а також розчин індикатора — фенолфталеїну, лакмусу або метилоранжу. Скориставшись таблицею розчинності та рядом кислот за силою (форзац ІІ), з’ясуйте, чи відбудуться реакції в розчині: а) між двома солями; б) між кожною сіллю і лугом; в) між кожною сіллю і кислотою. Здійсніть усі можливі реакції, а також реакцію між лугом і кислотою (за наявності індикатора). Запишіть у клітинках поданої нижче таблиці фор& мули реагентів й одного з продуктів кожної реакції, властивості якого уможливлюють її перебіг. Після формули продукту поставте стрілку ↓ (якщо під час реакції сполука випадає в осад), стрілку ↑ (якщо спо& лука виділяється у вигляді газу) або позначку «сл.» (якщо речовина — слабкий електроліт).

64

Реагенти

... (сіль 1)

... (сіль 2)

... (луг)

... (кислота)

... (сіль 1) ... (сіль 2) ... (луг)

Напишіть молекулярні та йонно&молекулярні рів& няння реакцій. Поясніть, чому реакції обміну між деякими сполу& ками не відбуваються.

?

83. Яку реакцію, що в практичній роботі не відбувається, можна здій снити за інших умов? Укажіть ці умови, напишіть хімічне рівняння і назвіть продукти реакції.

84. Якими були б результати практичної роботи, якби замість розчину натрій гідроксиду було видано розчин барій гідроксиду? Заповніть відповідну таблицю і складіть молекулярні та йонно молекулярні рівняння реакцій.

12

Розв’язування задач за рівняннями реакцій, які відбуваються в розчинах Матеріал параграфа допоможе вам: закріпити навички з розв’язування задач за хімічними рівняннями; обчислювати маси, об’єми, кількості речовини реагентів і продуктів реакцій у розчинах; визначати маси розчинів і масові частки в них реагентів і продуктів реакцій.

65

У хімічних лабораторіях, цехах хімічних виробництв більшість реакцій за участю лугів, кислот, солей здійснюють, використо& вуючи розчини цих сполук. Масові частки речовин у розчинах можуть бути відомими або їх визначають за допомогою хімічного аналізу чи розраховують за масами розчинених речо& вин і розчинів. Перед здійсненням реакції в одних випадках обчислюють масу продукту реакції або об’єм газу, що утворюється, а в інших — маси або об’єми розчинів реагентів, які потрібно використати. ЗАДАЧА 1. Щоб добути водень, учень додав до цинку хлоридну кис лоту масою 50 г із масовою часткою хлороводню 7,3 %. Кислота прореагувала повністю. Обчислити об’єм вод ню (н. у.), що виділився. Розв’язання Дано:

m(к&ти) = 50 г 1. Складаємо хімічне рівняння: (HCl) = 7,3 % Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑.

V(Н2, н. у.) — ? 2. Обчислюємо масу хлороводню в хлоридній кислоті: m(HCl) = (HCl) · m(к&ти) = = 0,073 · 50 г = 3,65 г.

3. Визначаємо кількість речовини хлороводню: m(HCl) 3,65 г n(НCl) = ————— = ————————— = 0,1 моль.

M(HCl) 36,5 г/моль 4. Розраховуємо кількість речовини водню. За хімічним рівнянням у разі взаємодії у розчині 2 моль хлороводню із цинком утворюється удвічі менша кількість речо& вини водню, а якщо реагує 0,1 моль хлоро& водню, то 1 1 n(Н2) = —n(НCl) = — · 0,1 моль = 0,05 моль.

2 2 5. Обчислюємо об’єм водню (н. у.): V(Н2, н. у.) = n(Н2) · Vm = = 0,05 моль · 22,4 л/моль = 1,12 л. Відповідь: V(Н2, н. у.) = 1,12 л.

66

ЗАДАЧА 2. Розрахувати масу розчину калій карбонату з масовою часткою солі 9,2 %, яка прореагує з розчином барій нітра ту масою 400 г і масовою часткою солі 8,7 %. Розв’язання Дано:

1. Складаємо хімічне рівняння: (K2CO3) = 9,2 % Ba(NO3)2 + K2CO3 = BaCO3↓ + 2KNO3. m(р&ну Ba(NO3)2) = 2. Визначаємо масу барій нітрату в розчині: = 400 г (Ba(NO3)2) = 8,7 % m(Ba(NO ) ) = 3 2

m(р&ну K2CO3) — ?

= (Ba(NO3)2) · m(р&ну Ba(NO3)2) = = 0,087 · 400 г = 34,8 г.

3. Розраховуємо масу калій карбонату, яка прореагує. Обчислюємо молярні маси реагентів: M(Ba(NO3)2) = 261 г/моль; M(K2CO3) = 138 г/моль. Складаємо пропорцію та розв’язуємо її: за хімічним рівнянням 261 г Ba(NO3)2 взаємодіє зі 138 г K2CO3, за умовою задачі — із х г K2CO3; 34,8 г Ba(NO3)2 г · 138 г х = m(K2CO3) = —34,8 ————————— = 18,4 г.

261 г 4. Визначаємо масу розчину калій карбо& нату: 18,4 г m(K2CO3) m(р&ну K2CO3) = ———— ———— = ————— = 0,092 (K2CO3) = 200 г. Відповідь: m(р-ну K2CO3) = 200 г.

ЗАДАЧА 3. На осадження аргентум хлориду масою 5,74 г із розчину аргентум нітрату витрачено розчин кальцій хлориду ма сою 150 г. Визначити масову частку солі Кальцію в її розчині. Дано: 1. Складаємо хімічне рівняння:

m(AgCl) = 5,74 г m(р&ну CaCl2) = = 150 г (CaCl2) — ?

2AgNO3 + CaCl2 = 2AgCl↓ + Ca(NO3)2.

2. Визначаємо масу кальцій хлориду, яка прореагувала. Обчислюємо молярні маси хлоридів Аргентуму і Кальцію, складаємо про& порцію та розв’язуємо її: 67

M(AgCl) = 143,5 г/моль; M(CaCl2) = 111 г/моль. За хімічним рівнянням 2 · 143,5 г AgCl утворюється зі 111 г CaCl2, за умовою задачі 5,74 г AgCl — із х г CaCl2; 5,74 г · 111 г х = m(CaCl2) = —————————— = 2,22 г.

2 · 143,5 г 3. Розраховуємо масову частку кальцій хлори& ду в розчині солі: 2,22 г m(CaCl2) (CaCl2) = ——————— ———— = ——— —— —= 150 г m(р&ну CaCl2) = 0,0148, або 1,48 %. Відповідь: (CaCl2) = 1,48 %.

ВИСНОВКИ

Розрахунки за рівняннями реакцій, які від' буваються за участю розчинів, здійснюють, визначаючи маси розчинених речовин або їхні масові частки в розчинах.

?

85. Яку максимальну масу алюміній ортофосфату можна добути, вико риставши розчин алюміній сульфату масою 60 г із масовою част кою солі 5,7 %?

86. Обчисліть масу розчину натрій сульфіду з масовою часткою солі 3,9 %, потрібну для добування аргентум сульфіду масою 6,2 г.

87. Унаслідок взаємодії розчину купрум(ІІ) сульфату масою 160 г із надлишком заліза виділилася мідь масою 8 г. Визначте масову частку солі Купруму в розчині.

88. Якою є масова частка калій гідроксиду в розчині, якщо на нейтра лізацію цього розчину масою 200 г витрачено розчин сульфатної кислоти масою 147 г із масовою часткою кислоти 10 %?

89. Розчин літій гідроксиду масою 40 г із масовою часткою лугу 12 % нейтралізували розчином нітратної кислоти з масовою часткою кислоти 20 %. Яка маса розчину кислоти прореагувала? Обчисліть масову частку літій нітрату в розчині, що утворився.

68

13

Якісні реакції на деякі йони

Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, які хімічні реакції називають якісними; виявляти деякі йони за допомогою якісних реак цій; аналізувати можливість здійснення якісної реакції.

Часто в хімічних лабораторіях виникає потреба з’ясувати, чи містить водний розчин певні катіони або аніони. Якщо для виявлен& ня йонів Н+ і ОН– використовують індикатори, то для інших йонів здійснюють хімічні реак& ції, що супроводжуються особливими зовніш& німи ефектами — утворенням характерного осаду, виділенням газу з певними властивос& тями, появою чи зміною забарвлення розчи& ну. Такі реакції називають якісними. Їх вико& ристовують не лише для виявлення йонів у розчинах, а й для розпізнавання сполук. Якіс& ні реакції є частиною одного з розділів хіміч& ної науки — аналітичної хімії. Розглянемо реакції, за допомогою яких можна виявити у водному розчині деякі йони. Щоб з’ясувати, чи містяться в розчині хло& рид&іони, до нього додають розчин аргентум нітрату. За наявності йонів Cl– йони Ag+ сполучаються з ними, й утворюється білий сирнистий осад аргентум хлориду, нерозчин& ний у кислотах.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 7 Виявлення хлорид-іонів у розчині Налийте в пробірку 1 мл розчину натрій хлориду або розбавленої хлоридної кислоти і додайте 2—3 краплі розчину аргентум нітрату. Що спостерігаєте?

69

Додайте до вмісту пробірки 1 мл розбавленої нітрат& ної кислоти. Чи розчиняється осад у кислоті? Складіть молекулярне і йонно&молекулярне рівнян& ня реакції. Розчин аргентум нітрату слугує також для виявлення інших аніонів. Наприклад, під час додавання цього реактиву до розчину, в якому містяться йони PO43–, відбувається реакція з утворенням осаду жовтого кольору: 3AgNO3 + K3PO4 = Ag3PO4↓ + 3KNO3; 3Ag+ + PO43– = Ag3PO4↓. Для здійснення якісних реакцій на деякі аніо ни замість розчину аргентум нітрату можна використати розчин плюмбум(ІІ) нітрату. Хло рид, бромід, сульфат, ортофосфат і карбонат Плюмбуму(ІІ) — білі осади, а йодид — жовтий (мал. 27). Якщо досліджують дуже розбавлений розчин, то реакція обміну може не відбутися, оскільки солі PbCl2, PbBr2, PbI2, PbSO4 є мало розчинними.

Мал. 27. Осадження броміду (а) і йодиду (б) Плюмбуму(ІІ)

а

б

Наявність у розчині сульфат&аніонів дово& дять за допомогою розчину солі Барію. Білий дрібнокристалічний осад барій сульфату, який утворюється під час відповідної реакції, не розчиняється в кислотах.

70

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 8 Виявлення сульфат-іонів у розчині Налийте в пробірку 1—2 мл розчину натрій сульфа& ту або розбавленого розчину сульфатної кислоти і додайте кілька крапель розчину барій хлориду. Що спостерігаєте? З’ясуйте, чи розчиняється осад у розбавленій нітратній кислоті. Складіть молекулярне і йонно&молекулярне рівнян& ня реакції. Розчин солі Барію, Кальцію або будь&яку кислоту використовують для здійснення якіс& ної реакції на карбонат&іони.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 9 Виявлення карбонат-іонів у розчині Налийте у дві пробірки по 1—2 мл розчину натрій карбонату. В одну пробірку додайте кілька крапель розчину барій хлориду, а в другу — 2 мл розбавленої нітратної кислоти. Які зміни відбуваються в пробірках? Складіть молекулярні та йонно&молекулярні рів& няння реакцій. Під час досліду ви спостерігали в одному випадку утворення нерозчинної солі, а в іншо& му — газу, що не має запаху. Якщо до отвору пробірки, з якої виділяється цей газ, піднести зволожений універсальний індикаторний папірець, то він змінить колір на рожевий (продукт взаємодії вуглекислого газу з водою — кислота). Переконатися в утворенні вуглекис& лого газу також можна, пропускаючи його в розчин кальцій гідроксиду — з’явиться білий осад кальцій карбонату: СO2 + Са(ОН)2 = СаСO3↓ + Н2O. 71

За допомогою розбавленої сульфатної або хлоридної кислоти можна виявляти в розчи& нах силікат&, сульфід&, сульфіт&аніони. Про& дуктами відповідних реакцій є нерозчинна кислота H2SiO3, газ сірководень H2S, що має запах тухлих яєць, нестійка кислота H2SO3, яка розкладається з виділенням сірчистого газу SO2 із запахом сірки, що горить. Якісні реакції застосовують і щодо катіо& нів. За допомогою лугу в розчині виявляють йони амонію NH4+ (утворюється газ амоніак NH3 зі специфічним запахом), Fe2+, Fe3+ (оса& джуються гідроксиди Феруму, які мають різне забарвлення). Катіони Ag+ можна виявити, скориставшись хлоридною кислотою чи роз& чином натрій хлориду. Здійснити якісну реакцію на певний йон часто не вдається, якщо досліджуваний розчин містить інші йони. Наприклад, за допомогою солі AgNO3 виявити хлорид іони неможливо в розчині, у складі якого є ще й бромід , йодид , сульфат , карбонат або ортофосфат іони; усі ці йони сполучаються з йонами Ag+, й утворюють ся осади відповідних солей.

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_72.mp4

За допомогою якісних реакцій виявляють токсичні катіони та аніони в промислових сто& ках. Якісні реакції на нітрат&іони дають змогу перевірити, чи містяться залишки добрив (нітратів) в овочах. За покликанням у QR&коді подивіться, як можна виявити деякі елементи за забарвлен& ням ними полум’я.

ВИСНОВКИ

Реакції за участю певних йонів, які відбува' ються з характерним зовнішнім ефектом (утво' рення осаду, виділення газу, поява чи зміна забарвлення розчину), називають якісними реакціями. Їх здійснюють з метою виявлення різних йонів у розчині, розпізнавання сполук.

72

?

90. Яку реакцію називають якісною?

91. Реакції якого типу відбувалися під час виконання вами лаборатор них дослідів № 7—9?

92. Чи можна виявити в розчині хлорид , бромід , йодид , ортофосфат іони за допомогою розчину солі Барію? Відповідь обґрунтуйте.

93. У воді розчинили сульфат і карбонат Натрію. Чи можна довести наявність у цьому розчині аніонів кожного типу, використовуючи лише розчин аргентум нітрату?

94. Утворення жовтого осаду аргентум ортофосфату — результат якіс ної реакції на PO43– йони з використанням розчину аргентум нітра ту. Цей осад, на відміну від аргентум хлориду, взаємодіє з нітратною кислотою. Напишіть молекулярне і йонно молекулярне рівняння реакції.

95. Обчисліть масу аргентум нітрату, яку потрібно розчинити в 1 л води, щоб приготувати 1 % й розчин солі для здійснення якісних реакцій на деякі аніони.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 2 Розв’язування експериментальних задач Вам видано певні речовини та розчини. У вашому розпорядженні — розчин натрій гідроксиду, розбавле& на сульфатна кислота, а також промивалка з водою і скляні палички. Для виконання завдання 3 вам необхідно замовити в учителя додатковий реактив. ВАРІАНТ І

Завдання 1. Розпізнавання твердих сполук. У трьох довільно пронумерованих пробірках містять& ся білі порошки натрій нітрату, натрій карбонату і кальцій карбонату. Визначте вміст кожної пробірки. Завдання 2. Розпізнавання розчинів сполук. У трьох довільно пронумерованих пробірках містять& ся безбарвні розчини натрій хлориду, магній хлориду і цинк сульфату. Визначте вміст кожної пробірки.

73

Завдання 3. Виявлення йонів у розчині. У виданому розчині містяться дві солі Натрію — карбонат і сульфат. Доведіть наявність у ньому аніонів СО32– та SО42–. ВАРІАНТ ІІ

Завдання 1. Розпізнавання твердих сполук. У трьох довільно пронумерованих пробірках містять& ся білі порошки калій нітрату, магній карбонату і барій сульфату. Визначте вміст кожної пробірки. Завдання 2. Розпізнавання розчинів сполук. У трьох довільно пронумерованих пробірках містять& ся безбарвні розчини калій нітрату, барій хлориду і алюміній сульфату. Визначте вміст кожної пробірки. Завдання 3. Виявлення йонів у розчині. У виданому розчині містяться дві солі Калію — кар& бонат і хлорид. Доведіть наявність у ньому аніонів СО32– і Cl–. Послідовність дій під час виконання кожного зав& дання, спостереження, висновки запишіть у зошит. Складіть відповідні рівняння реакцій у молекуляр& ній та йонно&молекулярній формах.

?

96. У вашому розпорядженні замість сульфатної кислоти є хлоридна кислота. Чи можна в цьому разі виконати завдання: а) варіанта І; б) варіанта ІІ? Відповіді аргументуйте.

97. Чи можна розпізнати сполуки в завданні 1 кожного варіанта за допомогою нагрівання? У разі позитивної відповіді розкажіть, як ви виконаєте завдання. Напишіть відповідні хімічні рівняння.

2

розділ

Хімічні реакції

У цьому розділі узагальнено інформацію про відомі вам типи хімічних реакцій, а також розглянуто реакції, яких ви ще не ви& вчали. Охарактеризовано теплові ефекти хімічних перетворень і вплив різних чинни& ків на швидкість реакцій. Виконуючи запро& поновані вправи, ви набудете нових навичок зі складання хімічних рівнянь.

14

Класифікації хімічних реакцій Матеріал параграфа допоможе вам: поповнити свої знання про типи хімічних реак цій; пригадати випадки, коли реакції розкладу, замі щення та обміну є можливими; дізнатися про оборотні та необоротні реакції.

Ознаки, за якими класифікують хімічні реакції. Перетворення одних речовин на інші постійно відбуваються в природі; без них не& можливе існування живих організмів. Різно& 75

манітні реакції досліджують учені в лаборато& ріях, здійснюють інженери і технологи на заводах, учні та студенти під час виконання практичних робіт. Хімічні реакції відбуваються повільно або миттєво, за звичайних умов або нагрівання, наявності каталізатора чи без нього. Вони можуть супроводжуватися різними зовнішні& ми ефектами — утворенням осаду чи газу, змі& ною кольору речовин або розчинів, виділен& ням теплоти тощо. Під час вивчення хімії використовують класифікації хімічних реакцій. Їхні типи виокремлюють з урахуванням певних ознак, особливостей перебігу. Найважливіші з них: • кількість реагентів і продуктів реакції; • можливі напрямки перебігу реакції; • зміна чи збереження ступенів окиснення елементів1 унаслідок перетворень речовин; • виділення або поглинання теплоти під час реакції. У цьому параграфі узагальнено відомості про реакції сполучення, розкладу, заміщення та обміну, а також розглянуто реакції, які можуть відбуватися в різних напрямках. Реакції сполучення і розкладу. У 7 класі ви дізналися про реакції, у кожній із яких кіль& кість реагентів і продуктів неоднакова.

Реакцію, в якій із кількох речовин утворюється одна речовина, називають реакцією сполучення. Вам відомі реакції сполучення, в яких беруть участь: • дві прості речовини (мал. 28) Реакція сполучення A + B (+ ...) → C

2Al + 3Br2 = 2AlBr3,

метал

H2 + Cl2 = 2HCl;

неметал 1

76

неметал

неметал

Про ступінь окиснення елемента йдеться в § 15.

Мал. 28. Реакція алюмінію з бромом

• два оксиди BaO + H2O = Ba(OH)2, оснвний оксид

луг

N2O5 + H2O = 2HNO3, кислотний оксид

кислота t

3CaO + P2O5 = Ca3(PO4)2. оснвний кислотний сіль оксид оксид

Не всі реакції між простими речовинами, оксидами є можливими. Наприклад, інертні гази гелій, неон і аргон не взаємодіють із жод& ною речовиною. Не відбуваються реакції кисню з хлором, бромом, йодом, а водню — з бором, силіцієм. Золото реагує лише з найак& тивнішими неметалами — галогенами, а також із деякими сполуками. Оксиди реагують між собою, якщо різняться хімічними властивостя& ми. Так, оснвні оксиди взаємодіють із кислот& ними й амфотерними оксидами. Складіть рівняння реакцій: а) між натрієм і воднем; б) між оксидами Літію і Суль& фуру(VI).

Реакцію, в якій з однієї речовини утворюється кілька речовин, називають реакцією розкладу. Очевидним є те, що розкладатися здатні лише складні речовини. Серед них — нероз& 77

чинні у воді основи, амфотерні гідроксиди, оксигеновмісні кислоти та їхні солі, деякі оксиди (мал. 29): t

Fe(OH)2 = FeO + H2O↑; основа

t

H2SiO3 = SiO2 + H2O↑;

Реакція розкладу A → B + C (+ ...)

кислота

t

СаCO3 = СаO + CO2↑; сіль

t

2HgO = 2Hg + O2↑. оксид

O2 Мал. 29. Розклад меркурій(ІІ) оксиду

HgO

Hg

Реакції розкладу переважно відбуваються за нагрівання. Карбонатна і сульфітна кисло& ти розкладаються вже за звичайних умов під час утворення: → H2CO3.

CO2 + H2O ← Продуктами розкладу основ, оксигеновміс& них кислот і більшості їхніх солей є оксиди. Не розкладаються за нагрівання гідроксиди, карбонати й сульфати Натрію і Калію, а також солі, утворені нелеткими оксидами, — фосфа& ти, силікати, цинкати, алюмінати тощо. При& клади таких сполук: AlPO4, K2SiO3, MgZnO2. Складіть рівняння реакцій розкладу: а) цинк карбонату; б) алюміній гідроксиду. Реакції заміщення та обміну. Вивчаючи у 8 класі хімічні перетворення неорганічних сполук, ви дізналися про реакції, в кожній з яких — два реагенти і два продукти.

78

Реакцію між простою і складною речовиною, в резуль' таті якої утворюються інші проста і складна речовини, називають реакцією заміщення. Реакція заміщення A + BC → B + AC

Реакції заміщення за участю металів вам відомі. Лужні та лужноземельні метали взає& модіють із водою: 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑.

У таких реакціях один атом Гідрогену в кож& ній молекулі води заміщується на атом (точні& ше — на йон) металічного елемента. Під час реакцій деяких металів із водяною парою відбувається повне заміщення атомів Гідрогену в молекулах води: t

Zn + H2O (пара) = ZnO + H2. Майже всі метали реагують із кислотами. У разі участі в реакціях хлоридної, розбавленої сульфатної та деяких інших кислот виді& ляється водень: 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2↑. Такі перетворення можливі, якщо метал пере& буває в ряду активності зліва від водню. Метали можуть взаємодіяти з розчинами солей. Продуктами цих реакцій є інший метал і нова сіль: Mg + CuSO4 = Cu + MgSO4. Відповідні перетворення відбуваються, якщо метал&реагент розміщений у ряду активності зліва від металу&продукту. Напишіть рівняння реакції міді з розчином аргентум нітрату. Цинк, алюміній, олово, інші активні мета& ли, яким відповідають елементи, що утворю& ють амфотерні оксиди та гідроксиди, взаємо& діють із лугами. Під час реакції металу з роз& плавленим лугом атоми металічного елемента 79

заміщують атоми Гідрогену в гідроксильних групах другого реагенту: t

2Al + 6NaOH = 2Na3AlO3 + 3H2↑. У реакціях заміщення можуть брати участь і неметали. Наприклад, більш активний гало& ген витісняє менш активний із водного розчи& ну галогеноводню (безоксигенової кислоти) або солі (галогеніду): Br2 + 2HI = I2 + 2HBr; Cl2 + 2KBr = Br2 + 2KCl. Нагадуємо, що хімічна активність галогенів зростає у групі періодичної системи знизу догори.

Реакцію між двома складними речовинами, у результаті якої вони обмінюються своїми складниками (атомами, групами атомів, йонами), називають реакцією обміну. Реакції обміну відбуваються переважно у водному розчині. У них беруть участь елек& троліти — основи, кислоти, солі. Випадки, коли такі реакції можливі, вам відомі. Це — виділення осаду (мал. 30), утворення газу або слабкого електроліту (в тому числі води):

Реакція обміну AB + CD → AD + CB

CdCl2 + Na2S = CdS↓ + 2NaCl; H2SO4 + MgCO3 = MgSO4 + H2CO3;

CO2↑ H2O KOH + HCl = KCl + H2O.

Складіть йонно&молекулярні рівняння цих реакцій. Яка з них є реакцією нейтралізації? Оборотні та необоротні реакції. Чимало реакцій відбувається лише «в одному напрям& ку», тобто згідно з хімічними рівняннями. Їхні продукти за будь&яких температури й тиску не взаємодіють з утворенням речовин, які щойно були реагентами. Такі реакції називають необоротними. До них належать, 80

Na2S

Мал. 30. Осадження кадмій сульфіду

CdCl2

CdS

зокрема, розглянуті в параграфі реакції замі& щення. Так, реакція 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑ є необоротною, оскільки протилежне перетво& рення неможливе: NaOH + H2 → / Відомі реакції іншого типу. Кальцій оксид за звичайних умов повільно взаємодіє з вугле& кислим газом: СаО + СО2 = СаСО3. Якщо продукт цієї реакції — кальцій карбо& нат — сильно нагріти, він почне розкладатися на кальцій оксид і вуглекислий газ, тобто від& буватиметься протилежна реакція: t

СаСО3 = СаО + СО2↑. У певному температурному інтервалі можливі як утворення кальцій карбонату, так і його розклад. За цих умов обидві реакції не відбу& ваються до кінця, і в закритій посудині вияви& мо суміш трьох сполук — кальцій оксиду, карбон(IV) оксиду і кальцій карбонату.

Хімічні реакції, які можуть відбуватися в протилеж' них напрямках, називають оборотними. Деякі реакції є оборотними за звичайних умов. Серед них — взаємодія вуглекислого або сірчистого газу з водою.

81

Оборотна реакція

Реакцію між речовинами, записа& ними в лівій частині хімічного рів& ⎯⎯ ⎯⎯ ⎯⎯ ⎯⎯ ⎯⎯ →С+D A + B→ няння, називають прямою, а проти& зворотна реакція лежну реакцію — зворотною. Одно& часний перебіг цих реакцій показують у рів& нянні за допомогою знаку оборотності: → Н2SО3.

SО2 + Н2О ← пряма реакція

ВИСНОВКИ

Для класифікації хімічних реакцій вико' ристовують різні ознаки. Зіставляючи кіль' кості реагентів і продуктів, а також зважаючи на те, простою чи складною є кожна речови' на, розрізняють реакції сполучення, розкла' ду, заміщення та обміну. Залежно від напрямку перебігу хімічні реак' ції поділяють на оборотні (вони можуть відбу' ватися в прямому і зворотному напрямках) і необоротні (можлива лише пряма реакція).

?

98. Назвіть ознаки, за якими класифікують хімічні реакції.

99. Дайте означення реакціям сполучення, розкладу, заміщення та обміну.

100. Знайдіть відповідність між хімічним рівнянням і типом реакції: Рівняння реакції Тип реакції t

1) 2NH3 + 3Mg = Mg3N2 + 3H2; 2) HPO3 + H2O = H3PO4; t

а) реакція обміну; б) реакція розкладу;

3) 4Na2SO3 = 3Na2SO4 + Na2S; в) реакція заміщення; 4) MgI2 + 2KOH = Mg(OH)2↓ + 2KI; г) реакція сполучення.

101. Запишіть рівняння двох реакцій — сполучення і розкладу, під час яких утворюється алюміній оксид.

102. Складіть два молекулярні рівняння реакцій обміну, які відповіда ють йонно молекулярному рівнянню Ag+ + Br– = AgBr↓.

103. Напишіть рівняння оборотної реакції утворення амоніаку NH3 із простих речовин. Укажіть пряму і зворотну реакції.

104. Яка кількість речовини сульфатної кислоти необхідна для нейтра лізації розчину, що містить гідроксиди Натрію і Калію кількостями речовини по 0,1 моль? (Усно.)

82

105. Обчисліть масу солі, що утворилася після нейтралізації барій гідрок сидом розчину нітратної кислоти масою 50 г із масовою часткою кислоти 25,2 %.

106. Сульфур(VІ) оксид за сильного нагрівання повністю розклався на сульфур(IV) оксид і кисень. Визначте: а) середню молярну масу утвореної суміші газів; б) відносну густину цієї суміші за повітрям.

107. Після нагрівання порції кальцій карбонату її маса зменшилася на 11 %. Обчисліть масові частки речовин у твердому залишку.

15

Ступінь окиснення хімічного елемента Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, що називають ступенем окиснення хімічного елемента; складати формули сполук за значеннями ступе нів окиснення елементів; визначати ступені окиснення елементів за хіміч ними формулами сполук.

Атоми — електронейтральні частинки. Вони залишаються такими, сполучаючись у молеку& ли простих речовин. Однак на атомах, які містяться в молекулах складних речовин, за& звичай виникають невеликі заряди — позитивні або негативні. Це є наслідком зміщення спіль& них електронних пар ковалентних зв’язків до атомів більш електронегативних елементів. Яку властивість хімічного елемента назива& ють електронегативністю? Розглянемо молекулу хлороводню HCl. Ковалентний зв’язок у ній між атомами є полярним, оскільки Гідроген і Хлор різняться за електронегативністю (табл. 2). Спільна електронна пара, яка забезпечує цей зв’язок, зміщена до більш електронегативного атома Хлору (H :Cl, H→Cl). На ньому зосереджуєть& 83

ся невеликий негативний заряд, а на атомі Гідрогену — такий самий за значенням, але δ+ δ–

позитивний заряд: HCl (δ = 0,2). Таблиця 2 Значення електронегативності хімічних елементів 1—3 періодів Групи

Період І

ІІ

ІІІ

ІV

V

VI

VII

VIII

1

H 2,1

He —

2

Li 1,0

Be 1,5

B 2,0

C 2,5

N 3,0

O 3,5

F 4,0

Ne —

3

Na 0,9

Mg 1,2

Al 1,5

Si 1,8

P 2,1

S 2,5

Cl 3,0

Ar —

Якщо уявити, що спільна електронна пара повністю зміститься до атому Хлору (вона вже не буде спільною), то цей атом отримає свій електрон, який брав участь у ковалентному зв’язку, а також електрон від атома Гідрогену. На атомі Хлору виникне заряд –1, а атом Гідро& гену, втративши електрон, набуде заряду +1.

Умовний цілочисельний заряд атома в речовині нази' вають ступенем окиснення елемента. Ступінь окиснення вказують у хімічній формулі над символом елемента, записуючи спочатку знак («+» або «–»), а потім — число: +1 –1

HCl.

ВПРАВА 1.Обчислити ступені окиснення хімічних елементів в амоніаку NH3. Розв’язання

У молекулі NH3 тривалентний атом Нітрогену сполучений простими ковалентними зв’язками з кожним атомом Гідрогену:

84

H Н–N–H. –

:

H Н : N : H,

Зв’язок N–H є полярним, бо елементи різняться за електро& негативністю: Нітроген більш електронегативний, ніж Гід& роген. Передаємо всі три спільні електронні пари атому Нітрогену. У результаті атом Нітрогену отримує заряд –3, оскільки до нього, крім своїх трьох електронів, надходять три електрони від атомів Гідрогену. Кожний атом Гідрогену набуває заряду +1, бо втрачає електрон, передавши його атому Нітрогену. Запишемо формулу сполуки зі знайденими ступенями окис& нення елементів: –3 +1

NH3. Якщо речовина складається з йонів, то сту& пінь окиснення хімічного елемента, що утво& рює йон, збігається із зарядом цієї частинки. Наводимо формули двох йонних сполук разом зі ступенями окиснення елементів: +1 –1

+3 –2

NaCl, Al2O3. (Нагадуємо, що заряд йона записують справа від символу елемента верхнім індексом, при& чому спочатку вказують цифру (за винятком одиниці), а потім — знак: Na+, Al3+, Cl–, O2–.)

Сума ступенів окиснення всіх атомів у кожній речови' ні дорівнює нулю. Це — правило електронейтральності речо вини. Його ми використовували у 8 класі, складаючи хімічні формули йонних сполук. Наведене правило поширюється і на речовини молекулярної та атомної будови. Правило електронейтральності допомагає перевірити хімічну формулу складної речови& ни. Так, формула алюміній оксиду Al2O3 є правильною, оскільки сума ступенів окиснен& ня всіх частинок (фактично — сума зарядів усіх йонів, закладених у формулу сполуки) становить 2 · (+3) + 3 · (–2) = 0. Ступінь окиснення хімічного елемента може дорівнювати нулю. Нульові значення ступе 85

ня окиснення мають елементи у простих речовинах — водні Н2, сірці S8, залізі Fe тощо (поясніть це), а також у деяких бінарних спо& луках, утворених елементами з однаковою електронегативністю. Щоб визначати ступені окиснення елемен& тів у сполуках за їхніми хімічними формула& ми, а також складати формули сполук, по& трібно знати такі закономірності: 1) металічні елементи мають у сполуках лише позитивні ступені окиснення; 2) ступінь окиснення Гідрогену у сполуках з неметалічними елементами зазвичай стано& вить +1, а в сполуках із металічними еле& ментами дорівнює –1; 3) Оксиген майже в усіх сполуках виявляє ступінь окиснення –2; 4) Флуор як найбільш електронегативний еле& мент завжди має в сполуках ступінь окис& нення –1; 5) максимальний (позитивний) ступінь окис& нення елемента збігається з номером групи, в якій міститься цей елемент; 6) мінімальний (негативний) ступінь окиснен& ня неметалічного елемента дорівнює номе& ру групи, в якій він перебуває, мінус 8. ВПРАВА 2. Визначити ступені окиснення хімічних елементів у сполуці, формула якої — K4P2O7. Розв’язання

Спочатку з’ясовуємо ступені окиснення Калію та Оксигену. Калій — металічний елемент. Його ступінь окиснення у спо& луці має бути позитивним (закономірність 1) і становить +1, оскільки Калій — елемент І групи (закономірність 5). Ступінь окиснення Оксигену в сполуці становить –2 (законо& мірність 3). Обчислюємо ступінь окиснення Фосфору, скориставшись правилом електронейтральності речовини: +1 x –2

K4P2O7; 4 · 1 + 2 · х + 7 · (–2) = 0; х = (14 – 4) : 2 = 5.

86

Формула сполуки із визначеними ступенями окиснення еле& +1 +5 –2

ментів — K4P2O7.

ВПРАВА 3. Скласти формулу сполуки Магнію з Нітрогеном. Розв’язання

Магній — металічний елемент; він перебуває в ІІ групі та має у сполуках ступінь окиснення +2 (закономірності 1 і 5). Нітро& ген є неметалічним елементом; він належить до V групи. У спо& луці з металічним елементом Нітроген виявляє негативний сту& пінь окиснення, який становить 5 – 8 = –3 (закономірність 6). Записуємо формулу сполуки з невідомими індексами і вка& зуємо ступені окиснення елементів: +2

–3

MgxNy. Знаходимо найменше число, яке ділиться без залишку на значення ступенів окиснення елементів; це число 6. Поділив& ши його на 2, отримуємо кількість атомів Магнію у формулі сполуки (6 : 2 = 3), а поділивши на 3 — кількість атомів Нітро& гену (6 : 3 = 2). Формула сполуки — Mg3N2. Ступінь окиснення використовують як уні& версальну величину, зручну для класифікації речовин, хоча для речовин молекулярної й атомної будови вона має умовний характер. Будь&яка бінарна сполука Оксигену, в якій ступінь окиснення цього елемента становить –2, є оксидом. Речовини Н2О2, BaO2, OF2 до оксидів не зараховують, оскільки в перших двох речовинах Оксиген має ступінь окиснен& ня –1, а в третій +2. Значення ступеня окиснення і валентності хімічного елемента нерідко збігаються (напри& клад, Гідрогену в сполуці HCl, Карбону в спо& луці СО2). Проте їх не можна плутати і замі& нювати одне одним, бо поняття «ступінь окис& нення» і «валентність» є різними за змістом. Поняття «валентність» поступово втрачає своє значення в хімії, але залишиться в історії хімічної науки як одне з її перших фундамен& тальних понять.

87

ВИСНОВКИ

Ступінь окиснення хімічного елемента — це умовний цілочисельний заряд атома в речовині. Його визначають, повністю змі' щуючи спільні електронні пари до атомів більш електронегативних елементів. Ступінь окиснення елемента в його йоні збігається із зарядом йона. Сума ступенів окиснення всіх атомів у речовині дорівнює нулю. Це — правило елек' тронейтральності. Його використовують, скла' даючи формули сполук різної будови. Значення ступеня окиснення і валентності хімічного елемента можуть збігатися.

?

–

–

108. Дайте означення поняття «ступінь окиснення хімічного елемента».

109. Яких мінімального та максимального значень може набувати сту пінь окиснення: а) металічного елемента; б) неметалічного елемента?

110. Які максимальні та мінімальні значення ступенів окиснення можуть мати Силіцій, Літій, Манган, Селен, Фосфор?

111. Визначте і вкажіть у наведених формулах речовин ступені окис нення елементів: NaH, P2S5, Br2, CCl4, H2S, Li3N, AlP. 112. Складіть формули оксидів, у яких: а) Хлор має ступені окиснення +1 і +7; б) Арсен має ступені окиснення +3 та +5.

113. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках із такими фор мулами: KOH, Н2SO4, Н3PO4, CaCO3, NaNO2, Mg(NO3)2.

114. Чим різняться поняття «валентність» і «ступінь окиснення»?

115. Визначте ступені окиснення елементів у сполуках за графічними формулами їхніх молекул: Н а) H–C≡N; в) Н–N–О–Н.

Cl б) O=C–Cl; Зіставте знайдені ступені окиснення зі значеннями валентності елементів у цих сполуках.

88

16

Окисно-відновні реакції

Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, яку реакцію називають окисно віднов ною; розрізняти процеси окиснення й відновлення, окисники та відновники; зрозуміти значення окисно відновних реакцій.

Окисно'відновні реакції. Порівняємо два хімічні перетворення: (1) Mg(OH)2 = MgO + H2O; (2) 2Mg + O2 = 2MgO. З огляду на кількість реагентів і продуктів у кожній реакції доходимо висновку: реакція (1) є реакцією розкладу, а реакція (2) — реак& цією сполучення. Ці реакції відрізняються й за іншою озна& кою. Звернемо увагу на ступені окиснення хімічних елементів у реагентах і продуктах. Визначте ступені окиснення елементів у речовинах, формули яких записано в хіміч& них рівняннях (1) і (2). Указавши ступені окиснення елементів над їхніми символами у формулах реагентів і про& дуктів, виявимо, що вони змінюються лише в разі утворення оксиду із простих речовин: +2 –2 +1

+2 –2

+1 –2

Mg(OH)2 = MgO + H2O; 0

0

+2 –2

2Mg + O2 = 2MgO. Таку особливість мають майже всі реакції між простими речовинами, а також багато хімічних перетворень за участю складних речовин.

89

Реакції, які відбуваються зі зміною ступенів окиснення елементів, називають окисно!відновними реакціями. Процеси окиснення і відновлення. З’ясуємо походження терміна «окисно&відновна реак& ція». Раніше, характеризуючи реакції за уча& стю кисню, ми стверджували, що речовина, яка взаємодіє з киснем, зазнає окиснення. У реакції (2) такою речовиною є магній. Кож& ний атом металічного елемента втрачає 2 елек& трони і перетворюється на катіон: Mg – 2e– = Mg2+. Ступінь окиснення елемента Магнію підви& щується від 0 до +2; він окиснюється. Із магнієм взаємодіє кисень. Кожний атом Оксигену молекули О2 приєднує 2 електрони й перетворюється на аніон: О + 2е– = О2–.

Процес окиснення 0

+2

Mg – 2e–= Mg Процес відновлення 0

–2

O + 2e–= O

Ступінь окиснення Оксигену знижується від 0 до –2; цей елемент відновлюється. Окиснення — процес втрачання електро нів частинкою речовини, а відновлення — процес приєднання нею електронів. Процеси окиснення й відновлення завжди супроводжують один одного. Електрони не виникають із нічого й не накопичуються в пробірці. Скільки електронів втрачають одні частинки, стільки їх приєднують інші. Переконаємося в цьому на прикладі реакції 2Mg + O2 = 2MgO. Два атоми Магнію втрачають 4 електрони 2Mg – 2 . 2e– = 2Mg2+, а два атоми Оксигену, які містяться в молеку& лі О2, приєднують 4 електрони: О + 2 . 2е– = 2О2–.

2

Теорію окисно&відновних реакцій, яку було названо електронно&йонною теорією, запропо& нував у 1914 р. вітчизняний учений Л. В. Пи& саржевський.

90

Лев Володимирович Писаржевський (1874—1938)

https://uk.wikipedia.org/ wiki/Писаржевський_Лев _Володимирович

Український хімік, академік АН СРСР та АН УРСР. Розробив теорію окисно відновних реакцій, в основі якої — уявлення про пере хід електронів від одних частинок до інших (1914). Заклав основи електронної теорії каталізу. Професор Київського політехнічно го інституту (1908—1911), катеринослав ських (нині — дніпровські) вищих навчаль них закладів — гірничого інституту й універ ситету. Організував Науково дослідний хімічний інститут (м. Тбілісі). Із 1927 р. — директор створеного за його ініціативою Українського інституту фізичної хімії (тепер — Інститут фізичної хімії НАН України ім. Л. В. Пи саржевського). Дізнатися більше про вченого ви можете за покликанням у QR коді.

Окисники і відновники. Щодо речо& вин, які беруть участь в окисно&віднов& 4е– ній реакції, використовують терміни «окисник» і «відновник». Запам’ятайте: 0 0 +2 –2 2Mg + O2 = 2MgO окисник отримує електрони й відновлю& відновник окисник ється (ним у реакції 2Mg + O2 = 2MgO є кисень), а відновник втрачає електрони й окиснюється (це — магній). Окисниками та відновниками можуть бути як прості речовини, так і складні. Деякі речовини виконують роль лише окисника (наприклад, фтор), інші — лише відновника (наприклад, метали). Більшість неметалів, а також сполуки елементів у проміжних ступе& нях окиснення в одних реакціях є окисника& ми, а в інших — відновниками. Окисно'відновна реакція

Назвіть окисник і відновник у реакції t

CuO + H2 = Cu + H2O. 91

Отже, якщо в реакції бере участь або утво рюється проста речовина, то така реакція є окисно відновною. Справді, ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює нулю, а в сполуці є додатним або від’ємним числом. У клітинках таблиці розчинності, які відповіда ють солям FeI3 і CuI2, бачимо риски. Вони свід чать про те, що цих сполук не існує. Йони Fe3+ і Cu2+ беруть участь в окисно відновних реакціях із йонами I– (мал. 31). Відповідні йонно молеку лярні рівняння: 2Fe3+ + 2I– = 2Fe2+ + I2; ↓ + I2.

2Cu2+ + 4I– = 2CuI↓ Катіони металічних елементів є окисниками, а аніон Йоду — відновником.

KI Мал. 31. Реакція купрум(ІІ) сульфату з калій йодидом у розчині

CuI, I2

CuSO4

Значення окисно'відновних реакцій. Окис' но&відновні реакції постійно відбуваються у природі. Вони становлять основу таких най& важливіших процесів, як дихання і фотосин& тез. У цих процесах одним із елементів, які змінюють ступінь окиснення, є Оксиген. Під час дихання його атоми (з них складаються молекули кисню) відновлюються, а внаслідок фотосинтезу (вони містяться в молекулах оксигеновмісних сполук) — окиснюються: 0

–2

О2 + 2 . 2е– = 2О (дихання); –2

0

2О – 2 . 2е– = О2 (фотосинтез).

92

Окисно&відновні реакції використовують у багатьох галузях промисловості. Хімічні пере& творення цього типу відбуваються в процесах добування металів із руд, спалювання різних видів палива на теплоелектростанціях, зго& ряння у двигунах автомобілів бензину, дизель& ного пального, природного газу. Деякі окисно&відновні реакції відіграють негативну роль. Вони спричинюють пожежі, ржавіння заліза (мал. 32), псування харчових продуктів тощо.

Мал. 32. Корпус судна, вкритий іржею

ВИСНОВКИ

Реакції, які відбуваються зі зміною ступе' нів окиснення елементів, називають окисно' відновними. Окиснення — процес втрачання електронів частинками речовини, а віднов' лення — процес приєднання електронів. Речовину, яка окиснюється, називають від' новником, а речовину, що відновлюється, — окисником. Окисник отримує стільки елект' ронів, скільки їх втрачає відновник. Окисно'відновні реакції відбуваються в природі; їх використовують у промисловості, теплоенергетиці, транспортних засобах.

?

116. Які реакції називають окисно відновними?

117. Поясніть суть термінів «окиснення», «відновлення», «окисник», «відновник». Використовуючи ці терміни, прокоментуйте реакцію натрію з хлором.

93

118. Чому реакції, здійсненням яких із металічних руд добувають мета ли, є окисно відновними?

119. Які з наведених схем відповідають окисно відновним реакціям: t LiH; t, k NaCl + O ↑; а) Li + H2 → в) NaClO3 ⎯→ 2 б) CaO + CO2 → CaCO3; г) KOH + H2S → K2S + H2O? 120. Запишіть у порожні клітинки таблиці по одному хімічному рівнянню (не використовуйте наведених у параграфі та попередній вправі): Тип реакції

Ступені окиснення елементів змінюються

не змінюються

Реакція сполучення Реакція розкладу 121. Укажіть речовину окисник і речовину відновник у кожній реакції: t Ba N ; t Fe + CO ; а) Ba + N2 → в) Fe2O3 + CO → 3 2 2 t Li + SiO ; t Cu + N + H O. б) Li2O + Si → г) CuO + NH3 → 2 2 2 122. Знайдіть відповідність між речовиною і ступенем окиснення Хлору в ній, а також зазначте, в якій речовині цей елемент може бути в хімічних реакціях лише окисником, а в якій — лише відновником: Формула речовини Ступінь окиснення Хлору 1) Cl2O; а) 0; 2) FeCl2; б) +2; 3) HClO4; в) +1; 4) Cl2; г) –1; д) +7.

123. Які частинки — атоми K, С, Fe, F, йони S2–, Са2+, Fe2+ — можуть бути в хімічних реакціях: а) лише окисниками; в) і окисниками, і відновниками? б) лише відновниками; Відповіді обґрунтуйте.

124. Розмістіть формули простих речовин — сірки, фтору, білого фосфо ру та хлору — за зростанням їхньої хімічної активності як окисників.

125. Напишіть замість крапок кількість електронів, які приєднують або втрачають йони, і вкажіть процеси окиснення та відновлення: а) 2H+ … → H2; в) Fe2+ … → Fe3+; – б) 2F … → F2; г) MnO4– … → MnO42–.

126. Cкільки електронів приєднує чи втрачає атом Сульфуру під час таких перетворень: а) сульфат іон → сульфіт іон; б) молекула сульфатної кислоти → молекула сірководню; в) молекула сульфур(ІV) оксиду → сульфат іон?

127. Визначте об’єм водню (н. у.), який утворюється в результаті реак ції літію масою 0,1 г із достатньою кількістю води.

94

17

Складання рівнянь окисно-відновних реакцій Матеріал параграфа допоможе вам: навчитися добирати коефіцієнти під час складан ня рівнянь окисно відновних реакцій.

Перед тим як скласти рівняння окисно&від& новної реакції, необхідно записати схему реак& ції з формулами всіх реагентів і продуктів. Допишіть схеми реакцій: а) SO2 + O2 → … ; б) Al + HCl → … . Визначте в кожній реакції окисник і відновник. Сподіваємося, що ви впоралися із цим зав& данням. Однак під час виконання інших зав& дань такого типу можуть виникнути певні труднощі. Прогнозування продуктів багатьох окисно&відновних реакцій неможливе без знання характерних ступенів окиснення еле& ментів, хімічних властивостей речовин, іншої важливої інформації. Розглянемо, як «готові» схеми окисно&від& новних реакцій перетворюють на хімічні рів& няння. Добір коефіцієнтів у схемах реакцій цього типу можна здійснювати звичайним способом. Перетворіть дві щойно складені вами схеми реакцій на хімічні рівняння. У багатьох випадках (наприклад, коли взає& модіють або утворюються три речовини) тра& диційний добір коефіцієнтів потребує чимало часу. Переконайтесь у цьому, спробувавши перетворити схему реакції FeCl2 + O2 + HCl → FeCl3 + H2O на хімічне рівняння.

95

Існує універсальний та ефективний метод добору коефіцієнтів у схемах окисно&віднов& них реакцій. Його назва — метод електронно& го балансу. Він ґрунтується на тому, що кіль& кість електронів, які втрачають одні частинки й приєднують інші, завжди однакова. Доберемо коефіцієнти методом електронно& го балансу в останній схемі окисно&відновної реакції, виконавши такі дії.

1. Визначаємо ступені окиснення елемен тів у реагентах і продуктах реакції та під& креслюємо елементи, які змінили ступені окиснення: +2 –1

0

+1 –1

+3 –1

+1 –2

FeCl2 + O2 + HCl → FeCl3 + H2O.

2. З’ясовуємо, який з елементів є окисни ком, а який — відновником. Ферум підвищив ступінь окиснення від +2 до +3, отже, став відновником і окиснився, а Оксиген знизив ступінь окиснення від 0 до –2, виконав роль окисника й відновився.

3. Записуємо схеми окиснення і відновлення: схема окиснення Феруму +2

схема відновлення Оксигену +3

Fe (відновник) – 1e– = Fe

0

–2

O2 (окисник) + 2 . 2e– = 2O.

Зверніть увагу: у схемі відновлення перед атомом Оксигену записано коефіцієнт 2, бо з однієї молекули кисню утворюються два атоми. Молекула кисню приєднує 4 електро& ни, оскільки кожний атом Оксигену в ній приєднує 2 електрони. Отже, у схемах окис& нення і відновлення зазначають, скільки електронів втрачають або приєднують відпо& відні частинки, і за потреби добирають кое& фіцієнти.

4. Готуємо запис для визначення коефіці єнтів. Розміщуємо схему відновлення під схемою окиснення, а після вертикальної лінії записуємо вказані у схемах кількості елек& тронів: 96

+2

+3

Fe (відновник) – 1e– = Fe

0

1

процес окиснення

–2

O2 (окисник) + 2 . 2e– = 2O 4

процес відновлення

5. Визначаємо коефіцієнти. Добираємо най& менше спільне кратне для чисел 1 і 4. Це — число 4, яке записуємо після другої верти& кальної лінії. Поділивши його на кількість електронів, які втрачаються (1) і приєднують& ся (4), отримуємо числа 4 і 1 для схем окис& нення і відновлення відповідно. Вказуємо їх за третьою вертикальною лінією: +2

+3

Fe (відновник) – 1e– = Fe 0

1

4 процес окиснення 4

–2

O2 (окисник) + 2 . 2e– = 2O 4

1 процес відновлення

Числа в останньому стовпчику — 4 і 1 — це коефіцієнти у схемах відповідних процесів і майбутньому рівнянні. Записавши коефіцієн& ти 4 в схему окиснення +2

+3

4Fe (відновник) – 4• 1e– = 4Fe, +2

бачимо, що кожні 4 атоми Fe втрачають 4 електрони. Стільки ж електронів отримує 0

кожна молекула O2.

6. Перетворюємо схему реакції на хімічне рівняння. Записуємо коефіцієнти 4 перед фор& мулами двох сполук Феруму, а коефіцієнт 1 перед формулою кисню не вказуємо: +2

0

+3

–2

4FeCl2 + O2 + HCl → 4FeCl3 + H2O. Для того щоб у правій частині схеми, як і в лівій, було два атоми Оксигену, перед форму& лою води має бути коефіцієнт 2: +2

0

+3

–2

4FeCl2 + O2 + HCl → 4FeCl3 + 2H2O. Визначаємо коефіцієнт перед формулою хлороводню — сполуки, утвореної елемента& ми, які не змінили ступенів окиснення (це — число 4), і замінюємо стрілку на знак рівності: +2

0

+3

–2

4FeCl2 + O2 + 4HCl = 4FeCl3 + 2H2O. 97

Перевірте, чи однакова кількість атомів кожного елемента міститься в лівій і правій частинах рівняння. Складаючи рівняння окисно&відновних реакцій, візьміть до уваги такі поради: • коефіцієнти перед формулами окисника і відновника, визначені з урахуванням балансу електронів, змінювати не можна — вони є остаточними; • у деяких реакціях окиснюється або віднов& люється лише частина атомів певного еле& мента, тому що відповідний реагент у над& лишку: 0

+1 –2

+1 –2 +1

0

2Na + 2H2O (надл.) = 2NaOH + H2↑; коефіцієнт перед формулою цієї сполуки добирають останнім.

ВИСНОВКИ

Рівняння окисно'відновних реакцій скла' дають, використовуючи метод електронного балансу. Цей метод ґрунтується на тому, що кількість електронів, яку віддають частинки відновника і приєднують частинки окисника, однакова.

?

128. Запишіть замість крапок відповідні цифри і слова: … –2

+1 –1

… –1

…

… …

MnO2 + ...HВr = MnВr2 + Вr2 + ...H2O …

…

Mn (окисник) + ...e– = Mn –1

...

2

1 2

процес ...

…Вr (відновник) – 2e– = Вr2 2 1 процес ... .

129. Складіть рівняння окисно відновних реакцій за наведеними схе мами, використавши метод електронного балансу: а) SO2 + Br2 + H2O → H2SO4 + HBr; t б) Al + KOH → K3AlO3 + H2↑;

98

в) H2S + HNO3 → S↓ + NO↑ + H2O; г) NO2 + O2 + H2O → HNO3.

130. Допишіть схеми реакцій і перетворіть їх на хімічні рівняння за методом електронного балансу: а) FeCl3 + H2S → S↓ + FeCl2 + ... ; б) H2S + Cl2 + H2O → H2SO4 + ... ; t в) NH3 + O2 → N2 + … ; t г) FeO + Al → …+….

131. Реакція між ферум(ІІІ) оксидом і карбон(ІІ) оксидом може відбува тися з утворенням двох інших оксидів. Укажіть тип цієї реакції й складіть відповідне хімічне рівняння.

132. Сірка і фосфор взаємодіють із концентрованою нітратною кисло тою. Продуктами кожної реакції є кислота, яка відповідає вищому оксиду Сульфуру або Фосфору, а також нітроген(IV) оксид і вода. Складіть хімічні рівняння.

133. Яку кількість електронів під час реакції кальцію з киснем: а) втрачає 1 моль металу; б) втрачає 1 г металу; в) приєднує 1 л кисню (н. у.); г) приєднує 1 г кисню?

134. Обчисліть масу цинку, яку потрібно взяти для реакції з надлишком хлоридної кислоти, щоб за допомогою добутого водню перетвори ти 2 г купрум(ІІ) оксиду на метал.

18

Тепловий ефект хімічної реакції Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, як класифікують реакції за тепловим ефектом; зрозуміти причину теплового ефекту реакції; складати термохімічні рівняння.

Екзотермічні та ендотермічні реакції. Вам відомі реакції, які відбуваються з виділенням значної кількості теплоти. Це — реакції горіння. Їх використовували люди ще в давні часи, обігріваючи свої домівки, готуючи їжу, 99

спалюючи деревину, рослинні залишки, вугіл& ля. Нині сфера застосування реакцій горіння значно розширилася. Їх здійснюють на тепло& енергетичних підприємствах, металургійних заводах, у двигунах внутрішнього згоряння, під час запусків ракет і космічних кораблів, застосування вогнепальної зброї та піротех& нічних виробів (мал. 33).

Мал. 33. Використання реакцій горіння

Приклади реакцій горіння: t

4P + 5O2 = 2P2O5; t

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O. Теплота виділяється не лише під час горін& ня речовин, а й у разі змішування розчинів лугу та сильної кислоти (внаслідок перебігу реакції нейтралізації) NaOH + HCl = NaCl + H2O, гасіння вапна CaO + H2O = Ca(OH)2, взаємодії металів із кислотами: 2Al + 6HBr = 2AlBr3 + 3H2↑.

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_100.mp4

100

Реакції, під час яких теплота виділяється, часто відбуваються самовільно. У деяких ви& падках їх треба ініціювати (наприклад, підпа& лити речовину). Перебіг такого перетворення (назва досліду — «Хімічний вулкан») ви може& те спостерігати за покликанням у QR&коді.

Існують реакції, під час яких теплота поглинається. Серед них — реакції розкладу багатьох сполук (оксидів, гідроксидів, оксиге& новмісних солей, кристалогідратів): t

2SO3 = 2SO2 + O2; t

Pb(OH)2 = PbO + H2O↑; t

2KNO3 = 2KNO2 + O2↑; t

BaCl2 · 2H2O = BaCl2 + 2H2O↑. Для того щоб такі реакції відбувалися, речови& ни нагрівають. Якщо нагрівання припинити, то припиняється й хімічне перетворення.

Реакції, під час яких теплота виділяється, називають екзотермічними1, а реакції, під час яких теплота поглинається, — ендотермічними2. Тепловий ефект реакції. Виділення або поглинання теплоти під час перебігу хімічної реакції називають тепловим ефектом реак ції. З’ясуємо причину його виникнення. Кожна речовина має власну внутрішню енергію, яка складається з енергій усіх части& нок речовини (атомів, молекул, йонів) й енер& гій хімічних зв’язків між ними. Виміряти внутрішню енергію речовини неможливо. Під час реакції хімічні зв’язки між атомами або йонами в кожному реагенті розриваються (на це енергія витрачається; вона поглинається речовиною) й утворюються нові хімічні зв’язки в продуктах реакції (у цьому разі енергія виді& ляється). Якщо виділяється більше енергії, ніж поглинається, то реакція є екзотермічною, а якщо навпаки — реакція є ендотермічною. Для теплового ефекту реакції використову& ють позначення ΔН (читається «дельта&аш»).

1 2

Термін походить від грецького слова exo — ззовні. Термін походить від грецького слова endon — усередині.

101

У разі екзотермічної реакції ΔН < 0, а ендотер& мічної реакції — ΔН > 0 (мал. 34).

Мал. 34. Теплові ефекти хімічних реакцій

Екзотермічна реакція ΔН < 0

Ендотермічна реакція ΔН > 0

Теплота виділяється

Теплота поглинається

Тепловий ефект за необхідності вказують разом із хімічним рівнянням: t

S + O2 = SO2; ΔН < 0

(екзотермічна реакція);

t

CaCO3 = CaO + CO2↑; ΔН > 0 (ендотермічна реакція). Запишіть у зошит хімічні рівняння, наведе& ні на с. 100—101, і додайте до кожного рів& няння позначення теплового ефекту. Явище виділення або поглинання теплоти під час хімічної реакції узго& Екзотермічна реакція джується з принципом збереження A + ... = B + ...; ΔH < 0 енергії: енергія не виникає з нічого і не зникає безслідно, а лише перетворю Ендотермічна реакція ється з одного виду на інший. С + ... = D + ...; ΔH > 0 Термохімічне рівняння. Кількість теплоти, яка виділяється або поглина& ється в результаті реакції, можна визначити експериментально, наприклад за допомогою калориметра — пристрою, відомого вам з уро& ків фізики у 8 класі.

Хімічне рівняння із записом значення теплового ефек' ту реакції та агрегатних станів речовин1 називають термохімічним рівнянням.

1

Після формули твердої речовини додають позначку (тв.), рідкої — (р.), газу — (г.).

102

Приклади термохімічних рівнянь: t

Mg(OH)2 (тв.) = MgO (тв.) + Н2О (г.); ΔН = +82 кДж1; Na2О (тв.) + H2O (р.) = 2NaOH (тв.); ΔН = –151 кДж. Перше рівняння свідчить про те, що під час розкладу 1 моль магній гідроксиду з утворен& ням 1 моль магній оксиду та 1 моль водяної пари поглинається 82 кДж теплоти. Прокоментуйте друге термохімічне рів& няння. Чимало хімічних реакцій є оборотними. Так, кальцій карбонат під час нагрівання роз& кладається на кальцій оксид і вуглекислий газ (ендотермічна реакція) t

CaCO3 (тв.) = CaO (тв.) + CO2 (г.); ΔН = +178 кДж, а за звичайних умов ця сіль повільно утворю& ється із оксидів (екзотермічна реакція): CaO (тв.) + CO2 (г.) = CaCO3 (тв.); ΔН = –178 кДж. Відповідну закономірність формулюють так: тепловий ефект хімічної реакції дорівнює тепловому ефекту зворотної реакції, але має протилежний знак. Значення теплових ефектів багатьох хіміч& них реакцій наведені в довідниках. Ці харак& теристики реакцій важливі для практики. Наприклад, знаючи, скільки теплоти виді& ляється під час згоряння певного об’єму при& родного газу чи певної маси вугілля, плану& ють обсяги витрачання палива на теплоелек& тростанції.

ВИСНОВКИ

Усі хімічні перетворення відбуваються з тепловим ефектом. Реакції, під час яких виді' ляється теплота, називають екзотермічними, 1

Знак «плюс» перед значенням теплового ефекту вказують.

103

а реакції, під час яких поглинається тепло' та, — ендотермічними. Хімічне рівняння із записом значення теплового ефекту реакції називають термохі' мічним рівнянням.

?

135. Чому хімічна реакція супроводжується тепловим ефектом?

136. Як класифікують реакції залежно від їх теплового ефекту?

137. За дуже високої температури водяна пара розкладається на прості речовини. Поясніть, чому відповідна хімічна реакція є ендотермічною.

138. Під час утворення 1 моль хлороводню із простих речовин виділяєть ся 92,2 кДж теплоти. Складіть відповідне термохімічне рівняння.

139. Скориставшись термохімічним рівнянням N2 (г.) + 3H2 (г.) = = 2NH3 (г.); ΔН = –92,4 кДж, напишіть термохімічне рівняння реак ції розкладу амоніаку на прості речовини.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Калорійність харчових продуктів Відомо, що їжа є джерелом речовин та елементів, необхідних для життя тварин і людини. Крім того, це — джерело енергії для всіх живих істот. Реакції в організмі за участю речовин, спожитих із їжею, переважно екзотермічні; вони відбуваються з виділенням теплоти. Кількість енергії, що виділяється під час повного окиснення харчового продукту (умовно — його реакції з киснем, у результаті якої утворюються вуглекислий газ, вода, азот, інші речовини), ви значає калорійність продукту (мал. 35). Вивільнена теплова енергія потрібна живому організмові для здійснення в ньому реакцій, що відбуваються з поглинанням теплоти, а також для підтримання постійної температури тіла. Існують три основні групи поживних речовин у харчових продук тах: білки, жири та вуглеводи. Найважливішими жирами для життєдіяльності людини є рослинні олії (соняшникова, кукурудзяна, оливкова та ін.), тваринні жири (сало, вершкове масло тощо), а вуглеводами — цукор і крохмаль. Найбільше теплоти виділяється під час окиснення жирів — у середньому 3900 кДж у перерахунку на 100 г жиру.

104

Калорійність (кДж на 100 г продукту)

Продовження 4000

3500

3000 2500

2000

1500

1000

500

— помідори; — яблука; — молоко (жирність 3,2 %); — картопля; — риба нежирна; — сир (жирність 4 %); — яловичина нежирна; — хліб пшеничний;

— рис; — свинина жирна; — цукор; — шоколад молочний; — масло вершкове; — сало; — олія соняшникова

Мал. 35. Середня калорійність харчових продуктів

Білки і вуглеводи мають нижчу і майже однакову калорійність — приблизно 1700 кДж на 100 г речовини. Якщо олія складається практично лише із жирів, цукор — чистий вуглевод (сахароза), то стовідсоткової білкової їжі не існує. Найбільше білків міститься в м’ясі, рибі, яйцях, сирі, горіхах (10—25 % від маси продукту). Білки — найцінніший «будівельний» матеріал для організму, а вуглеводи й особливо жири важливі як джерела енергії.

105

Продовження Добова енергетична потреба людини становить у середньому 12 000 кДж і залежить від її віку, статі, фізичного та розумового навантаження. Визначити, скільки людині потрібно споживати біл ків, жирів, вуглеводів, певних харчових продуктів, щоб забезпечити свій організм необхідною кількістю енергії, неважко. Складніше обрати оптимальне для організму співвідношення, наприклад, тва ринних і рослинних жирів. Відповідні рекомендації розробляють біо логи, лікарі, дієтологи.

19

Швидкість хімічної реакції Матеріал параграфа допоможе вам: пояснити залежність швидкості реакції від різних чинників; зрозуміти роль каталізатора в хімічній реакції.

Швидкість хімічної реакції. Виконавши чимало лабораторних дослідів, ви перекона& лися в тому, що одні хімічні реакції відбува& ються миттєво (наприклад, реакції обміну з утворенням осаду), інші — досить швидко (горіння речовин), деякі — повільно (реакції розкладу). Утворення мінералів у природних умовах взагалі не вдається помітити, навіть спостерігаючи за речовинами протягом бага& тьох років. Кожна реакція має певну швидкість. Інфор& мація про швидкість реакції, а також про чин& ники, від яких вона залежить, уміння її передбачати та обчислювати необхідні інже& нерам, технологам для того, щоб регулювати перебіг реакцій — уповільнювати небажані й прискорювати ті, які потрібно здійснити.

106

Швидкість реакції, яка відбувається в одно рідній суміші, визначають за зміною кількості речовини реагенту (продукту) в одиниці об’єму суміші за одиницю часу: Δn v = ———.

V·τ У цій формулі v — швидкість реакції; Δn — зміна кількості речовини; V — об’єм суміші; τ — промі жок часу.

Цікаво знати Вугільний пил може взаємодіяти з киснем повітря із вибухом.

Залежність швидкості хімічної реакції від різних чинників. На швидкість реакції впли& вають: • природа реагентів (те, які сме речовини взаємодіють); • концентрації реагентів (якщо взаємодіють гази або розчинені речовини); • температура; • наявність сторонніх речовин (каталіза& торів). Швидкість реакції передусім визначається хімічною активністю реагентів. Відомо, що метали виявляють різну здатність до хімічних перетворень. Про це свідчить їх ряд активнос& ті. Так, реакції лужних металів з водою відбу& ваються досить швидко, іноді — з вибухом, лужноземельні метали взаємодіють із нею повільніше, а більшість інших металів інертні щодо води. Найактивнішим серед неметалів є фтор, який реагує з водою, багатьма простими речовинами з появою полум’я. Йому поступа& ються за активністю інші галогени, кисень, а найпасивнішими неметалами, крім інертних газів, є бор і прості речовини Карбону — гра& фіт, алмаз. Однакову чи різну хімічну активність вияв& ляють кислоти? Відповідь аргументуйте. З’ясуємо за допомогою експерименту, як впливають на швидкість хімічної реакції інші чинники.

107

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 10 Вплив концентрації і температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою 1. У дві пробірки помістіть по гранулі цинку. В одну пробірку налийте 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлороводню 10 %, а в другу — такий самий об’єм хлоридної кислоти з масовою часткою хлоровод& ню 2 %. Що спостерігаєте? У якій пробірці водень виді& ляється більш інтенсивно?

2. У дві пробірки помістіть по гранулі цинку і налийте по 2 мл хлоридної кислоти з масовою часткою хлоровод& ню 2 %. Вміст однієї пробірки нагрійте, але не до кипін& ня. Зіставте інтенсивність виділення газу в пробірках. Виконавши дослід, ви з’ясували, що швид& кість реакції цинку з хлоридною кислотою залежить від концентрації хлороводню в роз& чині. Згідно з йонно&молекулярним рівнянням Zn + 2H+ = Zn2+ + H2↑, у реакції беруть участь атоми Цинку і катіони Гідрогену. Зі збільшенням концентрації гідро& ген хлориду зростає кількість йонів Н+ у реак& ційній суміші, а отже, й кількість їх зіткнень із атомами металу, які перебувають на поверх& ні його гранули. Це призводить до більш активної взаємодії речовин. Вплив концентрації реагенту на швидкість іншої реакції ілюструє малюнок 36.

Швидкість реакції зі збільшенням концентрації реа' генту зростає. Якщо реагентом є газ, то швидкість реакції залежить від тиску. У стисненому газі перебуває більше молекул в одиниці об’єму, ніж у розрі дженому. Тому реакції за участю газів зі збіль шенням тиску прискорюються.

108

HCl 5 %

Мал. 36. Реакція кальцій карбонату з хлоридною кислотою

CO2↑

HCl 20 %

CO2↑ CaCO3

Зауважимо, що під час хімічної реакції реа& гент витрачається, його концентрація в роз& чині зменшується, і реакція уповільнюється. За результатами виконаного лабораторного досліду зробимо ще один висновок:

швидкість реакції з підвищенням температури зростає. Розглянемо одну із причин впливу темпера& тури на швидкість реакції. Під час нагрівання рідини, газу або розчину збільшується швид& кість руху частинок речовин, а в разі нагріван& ня твердої речовини — інтенсивність коливань частинок. Унаслідок цього кількість результа& тивних зіткнень частинок реагентів зростає, що приводить до збільшення швидкості реакції. Швидкість деяких реакцій залежить від наявності каталізатора. Вам відомо, що ката& лізатор — речовина, яка прискорює реакцію, залишаючись після реакції незмінною1. Гідроген пероксид Н2О2 у розбавленому вод& ному розчині дуже повільно й непомітно роз& кладається згідно з рівнянням 2Н2О2 = 2Н2О + О2↑. Якщо в розчин цієї сполуки додати трохи порошку манган(IV) оксиду, відразу почи& нається бурхливе виділення кисню (мал. 37).

1 Іноді каталізатор спричиняє реакцію, яка відрізняється від тієї, що відбувається без каталізатора.

109

O2

Мал. 37. Розклад гідроген пероксиду в розчині за наявності каталізатора

MnO2

MnO2 O2

⇒ H2O2

H2O2

Ви це спостерігали, добуваючи кисень під час практичної роботи в 7 класі. Формулу каталізатора записують у хімічно& му рівнянні над знаком рівності: 2Н2О2

MnO2

=

2H2O + O2↑.

Прискорюють розклад гідроген пероксиду також солі деяких металічних елементів. У цьому можна переконатися, якщо до розчину гідроген пероксиду додати бурий розчин ферум(ІІІ) хлориду. Починається інтенсивне виділення газу, а забарвлення рідини не змі& нюється протягом усього досліду (мал. 38). Отже, сіль Феруму під час розкладу гідроген пероксиду не витрачається (як, до речі, і ман& ган(IV) оксид).

Мал. 38. Розклад гідроген пероксиду за наявності ферум(ІІІ) хлориду

Каталізатором деяких реакцій є вода. Якщо змішати порошки алюмінію і йоду, то жодних 110

змін не відбудеться. Додавання однієї&двох крапель води до суміші спричиняє бурхливу реакцію між простими речовинами (мал. 39, див. покликання у QR&коді): http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_111.mp4

H2O

2Al + 3I2 = 2AlI3.

Мал. 39. Взаємодія алюмінію з йодом за наявності води

Вплив каталізатора на перебіг реакції пояс& нюється тим, що він взаємодіє з одним із реа& гентів. При цьому витрачається менше енергії, ніж під час реакції між реагентами. Нестійка сполука, яка утворюється, одразу взаємодіє з іншим реагентом, а каталізатор вивільняється. Участь каталізатора K у реакції між речо& винами А і В K

A + B = AB можна умовно подати так: A + K = AK,

AK + B = AB + K.

Значення каталізаторів для сучасної про& мисловості й техніки вагоме. За їх участю здійснюють майже 90 % усіх хімічних пере& творень. Каталізатори використовують у транспортних засобах із двигунами внутріш& нього згоряння. Завдяки цим речовинам ток& сичний чадний газ (продукт неповного окис& нення бензину) швидко реагує з киснем і пере& творюється на вуглекислий газ. За участю каталізаторів відбуваються хіміч& ні реакції в живих організмах. Ці каталізатори 111

називають ферментами; їх виробляють живі клітини. Відсутність чи нестача якогось фер& менту спричиняє захворювання, іноді досить тяжке. Докладніше про ферменти ви дізнаєте& ся на уроках біології в старших класах. Існують речовини, які уповільнюють хімічні реакції. Їх називають інгібіторами. Додавання до бензину деяких сполук (антидетонаторів) запобігає надто швидкому його згорянню у дви гуні, а також вибуху бензиново повітряної сумі ші. У продукцію харчової промисловості часто додають невелику кількість речовин консерван тів, що сприяє збільшенню терміну зберігання продуктів. Ці добавки мають бути безпечними для людини.

ВИСНОВКИ

Кожна реакція відбувається з певною швидкістю. Швидкість реакції залежить від хімічної природи реагентів, зростає зі збільшенням концентрації реагенту, підвищенням темпе' ратури. Речовину, яка прискорює реакцію, беручи в ній участь, але залишаючись після реакції незмінною, називають каталізатором. Ката' лізатори використовують у промисловості, в транспортних засобах. Природні каталізато' ри регулюють хімічні перетворення в живих організмах.

?

140. Наведіть приклади хімічних реакцій у природі, які відбуваються: а) надзвичайно повільно; б) із помітною швидкістю.

141. З якими реакціями, що мають різну швидкість, ви стикаєтеся в повсякденному житті?

142. Від яких чинників залежить швидкість хімічних реакцій?

112

143. Назвіть чинники, які впливають на швидкість таких реакцій: а) S + O2 = SO2; б) 2NO + O2 = 2NO2; в) Cu(OH)2 + H2SO4 = CuSO4 + 2H2O. 144. Ви отримали завдання — добути кальцій оксид із крейди. Напи шіть відповідне хімічне рівняння. Які умови потрібно створити, щоб швидкість цієї реакції була максимальною?

145. Яку речовину називають каталізатором?

146. Окиснення жирів у лабораторних умовах відбувається під час нагрівання, а в організмі людини — за температури тіла. Як це можна пояснити?

147. Каталізатором реакції чадного газу з киснем за підвищеної тем ператури може слугувати водяна пара. Складіть рівняння реакції між цими газами, а також двох інших реакцій — за участю каталі затора та з його утворенням.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 3 Вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій ВАРІАНТ І ДОСЛІД 1

Залежність швидкості реакцій від хімічної природи реагентів Помістіть в одну пробірку стружку магнію, у другу — стружку заліза і додайте до кожного металу 2—3 мл розчину солі Купруму(ІІ). Чи однакові зовнішні ефекти реакцій, які відбуваються? У якій пробірці швидше зменшується інтенсивність забарвлення роз& чину? Про що це свідчить? ДОСЛІД 2

Залежність швидкості реакції від концентрації реагенту Помістіть у дві пробірки стружку заліза. В одну про& бірку налийте 2—3 мл розчину сульфатної кислоти з її масовою часткою 2 %, а в другу — 2—3 мл розчину цієї кислоти з її масовою часткою 10 %. У якій пробір& ці газ виділяється більш інтенсивно?

113

ДОСЛІД 3

Залежність швидкості реакції від температури Помістіть у дві пробірки по невеликій порції купрум(ІІ) оксиду і додайте в кожну 2—3 мл розчину сульфатної кислоти з її масовою часткою 0,5 %. Швид& ко чи повільно реагує оксид із кислотою? Через 3—5 хвилин нагрійте вміст однієї пробірки, але не до кипіння. Що спостерігаєте? Зробіть відповід& ний висновок. ВАРІАНТ ІІ ДОСЛІД 1

Залежність швидкості реакцій від хімічної природи реагентів Помістіть в одну пробірку невелику порцію магній оксиду, а в другу — порцію ферум(ІІІ) оксиду і додай& те до оксидів по 2—3 мл розчину сульфатної кислоти з її масовою часткою 0,5 %. Що спостерігаєте? Зробіть відповідний висновок. ДОСЛІД 2

Залежність швидкості реакції від концентрації реагенту Помістіть у дві пробірки по гранулі алюмінію. Налийте в одну пробірку 2—3 мл розчину натрій гідроксиду з масовою часткою лугу 0,5 %, а в другу — 2—3 мл розчину натрій гідроксиду з масовою часткою лугу 10 %. У якій пробірці газ виділяється більш інтенсивно? Про що це свідчить? ДОСЛІД 3

Залежність швидкості реакції від температури Помістіть у дві пробірки по гранулі цинку і налийте в кожну 2—3 мл розчину натрій гідроксиду з масовою часткою лугу 0,5 %. Що спостерігаєте?

114

Вміст однієї пробірки нагрійте, але не до кипіння. Чи з однаковою інтенсивністю виділяється газ у про& бірках? Під час кожного досліду записуйте в таблицю свої дії та спостереження, а після його завершення — виснов& ки і відповідні хімічні рівняння (у молекулярній та йонно&молекулярній формах)1: Послідовність дій

Спостереження

Висновки

...

...

Дослід ... ...

Рівняння реакції:

?

148. Яким буде результат досліду 1 (варіант І), якщо замість магнію взяти олово? Відповідь обґрунтуйте.

149. Спрогнозуйте результат досліду 3 (варіант ІІ) у разі використання в ньому розчину натрій гідроксиду з масовою часткою лугу 2 %.

150. Реакції яких типів ви здійснювали під час виконання практичної роботи?

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Про умови зберігання харчових продуктів Майже кожний харчовий продукт, особливо той, який перебуває на повітрі за звичайних умов, швидко псується. Причина — взаємо дія речовин, що містяться в продукті, між собою і з речовинами дов кілля — киснем, водою тощо. Таким реакціям бажано запобігати або хоча б уповільнювати їх.

1

Серед продуктів реакцій у дослідах 1 і 2 (варіант І) — солі Феруму(ІІ).

115

Продовження Найпростіший шлях — ізолювати продукти від навколишнього середовища. Для цього їх загортають у папір, полімерну плівку, алю мінієву фольгу, герметично упаковують, а іноді з упаковки ще й видаляють повітря, створюючи вакуум (мал. 40, а, б).

а

б

в

Мал. 40. Зберігання харчових продуктів: а, б — у вакуумній упаковці; в — у замороженому стані

Вам відомо, що швидкість хімічної реакції залежить від темпе ратури. У спеку вже за дві три години їжа стає непридатною для вживання. Значно довше продукти зберігаються в охолодженому або замороженому стані. Цей спосіб зберігання найчастіше вико ристовують для м’яса, риби (мал. 40, в), деяких фруктів і ягід. Більшість реакцій у неоднорідних сумішах відбувається значно повільніше, ніж в однорідних, тобто розчинах. Тому терміни збері гання сухого молока, твердих кулінарних сумішей у десятки і сотні разів перевищують терміни зберігання свіжого молока, рідких супів. Борошно і крупи зберігаються тим довше, чим менша їхня вологість.

3

розділ

Найважливіші органічні сполуки

Розвиток людства нерозривно пов’язаний з органічними речовинами, їх добуванням і вико& ристанням. Ще в давнину люди вміли вилучати олію з насіння і плодів деяких рослин, пізніше навчилися виготовляти цукор із тростини і цук& рового буряку, крохмаль із картоплі. Вони випікали хліб, варили пиво, виготовляли сир, вино, оцет, несвідомо здійснюючи хімічні реак& ції за участю органічних речовин. У цьому розділі ви ознайомитеся з най& більш важливими і поширеними органічними сполуками, дізнаєтеся про завдання, які розв’язують учені&хіміки, і переконаєтеся, що без багатьох органічних речовин, які ви& пускає хімічна промисловість, неможливо уявити життя сучасної людини.

20

Органічні сполуки. Органічна хімія Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати відмінності між органічними речовина ми та неорганічними; 117

зрозуміти причини численності органічних сполук; дізнатися про практичне значення досягнень у галузі органічної хімії.

Органічні речовини. Вам відомо, що всі речо& вини поділяють на органічні й неорганічні. Неорганічні речовини дуже поширені в природі. Вони є складниками мінералів, мета& лічних руд, гірських порід, ґрунту, містяться в повітрі, річках, морях, океанах. Багато спо& лук цього типу добуто в лабораторіях. Їх утво& рюють майже всі хімічні елементи. У рослинах, організмах тварин і людини, продуктах їхньої життєдіяльності наявні інші речовини, які назвали органічними. Серед них — білки, жири, цукор, глюкоза, крох& маль, вітаміни, барвники (мал. 41).

Мал. 41. Органічні речовини, які добувають із рослин

Органічні сполуки існують не лише в живій природі. Вони є основою горючих копалин — нафти, природного газу, вугілля. Водночас відомо багато органічних речовин, яких у при& роді немає. Їх добувають учені в лабораторіях, інженери і технологи на заводах, здійснюючи хімічні реакції.

Органічні речовини — це сполуки Карбону1. У складі молекул органічних сполук, крім атомів Карбону, містяться атоми Гідрогену, 1

Чадний і вуглекислий гази, карбонатна кислота, її солі належать до неорганічних сполук.

118

C2H5OH – – – –

Н Н Н–C–C–O–H Н Н

C3H6

C2HCl

Н Н–C=C–C–H Н Н Н

Н–C≡C–Сl

– – – –

Елементи' органогени С Н О N S P

часто — ще й атоми Оксигену, Нітрогену, іноді — Сульфуру, Фосфору, галогенів. Перші шість хімічних елементів називають елемен& тами&органогенами. Відомих нині органічних речовин набагато більше, ніж неорганічних, — понад 140 міль& йонів. Їх численність і різноманітність зумо& влені здатністю чотиривалентних атомів Кар& бону сполучатися між собою простим кова& лентним зв’язком (C–C) або кратними зв’яз& ками — подвійним (C=C), потрійним (C≡C), а також іншими чинниками. Приклади хіміч& них і структурних формул1 органічних сполук:

Майже всі органічні сполуки складаються з молекул. Тому для них характерні невисокі температури плавлення й кипіння, а для багатьох — леткість. Не випадково квіти, фрукти, ягоди, овочі, харчові продукти мають різноманітні запахи. Значна кількість органічних речовин роз& чиняється у спирті, ацетоні, гасі, бензині, але не розчиняється у воді (мал. 42). Це зумовлено

Мал. 42. Олія не розчиняється у воді 1

Так називають в органічній хімії графічні формули молекул.

119

наявністю в їхніх молекулах неполярних або малополярних ковалентних зв’язків. Під час нагрівання багато органічних речо& вин загоряється на повітрі або розкладається, а деякі — обвуглюються1 (мал. 43).

Мал. 43. Обвуглення вати (целюлози)

Хімічні реакції за участю органічних речо& вин відбуваються доволі повільно, тоді як, наприклад, реакції обміну в розчинах між неорганічними сполуками — лугами, кисло& тами, солями — миттєво. Склад продуктів реакцій між органічними речовинами часто залежить від умов — температури, каталіза& торів, тиску, освітлення. Органічна хімія. Тривалий час вважали, що добути органічні речовини в лабораторії за до& помогою хімічних реакцій неможливо. Однак у 1828 р. німецький хімік Ф. Велер довів, що це не так. Він уперше з неорганічної речовини добув органічну речовину — сечовину. Від& криття вченого започаткувало новий етап розвитку хімії. Вилучення органічних сполук із природної сировини перестало бути для хіміків головною метою. Нині вчені синтезу& ють дедалі більше органічних речовин, «неві& домих» природі, досліджують їхні властиво& сті, надають рекомендації щодо практичного використання.

1

Вугілля, як відомо, складається переважно з атомів Карбону.

120

Галузь хімії, предметом якої є вивчення органічних спо' лук та їх перетворень, називають органічною хімією. Застосовуючи досягнення органічної хімії, промисловість випускає нові матеріали, різно& манітні полімери і пластмаси, лікарські пре& парати, засоби захисту рослин, багато інших речовин, які ми використовуємо в нашій діяльності й повсякденному житті (схема 2). Схема 2 Органічна хімія — людині

ЦЕ ВИРОБЛЕНО З ОРГАНІЧНИХ РЕЧОВИН

Дослідження в галузі органічної хімії сприяють розвитку хімічної технології, хар& чової та легкої промисловості, медицини. Знання про органічні речовини допомагають розкривати таємниці, пов’язані з існуванням життя на нашій планеті. Перед ученими, які працюють у галузі орга& нічної хімії, поставлено чимало практичних завдань. Серед них — добування нових орга& нічних сполук, створення на їх основі матері& алів із необхідними властивостями, синтетич& них тканин і барвників, ефективних ліків, 121

харчових добавок, розроблення різних техно& логічних процесів тощо. Досягнення органічної хімії використову& ють для розв’язання таких важливих еколо& гічних проблем, як очищення водойм (мал. 44), зменшення забруднення повітря газовими викидами промислових підприємств і транс& портних засобів, утилізація хімічної зброї, перероблення побутових відходів.

Мал. 44. Наслідки забруднення води нафтою

ВИСНОВКИ

Органічні речовини — це сполуки Карбону. У складі їхніх молекул, крім атомів Карбону, можуть перебувати атоми Гідрогену, Оксиге' ну, Нітрогену, інших елементів. Органічні речовини плавляться й киплять за невисоких температур, є леткими, горючи' ми, розчиняються в органічних розчинниках. Галузь хімії, предметом якої є вивчення органічних сполук та їх перетворень, назива' ють органічною хімією. Вона значною мірою забезпечує прогрес нашої цивілізації, допома' гає у здійсненні природоохоронних заходів.

?

151. Які сполуки називають органічними? Які елементи можуть бути у складі органічних сполук?

152. Чому органічних речовин набагато більше, ніж неорганічних?

153. Серед наведених формул укажіть ті, які належать органічним речовинам: С, CH3NH2, Na2СO3, НСl, CO2, C2H6, С3Н7Cl. 122

154. Порівняйте органічні й неорганічні речовини, записавши їхні характерні особливості в таблицю: Характеристика

Органічні речовини

Неорганічні речовини

Якісний склад Будова Тип хімічного зв’язку Властивості 155. Зобразіть структурні формули молекул органічних сполук із таки ми хімічними формулами: С2Н2, СН3ОН, CHCl3, С2Н3Br, CH3NH2.

156. Назвіть матеріали, поява яких пов’язана, на вашу думку, з досяг неннями в галузі органічної хімії.

157. Обчисліть масові частки елементів: а) у метиловому спирті СН3ОН; б) у мурашиній кислоті НСООН.

158. Яку хімічну формулу має галогеновмісна органічна сполука з від носною молекулярною масою 121, якщо в її молекулі містяться два атоми Хлору і два атоми іншого галогену? Зобразіть структур ну формулу молекули сполуки.

21

Вуглеводні. Метан Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, які сполуки називають вуглеводнями; дізнатися про насичені та ненасичені вуглеводні; пояснити, чому атом Карбону може бути чотири валентним; зрозуміти просторову будову молекули метану.

Вуглеводні. Таку загальну назву мають спо& луки, від яких походять усі органічні речови& ни. Слово «вуглеводень» походить від тради& ційних назв Карбону і Гідрогену — «вуглець», «водень».

123

Вуглеводні — сполуки Карбону з Гідрогеном.

Вуглеводні СnНm

Загальна формула вуглеводнів — СnНm. Вуглеводні, в молекулах яких атоми Карбо& ну сполучені між собою простим ковалентним зв’язком, називають насиченими. Таку назву речовинам надано тому, що кожний атом Кар& бону в їхніх молекулах сполучений із макси& мально можливою кількістю атомів Гідрогену. Зобразіть структурні формули молекул насичених вуглеводнів з одним і двома ато& мами Карбону. Крім насичених вуглеводнів, існують нена& сичені вуглеводні. У молекулах цих сполук атоми Карбону сполучені між собою не лише простим, а й подвійним, потрійним ковалент& ними зв’язками. Зобразіть структурні формули молекул ненасичених вуглеводнів із двома атомами Карбону. Вуглеводні дуже поширені в природі; з них майже повністю складаються нафта і природ& ний газ. Ці сполуки слугують паливом на теплоенергетичних підприємствах і електро& станціях. Їх використовують як пальне для автомобілів, літаків, кораблів, як сировину для виробництва полімерних матеріалів, засо& бів захисту рослин, товарів побутової хімії, ліків тощо. Метан. Найпростішим насиченим вуглевод& нем є метан СН4. Це — основний компонент природного газу. Будова молекули. У молекулі метану, як і в молекулах інших органічних сполук, атом Карбону чотиривалентний. Щоб виявляти таку валентність, він повинен мати чотири неспарені електрони. Це досягається внаслі& док переходу одного електрона із 2s орбіталі у

124

вільну 2p&орбіталь (після отримання атомом додаткової енергії). Зміну електронної будови атома Карбону ілюструють його електронні формули та їхні графічні варіанти: С → С* 1s22s22p2 → 1s22s12p3 2p 2s

→

1s

2s 1s

Неспарені електрони атома Карбону й елек& трони чотирьох атомів Гідрогену утворюють у молекулі СН4 чотири спільні електронні пари: Н Н–C–Н

Н

Н

електронна формула

структурна формула

:

– –

Н Н:C:Н :

Цікаво знати Електронна будова атома Бору в речовинах — 1s22s12p2, а ізольованого атома — 1s22s22p1.

2p

Наведені формули не відображають просто& рової будови молекули метану. Згідно з ними, всі атоми в молекулі СН4 мають перебувати в одній площині, а кути між сусідніми рисками& зв’язками — дорівнювати 90 °. Але це не так. Пригадайте, яку форму має s&орбіталь, р&орбіталь. Як розміщені в просторі три 2р&орбіталі атома? Учені з’ясували, що всі ковалентні зв’язки в молекулі метану є рівноцінними. Це означає, що електрони атома Карбону, які перебувають у 2s&орбіталі та трьох 2p&орбіталях, під час утворення молекули СН4 вирівнюються за своєю енергією. Орбіталі (мал. 45) набувають однакової форми, схожої на об’ємну несиме& тричну вісімку (мал. 46), й розміщуються у просторі на однаковій віддалі одна від одної під 125

z y

→

+ s

x

p Мал. 46. Зміна форм зовнішніх орбіталей атома Карбону

Мал. 45.

2s-орбіталь і три 2р-орбіталі в ізольованому атомі Карбону

кутами 109,5° (мал. 47). Більша «пелюстка» кожної орбіталі атома Карбону перекривається зі сферичною орбіталлю атома Гідрогену. Крізь ділянку перекривання проходить лінія, яка з’єднує центри цих атомів.

H

H Мал. 47. Розміщення орбіталей у молекулі метану

C H

H 109,5°

Якщо провести лінії між центрами всіх атомів Гідрогену, отримаємо геометричну фігуру — тетраедр1 (мал. 47). Отже, молекула метану має тетраедричну будову (мал. 48)2.

1

Слово походить від грецьких слів tetra — чотири і hedra — по& верхня. Тетраедр має чотири однакові грані, які є правильними три& кутниками.

2 Існують комп’ютерні програми, за допомогою яких можна ство& рити модель будь&якої молекули.

126

Мал. 48. Моделі молекули метану: а — кулестержнева; б — масштабна

б

а

Оскільки електронегативності Карбону й Гідрогену різняться мало, то ковалентний зв’я& зок С–Н є малополярним. Однак сама молеку& ла СН4 неполярна, бо на її «поверхні» рівномір& но розподілений лише невеликий позитивний заряд. Цим молекула метану відрізняється від полярної молекули води (§ 2).

ВИСНОВКИ

Вуглеводні — сполуки Карбону з Гідрогеном. У молекулах насичених вуглеводнів атоми Карбону сполучені простим ковалентним зв’язком, а в молекулах ненасичених вугле' воднів — ще й кратними зв’язками (подвій' ним, потрійним). Метан СН4 — найпростіший насичений вуглеводень. Він є основним компонентом природного газу. Молекула метану має тетраедричну будову і є неполярною.

?

159. Які сполуки називають вуглеводнями? На які групи поділяють вуглеводні за особливостями хімічного зв’язку в їхніх молекулах?

160. Поясніть утворення атомом Карбону чотирьох простих ковалент них зв’язків із атомами Гідрогену.

161. Охарактеризуйте просторову будову молекули метану.

162. Визначте масові частки елементів у метані. (Усно.)

163. У скільки разів метан важчий за водень? (Усно.)

127

164. У природному газі одного з родовищ об’ємна частка метану ста новить 91 %. Обчисліть масу метану, яка міститься в 1 л такого газу (н. у.).

22

Властивості метану

Матеріал параграфа допоможе вам: довідатися про фізичні властивості метану; з’ясувати особливості горіння метану; дізнатися про взаємодію метану з хлором. отримати інформацію про дію метану на організм.

Фізичні властивості. Метан — газ, який не має запаху. Він легший від повітря. За охоло& дження до температури –162 °С (за тиску 101,3 кПа) цей газ перетворюється на рідину. Оскільки молекули метану неполярні, спо& лука нерозчинна у воді, але добре розчиняєть& ся (у деяких випадках — необмежено) в орга& нічних розчинниках. Хімічні властивості. Метан СН4 — сполука, яка за хімічною активністю істотно посту& пається, наприклад, хлороводню HCl. При& чиною цього є дуже мала полярність зв’яз& ків С–Н. За звичайних умов метан не взаємодіє з водою, металами, оксидами, основами, кисло& тами, солями. Сполука реагує з киснем і гало& генами — фтором, хлором, бромом. Реакція горіння. Метан, як і більшість орга& нічних сполук, є горючою речовиною. На повіт& рі він горить блідо&синім полум’ям (мал. 49): t СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О.

Зверніть увагу: у рівняннях реакцій за учас тю органічних сполук традиційно записують стрілки, а не знаки рівності.

128

Мал. 49. Горіння метану: а — в газовому пальнику; б — в побутовій плиті

а

б

Виявити продукти реакції горіння метану можна за допомогою досліду, зображеного на малюнку 50. Зміна білого кольору безводного купрум(ІІ) сульфату на блакитний свідчить про утворення під час горіння вуглеводню водяної пари, яка взаємодіє із цією сіллю (продукт реак ції — мідний купорос). Помутніння вапняної води спричиняє кальцій карбонат, що осаджується в результаті взаємодії вуглекислого газу з розчи ном кальцій гідроксиду.

CO2, H2O

CuSO4 ⋅ 5H2O

CO2

CuSO4

Мал. 50. Виявлення продуктів горіння метану

CH4

розчин Ca(OH)2 CaCO3

Якщо повітря (кисню) недостатньо, то під час горіння метану, крім вуглекислого газу, може утворюватися чадний газ або вуглець: t СН4 + О2 → СО + Н2О; t СН4 + О2 → С + Н2О.

Перетворіть схеми реакцій на хімічні рів& няння.

129

Про нестачу кисню під час горіння метану може свідчити зміна яскравості полум’я (воно стає жовтим завдяки розжареним дрібним часточкам вуглецю) або поява кіптяви1 на поверхні предмета (каструлі, чайника), який перебуває в полум’ї. Суміші метану з повітрям або киснем є вибу& хонебезпечними. Достатньо іскри, щоб стався вибух (мал. 51). Тому потрібно бути дуже обе& режним із природним газом у побуті, викорис& товувати лише справні газові плити і нагрівачі, періодично провітрювати приміщення, де вони розташовані. Не можна залишати без нагляду плиту чи опалювальний пристрій, у яких горить газ. Забороняється ставити поблизу газової плити легкозаймисті предмети.

Мал. 51. Наслідки вибуху метану

Якщо ви відчули запах газу, негайно пере& крийте кран на газопроводі й добре провітріть приміщення. У цей час не можна запалювати сірники, вмикати світло та електроприлади, бо іскра може спричинити вибух газоповітря& ної суміші. Вибухи сумішей метану з повітрям, незва& жаючи на запобіжні заходи, іноді трапляють& ся у вугільних шахтах і становлять загрозу життю шахтарів.

1

Кіптява, або сажа, — речовина, яка майже повністю складається з атомів Карбону.

130

Реакції з галогенами. За освітлення (під дією ультрафіолетових променів)1 або за нагрівання метан взаємодіє із хлором. Це — реакція заміщення. Вона полягає в послідов& ному заміщенні атомів Гідрогену в молекулі метану на атоми Хлору: – –

– –

Н Н hν або t Н–C–Н + Cl–Cl ⎯ ⎯⎯→ Н–C–Cl + НCl; Н Н хлорометан

– –

– –

Н Н hν або t Н–C–Cl + НCl; Н–C–Н + Cl–Cl ⎯ ⎯⎯→ Cl Cl дихлорометан

– –

– –

Н Н hν або t Cl–C–Н + Cl–Cl ⎯ ⎯⎯→ Cl–C–Cl + НCl; Cl Cl трихлорометан

– –

– –

Cl Cl hν або t Cl–C–Н + Cl–Cl ⎯ ⎯⎯→ Cl–C–Cl + НCl. Cl Cl тетрахлорометан

Перший атом Гідрогену заміщується на атом Хлору важко (через високу симетрич& ність молекули СН 4), а другий, третій і четвертий — легше. Інший запис цих реак& цій: hν або t ⎯⎯→ CH3Сl + НCl; CH4 + Сl2 ⎯ hν або t CH3Сl + Сl2 ⎯ ⎯⎯→ CH2Сl2 + НCl і т. д.

Взаємодію між органічною сполукою і хло& ром називають реакцією хлорування, а її про& дукти — хлоропохідними цієї сполуки.

1

Таку умову перебігу хімічного перетворення позначають літе& рами hν.

131

Хлорування метану можна описати такою схемою: +Сl

+Сl

+Сl

+Сl

2 2 2 2 CH4 ⎯ ⎯→ CH3Cl ⎯ ⎯→ CH2Cl2 ⎯ ⎯→ CHCl3 ⎯ ⎯→ CCl4.

–HСl –HСl –HСl –HСl

Цікаво знати Формула найпростішого меркаптану

У ній над кожною стрілкою вказано формулу реагенту (зі знаком «плюс»), а під стрілкою — формулу «другорядного» продукту реакції — хлороводню (зі знаком «мінус»). Такий запис послідовних стадій реакції використовують в органічній хімії досить часто. Здійснити якусь одну стадію взаємодії метану із хлором не вдається; у реакційній суміші завжди наявні кілька хлоропохідних цього вуглеводню. Метан реагує з бромом так само, як і з хло& ром, у суміші з фтором вибухає, а з йодом за звичайних умов не взаємодіє. Загальна назва реакцій між метаном і галогенами — реакції галогенування. Фізіологічна дія метану. Метан за тривало& го вдихання спричиняє отруєння, яке іноді призводить до смерті. Для виявлення його витоку з плити, негерметичного або пошко& дженого трубопроводу в газову магістраль додають невелику кількість речовин із дуже неприємним запахом (їхня назва — меркапта& ни). Користуючись газом у побуті, потрібно частіше провітрювати приміщення.

ВИСНОВКИ

Метан — газ, який не має запаху й не роз' чиняється у воді. Метан — горюча речовина. Продуктами його горіння за достатньої кількості кисню (повітря) є вуглекислий газ і водяна пара. Метан взаємодіє з галогенами. Під час реак' ції метану з хлором відбувається заміщення атомів Гідрогену в молекулі вуглеводню на атоми галогену. Метан негативно діє на організм людини.

132

?

165. Чи можна за допомогою індикатора відрізнити метан: а) від водню; б) від хлороводню? У разі позитивної відповіді вкажіть, як ви здійсните цей експеримент.

166. Розгляньте горіння метану як окисно відновну реакцію: назвіть елемент окисник і елемент відновник, охарактеризуйте процеси окиснення і відновлення.

167. Чим відрізняється реакція заміщення за участю вуглеводню від реакції з такою самою назвою між неорганічними речовинами?

168. Допишіть схему послідовного бромування метану: +Br

2 CH4 ⎯ ⎯→ ...

–HBr

169. За сильного нагрівання без доступу повітря метан розкладається на прості речовини. Напишіть рівняння цієї реакції.

170. Під час взаємодії алюміній карбіду (сполука Алюмінію і Карбону) з водою утворюються метан і алюміній гідроксид. Складіть відпо відне хімічне рівняння.

171. Чи вистачить 100 л повітря для повного спалювання метану об’є мом 5,6 л? Вважайте, що об’єми відповідають нормальним умо вам, а об’ємна частка кисню в повітрі становить 20 %.

172. Обчисліть об’єм хлору (в перерахунку на нормальні умови), який витрачається на повне хлорування 1,5 моль метану.

23

Гомологи метану

Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, що таке гомологи, гомологічний ряд сполук; дізнатися, які вуглеводні є гомологами метану; називати гомологи метану і складати їхні формули; довідатись про властивості гомологів метану.

Формули сполук. У попередньому параграфі йшлося про найпростіший насичений вуглево& день — метан СН4. Виведемо формули насиче& них вуглеводнів, молекули яких містять два і 133

три атоми Карбону. Спочатку з’єднаємо атоми Карбону рисками (простими ковалентними зв’язками): С–С

С–С–С

–C–С–

– – – – – –

– – – –

Потім від кожного атома Карбону проведемо стільки додаткових рисок, щоб їх у нього було чотири (атом Карбону чотиривалентний): –C–С–С–

Після цього допишемо до кожної риски атом Гідрогену й отримаємо формули відповідних вуглеводнів:

Н Н

Н Н Н Н–C–С–С–Н (або С3Н8) – – – – – –

– – – –

Н Н Н–C–С–Н (або С2Н6)

Н Н Н

У такий спосіб можна вивести структурні формули молекул лінійної будови інших вугле& воднів із простими ковалентними зв’язками. Складені структурні формули молекул можна записати у скороченому вигляді, зали& шивши риски лише між атомами Карбону: СН3–СН3

СН3–СН2–СН3

Вуглеводні СН4, С2Н6, С3Н8 належать до гомологічного ряду метану.

Гомологічним рядом називають ряд органічних спо' лук, молекули яких подібні за будовою і різняться за складом на одну або кілька груп атомів СН2. Група атомів СН2 має назву «гомологічна різниця». Сполуки С2Н6, С3Н8 та багато інших є гомологами метану. Для того щоб скласти хімічну формулу гомолога метану із чотирма атомами Карбону в молекулі, достатньо додати до формули С3Н8 групу атомів СН2. Отримуємо: С3Н8СН2 => => С4Н10. Цю формулу можна також вивести з формули метану: СН4(СН2)3 => С4Н10.

134

Вуглеводні гомологічного ряду метану СnH2n+2

Якщо вуглеводень гомологічного ряду метану містить n атомів Карбону в молекулі, то його формула — СН4(СН2)n–1, або СnH2n+2. Друга формула є загальною для цих вугле& воднів. Скориставшись формулою СnH2n+2, складіть хімічні формули гомологів метану, молекули яких містять 5, 6 і 7 атомів Карбону. Назви. Для чотирьох найпростіших за скла& дом вуглеводнів гомологічного ряду метану використовують назви метан, етан, пропан, бутан. Назви решти сполук походять від іншомовних числівників (с. 21), які відпові& дають кількості атомів Карбону в молекулах вуглеводнів (табл. 3). Назви метану і його гомологів мають суфікс &ан. Таблиця 3 Метан і його гомологи Формула

Назва

структурна (скорочена)

хімічна Метан

СН4

СН4

Етан

С2Н6

СН3–СН3

Пропан С3Н8

СН3–СН2–СН3

Бутан

СН3–СН2–СН2–СН3

С4Н10

Пентан С5Н12

СН3–СН2–СН2–СН2–СН3

Гексан С6Н14

СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3

Гептан С7Н16

СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3

Октан

С8Н18

СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3

Нонан

С9Н20

СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3

Декан

С10Н22 СН3–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН3

Будова молекул. Вам відомо, що молекула метану СН4 має форму тетраедра. З’ясуємо просторову будову молекул інших вуглевод& нів гомологічного ряду метану.

135

Молекула етану С2Н6 складається з двох сполучених груп атомів СН3 — частин моле& кули метану. Очевидним є те, що всі атоми в молекулі етану розміщені не на площині, а в тривимірному просторі (мал. 52).

Мал. 52. Модель молекули етану

У молекулах пропану, бутану (мал. 53), інших гомологів метану центри атомів Карбону перебувають на ламаній, зигзагоподібній, лінії. Тому скорочені структурні формули молекул пропану і бутану потрібно зображати так: CН2

CН2 CН3

CН3 CН3

Мал. 53. Моделі молекул: а — пропану; б — бутану

CН3 CН2

а

б

У молекулах гомологів метану, як і в моле& кулі метану, кути між лініями, що з’єднують центри атомів Карбону і сусідніх атомів, ста& новлять 109,5°: H H

C

H C

H 109,5°

109,5° C H H H

H C

H

H У шкільному курсі хімії для спрощення використовують не зигзагоподібні, а лінійні структурні формули молекул вуглеводнів. Фізичні властивості. Етан, пропан і бутан за звичайних умов є газами, наступні два& 136

надцять гомологів метану — рідини (вони мають характерний «бензиновий» запах), а решта — тверді речовини. Температури плав& лення і кипіння гомологів метану зі збіль& шенням кількості атомів Карбону в молеку& лах зростають. Коли речовина закипає, велика кількість її молекул «вилітає» із рідини. Чим більша молеку ла, тим більше енергії потрібно їй, щоб зали шити рідину; це досягається за вищої темпера тури. Якщо речовини тверді, то молекули з біль шою масою потребують більше енергії для поси лення своїх коливань, щоб зруйнувалася струк тура речовини і сталося її плавлення.

Оскільки молекули гомологів метану непо& лярні, ці сполуки нерозчинні у воді (мал. 54), але добре розчиняються (у багатьох випадках — необмежено) в органічних розчинниках і один в одному.

Мал. 54. Суміш гексану (верхній шар) із водою

Хімічні властивості. Усі гомологи метану згоряють з утворенням вуглекислого газу і водяної пари. Зі збільшенням молекулярної маси вуглеводнів полум’я стає яскравішим. Парафінова свічка1, на відміну від природно& 1

Парафін — суміш насичених вуглеводнів із кількістю атомів Карбону в молекулах від 18 до 35.

137

го газу, горить яскраво жовтим полум’ям (мал. 55, а). Такий колір зумовлений світін ням розжарених часточок вуглецю1; ці часточ ки швидко згоряють. Якщо в полум’я свічки внести порцелянову чашку, обмеживши цим доступ повітря, то на поверхні чашки з’явить ся кіптява (мал. 55, б).

Мал. 55. Горіння парафінової свічки: а — за звичайних умов; б — за нестачі повітря

а

б

Складіть рівняння реакції горіння етану в надлишку кисню. Як і метан, його гомологи хімічно пасивні. Однак за певних умов вони взаємодіють із галогенами. Приклад такої реакції: hν або t

СН3–СН3 + Cl2 ⎯⎯⎯→ СН3–СН2Cl + HCl (перша стадія). Фізіологічна дія. Газуваті й рідкі гомологи метану негативно діють на центральну нерво ву систему. Тверді насичені вуглеводні не ток сичні (парафін використовують із лікуваль ною метою).

ВИСНОВКИ

Ряд органічних сполук, молекули яких мають подібну будову і різняться за складом 1

Вуглець утворюється під час термічного розкладу вуглеводнів.

138

на одну або кілька груп атомів СН2, назива ють гомологічним рядом. Загальна формула метану і його гомоло гів — СnH2n+2. Назви більшості цих сполук походять від іншомовних числівників і містять суфікс ан. Молекули пропану і наступних гомологів метану мають зигзагоподібний карбоновий ланцюг. Етан, пропан і бутан — гази, решта гомоло гів метану — рідини або тверді речовини, які не розчиняються у воді. Це — горючі речови ни. Газуваті й рідкі гомологи метану негатив но впливають на організм.

?

173. Що таке гомологічний ряд? Які сполуки називають гомологами?

174. Серед наведених формул укажіть ті, які належать сполукам гомо логічного ряду метану: С3Н6, С5Н12, С6Н12, С7Н16.

175. Зобразіть електронну формулу молекули: а) етану; б) пропану.

176. Допишіть хімічні рівняння: а) С3Н8 + …О2 (надлишок) → … + … ; б) … (гомолог метану) + …О2 → 5СО2 + …H2O. 177. Обчисліть відносну молекулярну масу гомолога метану, молекула якого містить: а) 4 атоми Карбону; б) 14 атомів Гідрогену.

178. Визначте (усно) кількість речовини: а) в 15 г етану; б) у 4,48 л бутану (н. у.).

179. Заповніть таблицю: СnH2n+2

М, г/моль

DH2

(C), %

С3Н8 80 36 100 139

180. Запишіть формулу гомолога метану, у молекулі якого удвічі більше атомів Гідрогену, ніж у молекулі бутану.

181. Який вуглеводень має таку саму густину, що й вуглекислий газ?

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Два бутани, три пентани… Для молекули С4Н10 можна запропонувати не лише «лінійний» карбоновий ланцюг

, а й розгалужений:

.

Відповідні структурні формули та їхні скорочені варіанти мають такий вигляд:

СН3–СН2–СН2–СН3 Кожна формула відповідає певній молекулі. Отже, мають існувати дві сполуки з однаковими хімічними формулами С4Н10, але з моле кулами різної будови — нерозгалуженої й розгалуженої. Ці вугле водні відомі й добре вивчені. Сполуки, молекули яких мають однаковий склад, але різну будову, називають ізомерами. Зі збільшенням кількості атомів Карбону в молекулах вуглевод нів кількість ізомерів різко зростає. Одну й ту саму формулу С4Н10 мають два вуглеводні, С5Н12 — три, С6Н14 — п’ять, С7Н16 — дев’ять і т. д. Існування ізомерів — одна із причин різноманітності й численно сті органічних сполук. Якщо молекула вуглеводню має нерозгалужену («нормальну») будову, то перед назвою речовини записують літеру н і дефіс. Напри! клад, сполуку з формулою СН3–СН2–СН2–СН3 називають н бутаном. Ізомер із формулою

отримав назву «ізобутан».

Властивості обох бутанів трохи різняться. Наприклад, темпе ратура кипіння н бутану за тиску 101,3 кПа становить –0,5 °С, а ізобутану –11,7 °С.

140

24

Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, чому об’єми газів, що беруть участь у реакції, відносяться як невеликі цілі числа; визначати відношення об’ємів газів за хімічними рівняннями.

Закон об’ємних відношень. Найважливіші вуглеводні — метан, етан та деякі інші — за звичайних умов перебувають у газуватому стані. Гази відрізняються від рідин і твердих речовин тим, що відстані між їхніми частин& ками (молекулами, а в інертних газах — ато& мами) дуже великі. Завдяки цьому порції різ них газів, що містять однакову кількість молекул, займають однаковий об’єм (за одних і тих самих температури й тиску). Це засвідчує закон Авогадро, з яким ви озна& йомились у 8 класі. Згідно з ним 1 л метану СН4 містить стільки молекул, скільки, на& приклад, 1 л етану С2Н6. У 2 л метану або етану кількість молекул удвічі більша, у 3 л — утричі більша і т. д. Під час згоряння метану СH4 + 2O2 → СО2 + 2H2O кожна його молекула взаємодіє з двома моле& кулами кисню. На підставі закону Авогадро можна стверджувати, що певний об’єм метану має реагувати з удвічі більшим об’ємом кисню (наприклад, 1 л СН4 — із 2 л О2). Отже, відно& шення об’ємів цих реагентів V(CH4) : V(О2) = 1 : 2. Доходимо й іншого висновку: внаслідок згоряння певного об’єму метану утворюється такий самий об’єм вуглекислого газу.

141

Аналізуючи результати дослідів із газами, французький учений Ж. Гей&Люссак сформу& лював у 1808 р. закон об’ємних відношень:

об’єми газів, що взаємодіють і утворюються під час реакції, відносяться між собою як невеликі цілі числа. Згодом з’ясувалося, що ці числа є відповід ними коефіцієнтами в рівняннях хімічних реакцій. Закон Гей&Люссака поширюється на всі речовини, що перебувають у газоподібному стані, — органічні й неорганічні. Складіть рівняння реакції водню з азотом, у результаті якої утворюється газ амоніак NH3, і запишіть відношення об’ємів реаген& тів і продукту реакції. Звертаємо вашу увагу на реакції між газа& ми, під час яких утворюється вода. Ця речови& на, наприклад, є одним із продуктів горіння будь&якого вуглеводню. В разі утворення водяної пари закон об’ємних відношень газів поширюється і на неї. Якщо ж відбувається конденсація пари, то об’єм речовини зменшу& ється приблизно в тисячу разів. У такому випадку закон Гей&Люссака щодо води не діє (як і щодо інших рідких і твердих речовин). Розв’язування задач. Розглянемо, як роз& в’язують задачі з використанням закону об’ємних відношень. ЗАДАЧА 1. Визначити об’єм кисню, необхідний для спалювання мета ну об'ємом 0,8 л. Дано: Розв’язання V(СH4) = 0,8 л 1. Складаємо рівняння реакції:

V(О2) — ?

СH4 + 2O2 → СО2 + 2H2O. 2. Розраховуємо об’єм кисню. Згідно з хімічним рівнянням і законом об’єм& них відношень, один об’єм метану взаємодіє з двома об’ємами кисню.

142

Міркуємо так: 1 л метану реагує з 2 л кисню, 0,8 л метану — з х л кисню. Звідси х = V(О2) = 1,6 л. Відповідь: V(O2) = 1,6 л. ЗАДАЧА 2. Суміш етану об’ємом 100 мл і кисню об’ємом 400 мл під палили. Чи залишився після реакції один із реагентів? У разі позитивної відповіді обчислити об’єм залишку цієї речовини. Вважати, що температура й тиск до і після реакції були однаковими. Дано:

Розв’язання

V(С2H6) = 100 мл 1. Складаємо рівняння реакції: V(О2) = 400 мл 2С2Н6 + 7О2 → 4СО2 + 6Н2О. Залишок 2. З’ясовуємо, чи був один із газів у над& реагенту — ? лишку.

V(залишку) — ? Відношення об’ємів газів, що реагують, згідно з хімічним рівнянням, становить V(C2H6) : V(О2) = 2 : 7 = 1 : 3,5, а за умовою задачі — V(C2H6) : V(О2) = 100 : 400 = 1 : 4. Отже, кисень був у надлишку і частина його залишилася після реакції.

3. Визначаємо, який об’єм кисню прореагу& вав зі 100 мл етану. За законом об’ємних відношень, із кожними 2 мл С2Н6 взаємодіють 7 мл О2, — х мл О2; зі 100 мл С2Н6 х = V(O2, прореаг.) = 350 мл.

4. Розраховуємо об’єм кисню, що залишився після реакції: V(O2, залишок) = = V(O2, початк.) – V(O2, прореаг.) = = 400 мл – 350 мл = 50 мл. Відповідь: V(O2, залишок) = 50 мл.

143

ЗАДАЧА 3. Обчислити об’єми пропану і кисню (в перерахунку на нор мальні умови), що прореагували, якщо після охолодження продуктів реакції утворилася вода об’ємом 36 мл. Дано:

Розв’язання

V(Н2О, рід.) = = 36 мл

1. Складаємо рівняння реакції:

V(С3Н8) — ?

V(О2) — ?

2. Визначаємо кількість речовини води: 36 г m(H2O) — — — = ———— ——— = 2 моль. n(Н2О) = ——— М(H2O) 18 г/моль 3. Обчислюємо об’єм водяної пари (н. у.), який відповідає кількості речовини 2 моль: V(H2O, пара) = n(H2O) · Vm = = 2 моль · 22,4 л/моль = 44,8 л.

4. Розраховуємо об’єми пропану і кисню. Згідно із законом об’ємних відношень газів, V(C3H8) : V(O2) : V(H2O, пара) = 1 : 5 : 4. Звідси V(H2O, пара) 44,8 л ——— —— — —= —— ——— = 11,2 л; V(C3H8) = ——— 4 4 V(H2O, пара) · 5 44,8 л · 5 ———— ——— — — = —— ————— = 56 л.

V(О2) = ——— 4 4

С3Н8 + 5О2 → 3СО2 + 4Н2О.

Відповідь: V(С3Н8) = 11,2 л; V(О2) = 56 л.

ВИСНОВКИ

Об’єми газів, що взаємодіють і утворюють' ся під час реакції, відносяться як невеликі цілі числа (закон об’ємних відношень газів). Ці числа є відповідними коефіцієнтами в хімічному рівнянні.

?

182. Збільшується, зменшується чи залишається постійним сумарний об’єм реагентів і продуктів під час горіння вуглеводнів (вода утво рюється у вигляді пари): а) СН4 + О2 → СО2 + Н2О; в) С3Н8 + О2 → СО2 + Н2О? б) С2Н6 + О2 → СО2 + Н2О; 144

183. Який об’єм кисню витрачається на згоряння бутану об’ємом 2 л?

184. За нормальних умов змішали етан об’ємом 1 л і кисень об’ємом 5 л. Суміш газів підпалили. Які гази було виявлено після реакції і повернення умов до початкових? Обчисліть об’єм кожного із цих газів.

185. Після реакції в суміші кисню і водню, об’єм якої становив 40 мл, залишився кисень об’ємом 10 мл. Які об’єми газів були до реакції?

186. У якому об’ємному відношенні потрібно змішати вуглеводень і по вітря, щоб їх було достатньо для реакції С5Н12 + O2 → СO2 + H2O? Вважайте, що об’ємна частка кисню в повітрі становить 20 %.

187. Обчисліть об’єм повітря, який витрачається на спалювання газу ватої пропан бутанової суміші об’ємом 1,4 м3, що містить 60 % пропану за об’ємом. Вважайте, що об’ємна частка кисню в повітрі становить 20 %.

188. Який об’єм кисню необхідний для спалювання суміші водню та карбон(ІІ) оксиду, об’єм якої становить 200 мл?

189. У результаті повного згоряння газуватого вуглеводню об’ємом 10 мл утворилися вуглекислий газ і водяна пара об’ємами 40 мл і 50 мл відповідно. Об’єми газів виміряні за однакових умов. Яка формула вуглеводню? (Усно.)

190. Назвіть газуватий гомолог метану, якщо після його спалювання утворився удвічі більший об’єм вуглекислого газу. Обчисліть густину цього вуглеводню за нормальних умов.

191. У результаті спалювання 0,1 моль вуглеводню утворилися 0,2 моль вуглекислого газу і вода масою 5,4 г. Запишіть формулу вугле водню. (Спробуйте розв’язати задачу усно.)

25

Етен (етилен) Матеріал параграфа допоможе вам: зрозуміти будову молекули етену; дізнатися про фізичні властивості етену; довідатися про особливості взаємодії етену з воднем і галогенами.

Склад і назви сполуки. Найпростіший нена& сичений вуглеводень із подвійним зв’язком у 145

молекулі має хімічну формулу С2Н4. Елект& ронна і структурні формули його молекули — :

Н

Н

Н–C=С–Н, або CH2=CH2.

– –

:

Н : C :: C : Н

Н Н

Хімічна назва сполуки С2Н4 — етен. Ця назва має однаковий корінь із назвою вугле& водню С2Н6 «етан», але відрізняється суфік& сом. Інша назва вуглеводню «етилен» є триві& альною (традиційною); її використовують у промисловості, техніці. Будова молекули. У молекулі етену кожний атом Карбону сполучений із трьома іншими атомами. На утворення з ними трьох спільних електронних пар він «виділяє» три неспарені електрони. Четвертий електрон атома Карбо& ну з електроном сусіднього атома Карбону утворює ще одну спільну електронну пару. Отже, між атомами Карбону виникає подвій& ний зв’язок С=С. Усі атоми молекули етену С2Н4, згідно з до& слідженнями вчених, перебувають на одній площині (мал. 56), а кути між лініями, що з’єднують центри атомів, становлять по 120°: H

120°

H

С=С

120° H

H

Фізичні властивості. Етен за фізичними властивостями схожий на метан. Це безбарв& ний газ зі слабким запахом, трохи легший за повітря, дуже погано розчиняється у воді. Якщо етен охолодити до –104 °С (за тиску 101,3 кПа), він перетворюється на рідину.

Мал. 56. Модель молекули етену

146

Хімічні властивості. Етен хімічно активні& ший за метан. Це зумовлено здатністю подвій& ного зв’язку між атомами Карбону легко пере& творюватися на простий зв’язок. Реакція горіння. Етен, як і насичені вугле& водні, є горючою речовиною. Продуктами горіння цього газу за достатнього доступу повітря є вуглекислий газ і водяна пара. Складіть відповідне хімічне рівняння. Реакція з воднем. На відміну від метану і його гомологів, етен бере участь у реакціях приєднання (так називають в органічній хімії реакції сполучення). Цей ненасичений вугле& водень може взаємодіяти із простими речови& нами — воднем, галогенами. Етен реагує з воднем за нагрівання й наяв& ності каталізатора: t, k С2Н4 + Н2 ⎯→ С2Н6.

При цьому подвійний зв’язок у молекулі С2Н4 перетворюється на простий, і до кожного атома Карбону приєднується додатковий атом Гідрогену: 1

етен

– – – –

– –

– –

Н Н . . t, k t, k . . Н–C=С–Н + Н–Н ⎯→ Н–C–С–Н + Н Н ⎯→ Н–C–С–Н . Н Н Н Н Н Н етан

Реакції приєднання водню до органічних сполук називають реакціями гідрування. Тепер стає зрозумілим, чому метан, етан називають насиченими вуглеводнями (їхні молекули не можуть сполучатися з іншими), а етен — ненасиченим вуглеводнем (атоми Кар& бону в його молекулі здатні приєднувати інші атоми і «насичуватися» ними).

1 У квадратних дужках показано молекулу вуглеводню зі зруй& нованим подвійним зв’язком, а стрілками — приєднання атомів Гідрогену до атомів Карбону.

147

Реакції з галогенами. Взаємодія етену з галогенами супроводжується різними зовніш& німи ефектами. Реагуючи із фтором, етен спа& лахує, а суміш хлору з етеном за освітлення вибухає. Етен взаємодіє також із бромом (мал. 57) і його водним розчином, який нази& вають бромною водою (рідина бурого кольору): – – – –

– –

Br Br Н–C=С–Н + Br–Br → Н–C–С–Н. Н Н Н Н C2H4

⇒ Мал. 57. Взаємодія етену з парою брому

Br2

Знебарвлення розчину брому під час пропус& кання в нього етену дає змогу відрізнити цей газ від метану та його гомологів, які не реагу& ють із бромною водою. Етен взаємодіє з галогеноводнями. Приклад відповідної реакції приєднання: СН2=СН2 + НBr → СН3–СН2Br.

ВИСНОВКИ

Етен (етилен) С2Н4 — найпростіший нена' сичений вуглеводень із подвійним зв’язком у молекулі. Усі атоми молекули етену перебу' вають на одній площині. За звичайних умов етен — безбарвний газ зі слабким запахом, трохи легший за повітря, погано розчинний у воді. Етен — горючий газ. Він також взаємодіє з воднем, галогенами. При цьому подвійний 148

ковалентний зв’язок у молекулі вуглеводню перетворюється на простий, і реагенти сполу' чаються. Такі реакції в органічній хімії нази' вають реакціями приєднання.

?

192. Чим різняться насичені й ненасичені вуглеводні?

193. Охарактеризуйте будову молекули етену.

194. Напишіть рівняння реакції горіння етену за нестачі кисню (з утво ренням карбон(ІІ) оксиду і водяної пари).

195. Визначте масові частки елементів в етені. (Усно.)

196. Обчисліть густину етену (за н. у.) та його відносну густину за повітрям.

197. Визначте об’ємні частки метану й етену в їхній суміші, якщо її середня молярна маса становить 25,6 г/моль.

198. Обчисліть масу брому, яка прореагує з етеном об’ємом 1,12 л (н. у.).

199. Етен об’ємом 1 л змішали з воднем об’ємом 4 л і нагріли за наяв ності каталізатора. Один із газів прореагував повністю. Визначте склад нової суміші газів та об’ємні частки її компонентів. (Усно.)

200. Який об’єм вуглекислого газу утворився після повного згоряння суміші метану й етену, яка мала об’єм 560 мл і була важчою за водень в 11,6 раза?

26

Поліетилен Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати, що таке полімер і реакція полімери зації; дізнатися про властивості та застосування полі етилену.

Полімеризація етену (етилену). За певних умов молекули етену сполучаються одна з одною внаслідок руйнування подвійних зв’яз& ків між атомами Карбону і перетворення їх на 149

прості зв’язки. Схематично це можна зобрази& ти так: ... + СН2=СН2 + СН2=СН2 + СН2=СН2 + ... → → ... –СН2–СН2–СН2–СН2–СН2–СН2– ... . Продуктом взаємодії великої кількості цих молекул є поліетилен. Дуже довгі молекули цієї сполуки утворені з’єднаними між собою групами атомів –СН2–СН2– (мал. 58). Мал. 58. Модель фрагмента молекули поліетилену

Реакція сполучення багатьох молекул етену належить до реакцій полімеризації. Вихідну речовину в реакції такого типу називають мономером, а продукт — полі& мером1.

Полімер — сполука, молекули якої складаються з великої кількості повторюваних груп атомів. Скорочений запис реакції полімеризації етилену: t, p, k nCH2=СН2 ⎯⎯→ (–CH2–СН2–)n.

етен (етилен)

поліетилен

У поліетилені існують молекули різної довжини, тобто з різними значеннями n (від 1500 до 6000). Реакція полімеризації Інтервал значень n для зразка nСH2=СH2 → (–СH2–СH2–)n полімеру залежить від умов здій& мономер полімер снення реакції полімеризації — температури, тиску, каталізатора. Поліетилен — один із багатьох синтетич& них полімерів. Існують також природні полі& 1 Терміни походять від грецьких слів poly — багато, monos — один, єдиний, meros — частина, частка.

150

мери. Серед них — крохмаль, целюлоза, білки. Про ці полімери дізнаєтеся в наступ& них параграфах. Властивості поліетилену. Поліетилен — біла або безбарвна тверда речовина (мал. 59), легша за воду й нерозчинна в ній. За нагріван& ня сполука плавиться з утворенням безбарв& ної рідини1.

Мал. 59. Гранули поліетилену

Поліетилен не розчиняється в органічних розчинниках, тому для їх зберігання і транс& портування використовують поліетиленову тару. Вироби з поліетилену є морозостійкими, але не витримують нагрівання вище 60—100 °С. За температури понад 400 °С цей полімер розкладається з утворенням суміші насиче& них вуглеводнів, етену та його гомологів. Поліетилен хімічно інертний; він реагує лише з найактивнішими галогенами — фто& ром, хлором. Як і багато інших органічних речовин, ця сполука горить на повітрі. Застосування поліетилену. Поліетилен є найважливішим полімерним матеріалом. Виробами з нього ми постійно користуємося в повсякденному житті. Це — пакети, паку& 1

Поліетилен не має певної температури плавлення. Залежно від умов утворення він плавиться в інтервалі температур 103—110 °С або 124—137 °С.

151

вальна плівка для харчових продуктів, різні резервуари, іграшки тощо (схема 3). Оскільки поліетиленова плівка добре пропускає світло, нею вкривають теплиці для вирощування ран& ніх овочів, квітів, тропічних рослин. Поліети& лен використовують для виробництва тари, труб, конструкційних деталей, медичного устаткування, а також як електроізоляцій& ний матеріал, антикорозійне покриття. Схема 3 Застосування поліетилену

(–CH 2 –СН 2 –) n

Поліетилен — дуже стійка речовина. Про& цес її розкладання в природі триває протягом сотень років. Тому використані вироби з поліетилену, залишки плівки, пакети не можна викидати будь&де (мал. 60); їх склада&

Мал. 60. «Полімерне» сміття в лісі

152

ють у спеціальні контейнери. Відходи цього та інших полімерів переробляють. У багатьох країнах заборонено використо& вувати поліетиленові пакети в торговельних мережах, закладах харчування і надання послуг; їх заміняють виробами зі спеціально& го паперу, біорозкладних матеріалів (мал. 61). В Україні з 2021 р. діє закон про обмеження обігу поліетиленових пакетів.

Мал. 61. Ні — поліетиленовим пакетам!

ВИСНОВКИ

Молекули етену (етилену) за певних умов можуть сполучатися одна з одною. Продук' том такої взаємодії є поліетилен. Перетво' рення етену на поліетилен — приклад реак' ції полімеризації. Ця реакція відбувається внаслідок руйнування подвійних зв’язків між атомами Карбону в молекулах етену й утворення простих зв’язків. Сполуки, молекули яких складаються з великої кількості повторюваних груп атомів, називають полімерами. Поліетилен — один із найважливіших полі' мерів. Він не розчиняється у воді, є хімічно інертним. Із поліетилену виготовляють плів' ку, тару, різноманітні вироби.

?

201. Яку сполуку називають полімером? Дайте визначення реакції полімеризації.

202. Поясніть, чому поліетилен, на відміну від етену (етилену), хімічно інертний.

153

203. Складіть рівняння реакції горіння поліетилену в надлишку кисню (повітря).

204. Одна з молекул у зразку поліетилену важча за молекулу води в 700 разів. Обчисліть значення n для формули цієї молекули.

205. Визначте об’єм етену (н. у.), з якого утворюється поліетилен масою 3,5 кг.

206. За матеріалами з інтернету підготуйте повідомлення про утиліза цію використаних виробів із поліетилену.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Тефлон Останнім часом набув широкого застосування полімер, який є похідним поліетилену; в його молекулах замість атомів Гідрогену містяться атоми Флуору. Цей полімер має формулу (–CF2–СF2–)n. Його назва — тефлон1. Сполука утворюється внаслідок реакції полімеризації: t, p, k nCF2=CF2 ⎯ ⎯→ (–CF2–CF2–)n.

Тефлон зовні нагадує поліетилен. Він має високу хімічну й тер мічну стійкість, плавиться за температури 327 °С, не горить, не розчиняється в органічних розчинниках, не взаємодіє з розчина ми кислот, лугів. Цей полімер за сильного охолодження зберігає еластичність і гнучкість. Вироби з тефлону витримують нагріван ня до 180—200 °С. Тефлон використовують у різних галузях промисловості, техні ці, медицині. Із нього виготовляють деталі й обладнання для хімічної промисловості, шаром тефлону покривають поверхні посуду, призначеного для нагрівання (мал. 62).

Мал. 62. Вироби з тефлоновим покриттям

1

Інша назва полімеру — політетрафлуороетен.

154

27

Етин (ацетилен) Матеріал параграфа допоможе вам: зрозуміти будову молекули етину (ацетилену); дізнатися про фізичні та хімічні властивості етину.

Склад і назви сполуки. Найпростіший нена& сичений вуглеводень із потрійним зв’язком у молекулі має хімічну формулу С2Н2. Електрон& на і структурні формули молекули сполуки — .. Н : С :: С : Н Н–С≡С–Н, або НС≡СН. Хімічна назва вуглеводню С2Н2 — етин. Ця назва має однаковий корінь із назвами вугле& воднів «етан» і «етен», але містить суфікс –ин (він свідчить про наявність у молекулі потрій& ного зв’язку). Інша назва вуглеводню «ацети& лен» є тривіальною (традиційною); її вико& ристовують у промисловості, техніці. Будова молекули. У молекулі етину С2Н2 потрійний зв’язок С≡С зумовлений трьома спільними електронними парами, утворени& ми за участю трьох електронів кожного атома Карбону, а кожний простий ковалентний зв’язок С–Н — електронною парою, спільною для атомів Карбону і Гідрогену. З’ясовано, що центри всіх атомів молекули С2Н2 перебува& ють на прямій лінії (мал. 63): 180°

Мал. 63. Модель молекули етину

H—C≡≡С—H. Фізичні властивості. Чистий етин (ацети& лен) — безбарвний газ майже без запаху. Неприємний запах технічного ацетилену, який використовують під час зварювання металів,

155

зумовлений домішками. Етин, як і етен, лег& ший за повітря, погано розчиняється у воді. За температури –84 °С і тиску 101,3 кПа він зріджується. Хімічні властивості. Етин виявляє високу хімічну активність. Це зумовлено наявністю в його молекулі потрійного зв’язку, який під час реакцій з воднем, галогенами легко пере& творюється на подвійний, а потім — на прос& тий зв’язок. Реакція горіння. Як і всі вуглеводні, етин (ацетилен) є горючою речовиною. Він горить на повітрі яскравішим полум’ям (мал. 64), ніж метан. Продуктами реакції є вуглекислий газ і водяна пара.

Мал. 64. Горіння ацетилену

Складіть відповідне хімічне рівняння. Під час горіння ацетилену в чистому кисні температура сягає майже 3000 °С. Суміші цього газу з повітрям або киснем вибухонебезпечні. Реакція з воднем. Через наявність у моле& кулі етину С2Н2 потрійного зв’язку взаємодія з воднем відбувається з почерговим розривом кратних зв’язків. Спочатку молекула етину приєднує одну молекулу водню, потім моле& кула етену, що утворюється, — другу: +H , k

+H , k

2 2 НС≡СН ⎯⎯→ Н2С=СН2 ⎯⎯→ СН3–СН3.

етин

156

етен

етан

Реакції з галогенами. Етин взаємодіє з бро& мом, а також із його водним розчином: – –

НC≡СН + Br2 → НC=СН (перша стадія); Br Br – – – –

– –

Цікаво знати Перші стадії реакцій приєднання за участю етину відбуваються повільніше, ніж другі.

Br Br НC=СН + Br2 → НC–СН (друга стадія).

Br Br Br Br Інший запис цих рівнянь: СН≡СН + Br2 → СНBr=СНBr; СНBr=СНBr + Br2 → СНBr2–СНBr2. Із хлором етин реагує з вибухом, появою полум’я й утворенням чорного диму — дріб& них часточок сажі: С2Н2 + Cl2 → 2C + 2HCl. Взаємодія між цими речовинами в органічно& му розчиннику складається із двох стадій (як і за участю брому): +Сl

+Сl

2 2 НС≡СН ⎯⎯→ СНCl=СНCl ⎯⎯→ СНCl2–СНCl2.

Найактивніше етин реагує із фтором; суміш цих газів вибухає. Етин взаємодіє з галогеноводнями; це також реакції приєднання: СН≡СН + H–Br → CH2=CHBr (перша стадія).

ВИСНОВКИ

Етин (ацетилен) С2Н2 — найпростіший не' насичений вуглеводень із потрійним зв’язком у молекулі. Атоми в молекулі сполуки розмі' щені на прямій лінії. За звичайних умов етин — безбарвний газ зі слабким запахом, трохи легший за повіт' ря, погано розчиняється у воді. Сполука горить на повітрі, взаємодіє з воднем, гало' генами.

157

?

207. Охарактеризуйте будову молекули етину.

208. Заповніть таблицю: Характеристика

Етен

Етин

Формули молекули — хімічна, електронна, структурна Фізичні властивості Хімічні властивості 209. Напишіть рівняння реакції горіння ацетилену за умови нестачі кисню (з утворенням карбон(ІІ) оксиду і водяної пари).

210. Кальцій карбід СаС2 реагує з водою з утворенням ацетилену і кальцій гідроксиду. Складіть відповідне хімічне рівняння.

211. Який газ важчий — етен чи етин? У скільки разів?

212. Обчисліть густину етину (за н. у.) та його відносну густину за повітрям.

213. Визначте масові частки елементів в етині. (Усно.)

214. Під час згоряння в кисні одного об’єму вуглеводню утворюються два об’єми вуглекислого газу і один об’єм водяної пари. Назвіть вуглеводень.

215. Обчисліть об’єми етину і водню, які було взято для здійснення хіміч ного експерименту, якщо утворився етан об’ємом 4 л і залишився водень об’ємом 3 л. Об’єми газів виміряно за однакових умов.

28

Вуглеводні в природі. Застосування вуглеводнів Матеріал параграфа допоможе вам: довідатися про природні джерела вуглеводнів; з’ясувати склад нафти, природного і супутнього нафтового газів, вугілля; поповнити свої знання про застосування вугле воднів.

Природні джерела вуглеводнів. Існує кіль& ка природних джерел вуглеводнів (схема 4). Їх запаси на нашій планеті зменшуються.

158

Схема 4 Вуглеводні в природі Природні джерела вуглеводнів

Супутній нафтовий газ

Нафта

Природний газ

Нафта є сумішшю рідких вуглеводнів, у якій розчинена невелика кількість твердих і газуватих вуглеводнів, а також інших орга& нічних сполук. У ній міститься вода і деякі неорганічні речовини. Нафта — темна оліїста рідина зі специфіч& ним запахом (мал. 65), легша за воду і нероз& чинна в ній. У природних родовищах вона утворює з водою стійку неоднорідну суміш — емульсію. Нафта, як і інші суміші речовин, не має сталих густини, температури кипіння. Вона починає кипіти вже за слабкого нагрі& вання (30—60 °С), а за високих температур цей процес супроводжується поступовим роз& кладом компонентів нафти. Нафта — горюча рідина (мал. 66). Україна має невеликі нафтові родовища. Щорічний видобуток нафти становить у

Мал. 65. Нафта

Мал. 66. Горіння нафти

159

середньому 3 млн т (це приблизно 10 % від загальної потреби країни). Запаси нафти на Землі швидко скорочують& ся і можуть бути вичерпані вже в цьому сто& літті. Тому вчені розробляють і реалізують технології виробництва рідкого пального з іншої сировини, зокрема з вугілля, якого на нашій планеті значно більше. Природний газ відомий вам із повсякден& ного життя; його застосовують для опалення житла, нагрівання води, приготування їжі. Основний компонент природного газу — метан (об’ємна частка цього вуглеводню ста& Цікаво знати Серед органічних новить 85—99 %). Домішками є етан, кілька інших вуглеводнів, азот, вуглекислий газ, сір& речовин, які містяться у ководень. бджолиному Властивості природного газу майже такі воску й самі, що й метану. Він є горючим, а його сумі& озокериті ші з повітрям вибухонебезпечні. (гірський віск), Покладів природного газу в Україні біль& є тверді насичені ше, ніж нафти; вони зосереджені переважно вуглеводні. в Харківській і Полтавській областях. Що& річний видобуток газу в країні становить 20—21 млрд м3, але це — лише 1/5 від кіль& кості, необхідної для нашої промисловості, енергетики, побуту. Вітчизняній нафтогазовій промисловості — понад 100 років. Вона почала розвиватися в Галичині. Газопровід між Бориславом і Дрогоби чем довжиною понад 10 км запрацював у 1911 р. і став першим у Європі.

Супутній нафтовий газ — суміш газува& тих вуглеводнів, які містяться разом із наф& тою в її родовищі. За якісним складом супут& ній нафтовий газ нагадує природний, але метану в ньому менше (30—40 % за об’ємом), а етану та інших вуглеводнів — більше. Частина цього газу розчинена в нафті. Під час просування нафти із земних надр на поверхню тиск спадає, розчинність газів змен& шується, і вони виділяються з неї.

160

Останнім часом зростає виробництво скрап лених природного і супутнього нафтового газів1. Природний газ перетворюють на рідину, засто совуючи сильне охолодження. Скраплений нафтовий газ є рідкою сумішшю вуглеводнів (переважно С3Н8 і С4Н10), яка кипить в інтервалі температур –50—0 °C. У рідкому стані горючі суміші речовин зручно транспортувати і зберіга ти (мал. 67), але це потребує використання спе ціальних ємностей, підтримання низьких темпе ратур і підвищеного тиску.

Мал. 67. Ємності зі скрапленими природним і супутнім нафтовим газами

Цікаво знати На вугілля припадає приблизно 80 % від маси усіх горючих копалин.

Горючі копалини, з яких виробляють вугле' водні. Вуглеводні різного складу добувають переробленням вугілля, горючих сланців. Вугілля утворилося багато мільйонів років тому в надрах планети внаслідок розкладу величезних рослинних мас. Це суміш бага& тьох органічних речовин із високим вмістом Карбону і невеликої кількості неорганічних сполук. Вугілля використовують як паливо (в теплоенергетиці, промисловості, побуті), а деякі його види — для виробництва коксу, горючих газових сумішей. Взаємодією вугіл& ля з воднем за нагрівання, підвищеного тиску і наявності каталізаторів добувають суміші вуглеводнів (синтетичне рідке пальне). Існують три види вугілля — антрацит (мал. 68), кам’яне і буре. Масова частка Кар& бону в антрациті найбільша (94—97 %), а в

1

Міжнародні позначення цих продуктів — LNG (liquefied natural gas) і LPG (liquefied petroleum gas).

161

Мал. 68. Антрацит

бурому вугіллі — найменша (після видалення з нього води вона становить 64—80 %). Україна багата на поклади вугілля. Найбіль& ше родовище кам’яного вугілля — в Донецькій і Луганській областях. Значно менше його у Львівсько&Волинському басейні. Буре вугілля зосереджене переважно в Дніпровському ба& сейні, а поклади антрациту — в Донецькому. У вугільних пластах міститься і природний газ (метан). Невелику частину його викорис& товують як паливо, а решта виходить в атмо& сферу. Незважаючи на контроль за вмістом метану в шахтах, іноді трапляються вибухи газу, які призводять до загибелі шахтарів. «Вугільний» газ — важливий резерв для теплоенергетики України. Обсяг його щоріч& ного видобутку в перспективі може становити кілька мільярдів кубометрів. Горючі сланці — гірська порода, в якій містяться органічні й неорганічні речовини (мал. 69). Органічний компонент є продуктом тривалого перетворення рослинних і тварин& них залишків у надрах планети. Горючі слан& ці використовують як паливо. Крім того, їх

Мал. 69. Горючий сланець

162

піддають термообробці з метою добування горючих газів, рідкого пального, смоли. За покладами горючих сланців Україна посідає третє місце в Європі. Застосування вуглеводнів. Метан (природ& ний газ) використовують як паливо — у теплоенергетиці, промисловості, побуті. Іноді він слугує замінником бензину в автомобіль& них двигунах. На транспортних засобах вста& новлюють балони з природним газом, який міститься в них під високим тиском (мал. 70).

Мал. 70. Метанове пальне в автомобілі

Метан також є сировиною для виробництва органічних речовин, водню, сажі (наповнювач гуми). Термічним розкладом природного газу в промисловості добувають ацетилен: 1500 °C 2CH4 ⎯ ⎯⎯→ C2H2 + 3H2.

Етан, пропан і бутан використовують значно менше, ніж метан. Сумішшю зріджених про& пану й бутану заповнюють балони різної місткості (мал. 71), які використовують у

Мал. 71. Балони із пропанбутановою сумішшю

163

побуті для газових плит. Якщо вентиль балона відкрити, то з нього виходитиме газ, а не ріди& на. Пропан&бутанова суміш — один із видів пального у двигунах внутрішнього згоряння. Гомологи метану з кількістю атомів Карбо& ну в молекулах від 5 до 18 є складниками бен& зину і гасу. Неповне згоряння автомобільного пального, а також виділення чадного газу із двигуна при зводять до істотного забруднення повітря в містах і на автомагістралях. Для зменшення шкідливих викидів до вихлопної труби автомобіля приєдну ють насадку з каталізатором (мал. 72), який сприяє перетворенню чадного газу та решток пального на вуглекислий газ і водяну пару.

N2, O2 CO2, H2O CnHm, CO Мал. 72. Насадка з каталізатором у розрізі

N2, O2 CO2, H2O

Перегонкою нафти (§ 29), а також її терміч& ним розкладом добувають багато вуглеводнів та їх сумішей. Суміші рідких вуглеводнів — уайт&спірит (мал. 73), петролейний ефір — слугують розчинниками й розріджувачами

Мал. 73. Уайт-спірит

164

для лаків і фарб. Різноманітного застосування набули вазелін (суміш рідких і твердих наси& чених вуглеводнів) і парафін. Етен (етилен) використовують як сировину для виробництва поліетилену, а також для добування етилового спирту, органічних роз& чинників, інших речовин. Додавання невели& кої кількості етилену в повітря теплиць при& скорює достигання овочів і фруктів. Найбільше ацетилену витрачають для до& бування різних органічних речовин. Його використовують для зварювання і різання металів завдяки високій температурі, що досягається під час згоряння ацетилену в атмосфері кисню. Цей вуглеводень і кисень підводять у спеціальний пальник, а полум’я спрямовують на метал (мал. 74). Працюючи з ацетиленом, пам’ятають, що його суміші з повітрям або киснем вибухонебезпечні.

Мал. 74. Різання металу за допомогою ацетиленового пальника

ВИСНОВКИ

Джерелами вуглеводнів у природі є нафта, природний і супутній нафтовий гази. Нафта — суміш переважно рідких вугле' воднів. Головним компонентом природного і супутнього нафтового газів є метан. Вугілля і горючі сланці — копалини, в яких міститься багато органічних речовин. Їх використовують як паливо, переробляють на вуглеводні.

165

Вуглеводні слугують паливом, пальним, розчинниками, сировиною для виробництва органічних сполук.

?

216. Охарактеризуйте склад нафти.

217. Чому нафта не має сталих густини і температури кипіння?

218. Порівняйте склад природного і супутнього нафтового газів.

219. Назвіть основні сфери застосування вуглеводнів та їх природних сумішей.

220. За матеріалами з інтернету з’ясуйте, які переваги і недоліки має застосування природного газу або пропан бутанової суміші як пального в транспортних засобах порівняно з бензином.

221. Природний газ родовища містить 94 % метану, 2 % етану, 2 % пропа ну (частки об’ємні), а також азот і вуглекислий газ. Який об’єм по вітря необхідний для повного згоряння цього газу об’ємом 1 м3? Вважайте, що об’ємна частка кисню в повітрі становить 20 %.

222. У результаті спалювання антрациту масою 10 г у надлишку кисню утворився карбон(IV) оксид об’ємом 18 л (н. у.). Визначте масову частку Карбону в антрациті.

223. Обчисліть об’єм вуглекислого газу (н. у), який утвориться після спалювання зрідженої пропан бутанової суміші масою 1 кг із однаковими масовими частками вуглеводнів.

29

Перегонка нафти Матеріал параграфа допоможе вам: дізнатися про процес перегонки нафти; отримати інформацію про нафтопродукти та їх застосування.

Основною метою перероблення нафти є до& бування бензину та інших видів пального (мал. 75). Крім того, нафта — цінна сировина для хімічної промисловості.

166

Мал. 75. Нафтопереробний завод, м. Кременчук

Сиру нафту перед переробленням зневодню& ють, вилучають із неї солі1, а також леткі вуглеводні (пропан, бутан тощо). Розрізняють первинне і вторинне перероб лення нафти. Основу першого процесу стано& вить перегонка, а другого — хімічні реакції, під час яких змінюються склад і будова моле& кул вуглеводнів. Головне — домогтися якомо& га більшого виходу найважливіших нафто& продуктів і максимально використати залиш& ки виробництва як хімічну сировину. Вам відомо, що нафта є сумішшю, в якій переважають вуглеводні. Кожна сполука має певну температуру кипіння. Отже, нагріваю& чи нафту, можна поступово виділяти з неї окремі речовини в газуватому стані. У про& мисловості в такий спосіб, тобто перегонкою, із нафти добувають суміші речовин, що киплять у певних температурних інтервалах. Такі суміші називають фракціями (табл. 4). Перегонку нафти здійснюють у ректифікацій& них колонах тарілчастої конструкції (мал. 76, 77). Нафту нагрівають до кипіння і з гарячою водяною парою спрямовують у колону, де газо& ва суміш поступово охолоджується. Спочатку зріджуються вуглеводні з більшими молеку& лярними масами (вони мають вищі температу& ри кипіння), потім — із меншими. Розчинені в нафті вуглеводні, що за звичайних умов є газа& ми, виходять із верхньої частини колони.

1

Хлориди спричиняють сильну корозію обладнання нафтоперероб& ного заводу.

167

Таблиця 4 Характеристики фракцій, які добувають перегонкою нафти Кількість Інтервал Застосування Назва фракції атомів Карбону температур кипіння, в молекулах °С вуглеводнів 40—200 Бензин С5–С11 Пальне для авіаційних та автомобільних двигунів Лігроїн

С8–С14

150—250

Пальне для тракторів

Гас

С12–С18

180—300

Пальне для тракторів, реактивних літаків і ракет

Газойль

С15–С22

230—300

Дизельне пальне

Мазут*

С23–...

>350

Паливо для котлів, промислових печей; хімічна сировина**

* Залишок після перегонки нафти. ** Перегонкою мазуту у вакуумі добувають мастила.

Мал. 76. Схема установки для перегонки нафти: а — трубчаста піч; б — ректифікаційна колона

168

а

б

50 % — бензин

40 % — дизельне пальне, гас 10 % — мазут

Мал. 77. Ректифікаційні колони на нафтопереробному заводі

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_169.mp4

Мал. 78. Приблизний розподіл за масою продуктів перегонки нафти

Демонстраційний дослід із перегонки нафти ви можете переглянути за покликан& ням у QR&коді. Відносні кількості продуктів перегонки нафти наведено на малюнку 78. Важливим продуктом нафтопереробки є бензин. Якість бензину визначають за його стійкістю до детонації1. Так називають явище вибухового згоряння парів речовини в суміші з повітрям під час стиснення. Детонаційну стійкість бензину характери& зують так званим октановим числом2. Октанове число для вуглеводню ізооктану, який важко детонує, взято за 100, а для н гепта ну, що легко детонує, — за 0. Якщо октанове число бензину становить 95, то його стійкість до детонації така сама, що й суміші ізооктану та н гептану з об’ємними частками вуглеводнів відповідно 95 і 5 %.

Чим більше октанове число бензину, тим він стійкіший до передчасного спалахування 1 2

Термін походить від латинського слова detonare — прогриміти. Від назви вуглеводню октану С8Н20.

169

в камері згоряння, тим більший тиск витри& мує без детонації і тим потужніше може пра& цювати двигун. Найуживаніші марки пально& го мають октанові числа 92, 95 і 98 (мал. 79).

Мал. 79. Асортимент пального

Октанове число бензину збільшують за допо могою спеціальних добавок — антидетонаторів. Колись найуживанішим антидетонатором був тетраетилсвинець (С2H5)4Pb (хімічна назва спо луки — тетраетилплюмбум). Однак під час зго ряння бензину з такою добавкою в атмосферу потрапляють отруйні сполуки Плюмбуму. Тому в багатьох країнах використання тетраетилсвин цю заборонене. Нині дедалі більше застосову ють екологічно безпечні антидетонатори.

Сучасному екологічному стандартові відпо& відає бензин ґатунку «Євро&5»; для нього встановлено найбільш жорсткі вимоги щодо вмісту шкідливих речовин у вихлопних газах. Забруднення довкілля нафтою і нафтопро' дуктами. Останнім часом почастішали випад& ки потрапляння нафти й нафтопродуктів в океани і моря через аварії танкерів, нафто& видобувних платформ (мал. 80). Це завдає

Мал. 80. Наслідки витоку нафти

170

серйозної шкоди всьому живому в гідросфері, спричиняє забруднення берегів. Нафту і наф& топродукти збирають із поверхні води, погли& нають спеціальними речовинами (адсорбен& тами), а на суходолі видаляють разом із шаром ґрунту.

ВИСНОВКИ

Первинне перероблення нафти полягає в її перегонці. Здійснюючи цей процес, добува' ють бензин, гас та інші нафтопродукти. Якість пального для двигунів оцінюють за октановим числом. Чим воно більше, тим вища стійкість пального до детонації (вибухо' вого згоряння). Охорона довкілля від забруднень нафтою і нафтопродуктами є актуальною екологічною проблемою.

?

224. У чому полягає процес перегонки нафти?

225. Які назви мають суміші вуглеводнів, що утворюються під час перегонки нафти?

226. На яку особливість пального вказує значення октанового числа? Більшим чи меншим є октанове число для якіснішого бензину?

227. Завдяки яким властивостям нафти її залишки накопичуються на поверхні забрудненої води?

30

Спирти. Метанол і етанол Матеріал параграфа допоможе вам: отримати відомості про оксигеновмісні органічні речовини; з’ясувати, які сполуки називають спиртами; 171

дізнатися про склад і будову молекул метанолу та етанолу; ознайомитися з властивостями та застосуван ням обох спиртів; довідатися про дію метанолу та етанолу на орга нізм.

Оксигеновмісні органічні сполуки. Існує багато органічних сполук, молекули яких містять, крім атомів Карбону та Гідрогену, ще й атоми Оксигену. Серед них — відомі вам етиловий спирт, цукор, крохмаль, оцтова кислота, жири. Оксигеновмісні органічні сполуки поділя& ють на класи — клас спиртів, клас карбоно& вих кислот та ін. Спільною ознакою для спо& лук кожного класу є наявність у їхніх молеку& лах певної групи атомів. Приклади таких груп атомів та їхні назви: –OH

O –C–= OH

гідроксильна

карбоксильна

Ці групи атомів виокремлюють у хіміч& них формулах органічних сполук: СН3ОН, СН3СООН (формули СН4О, С2Н4О2 зазвичай не використовують). «Вуглеводневу» частину молекули (групу атомів Карбону й Гідрогену) називають вугле& водневим залишком. У наведених вище хімічних формулах цим залишком є група атомів –СН3. Ознайомлення з оксигеновмісними органіч& ними сполуками розпочнемо зі спиртів. Спирти. Метанол і етанол. Слово «спирт» усім відоме. Так називають у побуті безбарвну рідину з характерним запахом. Спирт є компо& нентом лікарських засобів, різних настоянок, алкогольних напоїв. Хімічна назва цієї сполу& ки — етанол, а традиційна — етиловий спирт. Формула етанолу — С2Н5ОН. Вона склада& ється із двох частин — вуглеводневого залиш& 172

ку –С2Н5 (залишок від молекули етану С2Н6) і гідроксильної групи –ОН (мал. 81, а). Існує багато органічних сполук, молекули яких мають аналогічний склад.

Спирти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять одну або кілька гідроксильних груп.

Мал. 81. Моделі молекул етанолу (а) і метанолу (б)

а

б

Н :

:

Н Н

:

Н

:

:

етанол Н : C : C : О : Н

:

Н Н–C–О–Н – –

:

:

метанол Н : C : О : Н

Н Н Н–C–C–О–Н – – – –

:

Н

:

З’ясуємо, який спирт походить від найпро& стішого насиченого вуглеводню — метану СН4. Якщо від молекули метану «від’єднати» один атом Гідрогену і до вуглеводневого залишку Цікаво знати –СН3 «приєднати» гідроксильну групу, отри& Інша маємо молекулу спирту СН3ОН (мал. 81, б). традиційна Його назви — метанол, метиловий спирт. назва етанолу — Будова молекул. У молекулах спиртів, що винний спирт, походять від насичених вуглеводнів, усі а метанолу — атоми сполучені простим ковалентним зв’яз& деревний ком: спирт.

Н Н Н Н Атом Оксигену, як найбільш електронега& тивний серед усіх атомів у молекулі спирту, притягує до себе спільні електронні пари від обох сусідніх атомів (С→О←Н), причому най& більше — від атома Гідрогену. Внаслідок цього на атомі Оксигену виникає невеликий нега& 173

тивний заряд, а на атомі Гідрогену — позитив& ний заряд. Отже, зв’язок О–Н є полярним: – –

Н δ– δ+ Н–C–О–Н Н Властивості. За звичайних умов метанол і етанол — безбарвні рідини з характерним («спиртовим») запахом. Вони легші за воду; густина метанолу становить 0,792 г/см3, а ета& нолу — 0,798 г/см3. Температури кипіння обох спиртів значно вищі, ніж відповідних вуглеводнів — метану і етану (мал. 82). tкип., °C C2H5OH CH3OH

+78,2 +64,7 0 Мал. 82. Температури кипіння спиртів і вуглеводнів (за тиску 101,3 кПа)

C2H6

–89

–161,5

CH4

Істотна відмінність температур кипіння вуглеводню і спирту зумовлена тим, що між молекулами спирту наявні водневі зв’язки1: ...

δ–

O

C2H5

δ+

H

...

δ–

δ+

δ–

O

H ... O

C2H5

C2H5

δ+

H. . .

Молекули спирту, маючи полярні зв’язки δ–

δ+

О←Н, притягуються одна до одної, а сме — δ+

δ–

атом Н однієї молекули до атома О іншої моле& кули. Водневі зв’язки також утворюються між молекулами спирту і води: 1

Про цей тип хімічного зв’язку йшлося в § 2.

174

...

δ–

O

C2H5

δ+

H

...

H

δ–

O

δ+

δ–

H ... O

δ+

H. . .

C2H5

Завдяки цьому метанол і етанол необмежено розчиняються у воді. Обидва спирти розчиняють луги, кислоти, деякі солі, багато органічних сполук різного складу. Метанол і етанол — горючі рідини (мал. 83). Під час їх горіння утворюються вуглекислий газ і водяна пара.

Мал. 83. Горіння етанолу

Напишіть рівняння відповідних реакцій. Застосування. Метанол і етанол викори& стовують насамперед як розчинники, а також для добування різних органічних сполук. Етиловий спирт — відомий дезінфекційний засіб (мал. 84). Його застосовують для виго&

Мал. 84. Аптечна пляшечка з етиловим спиртом

175

товлення розчинів медичних препаратів і екстрактів лікарських рослин. Етанол є сиро& виною для виробництва лікеро&горілчаних напоїв. Суміш бензину з етанолом іноді слугує пальним для міського транспорту (наприклад, у Бразилії). Двигун, який працює на такому пальному (мал. 85), викидає в повітря менше шкідливих речовин, ніж бензиновий. Оскільки спирт для пального можна виробляти із зеленої маси рослин і деревини, то це дає змогу змен& шити кількість нафти, яку переробляють на бензин, і використати її як хімічну сировину.

Мал. 85. Заправка з пальним на основі етанолу

Фізіологічна дія. Метанол і етанол негатив& но впливають на організм людини. Метанол є сильною отрутою. Після випад& кового вживання навіть незначної його кіль& кості людина втрачає зір, а в разі більшої кількості — гине. Потрапляння етилового спирту в організм спричиняє сп’яніння. Цей стан характеризу& ється порушенням мовлення і координації рухів, втратою пам’яті й контролю за своїми діями, запамороченням. Значні дози алкого& лю призводять до отруєння. У людей, які постійно вживають алкогольні напої, виникає хронічне захворювання — алкоголізм. Його наслідками є підвищений тиск, ураження нервової та серцево&судинної систем, печінки, підшлункової залози. (Так само діє етанол на організми тварин.)

176

ВИСНОВКИ

Серед органічних речовин є багато оксиге' новмісних сполук. У їхніх молекулах містять' ся атоми Карбону, Гідрогену й Оксигену. Спирти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять одну або кілька гідроксильних груп. Найважливішими спиртами є метанол і етанол. Це безбарвні рідини з характерним запахом, які необмежено розчиняються у воді, горять на повітрі. Метанол і етанол використовують у хіміч' ній промисловості як реагенти і розчинни' ки, а етанол — ще й у медицині, для виго' товлення лікеро'горілчаних напоїв, як ком' понент пального у двигунах внутрішнього згоряння. Етанол, потрапляючи в організм, спричи' няє сп’яніння. У людини, яка зловживає спиртними напоями, виникає алкогольна залежність. Метанол — отруйна речовина.

?

228. Які органічні сполуки називають спиртами? Охарактеризуйте склад молекул спиртів.

229. Як впливають водневі зв’язки, що утворюються між молекулами спирту, на фізичні властивості сполуки?

230. Чому, на вашу думку, метанол і етанол, формули яких містять гідроксильну групу, не виявляють оснвних властивостей, як, на приклад, натрій гідроксид?

231. Змішали однакові кількості речовини етанолу і води. Обчисліть масову частку спирту в утвореному розчині.

232. Який об’єм етанолу потрібно розчинити у воді об’ємом 300 мл, щоб виготовити розчин із масовою часткою спирту 20 %? Густину етанолу наведено в тексті параграфа.

233. Обчисліть масу метанолу, в результаті згоряння якого утворився вуглекислий газ об’ємом 5,6 л (н. у.).

234. За матеріалами з інтернету з’ясуйте, чому метанол раніше нази вали деревним спиртом.

177

31

Гліцерол (гліцерин) Матеріал параграфа допоможе вам: дізнатися про склад молекули гліцеролу (гліце рину); з’ясувати властивості гліцеролу; відрізняти гліцерол від етанолу; довідатися про застосування гліцеролу.

Цікаво знати Гліцерин було вперше добуто у 1779 р.

У повсякденному житті іноді використову& ють спирт, хімічна назва якого — гліцерол, а тривіальна — гліцерин1. Склад і будова молекули. На відміну від молекул метанолу та етанолу, молекула гліце& ролу містить три атоми Карбону і три гідрок& сильні групи. Для того щоб скласти хімічну формулу сполуки, запишемо структурну фор& мулу молекули пропану С3Н8 – – – – – –

Н Н Н Н–C–C–C–Н Н Н Н і замінимо в ній три атоми Гідрогену (по одно& му біля кожного атома Карбону) на три ОН&групи (мал. 86). Отримаємо структурну формулу молекули гліцеролу

–

–

–

– –

– –

– –

Н Н Н Н – C – C – C – Н , або CН2–CН–CН2 .

OН OН OН OН OН OН

Мал. 86. Модель молекули гліцеролу 1

Назви походять від грецького слова glykys — солодкий.

178

Хімічна формула сполуки — С3Н5(ОН)3. Гліцеролу в природі немає, але похідні цього спирту — жири — дуже поширені в рос& линному і тваринному світі. Фізичні властивості. Гліцерол — безбарвна в’язка рідина (мал. 87) без запаху, солодка на смак. Сполука трохи важча за воду (густина — 1,26 г/см3), змішується з нею в будь&яких співвідношеннях з утворенням розчину. Глі& церол може вбирати вологу (до 40 % від своєї маси). Таку властивість речовин називають гігроскопічністю1.

Мал. 87. Гліцерол

Гліцерол кипить, розкладаючись, за темпе& ратури +290 °С, вищої, ніж метанол або ета& нол. Це й зрозуміло, бо водневих зв’язків у гліцеролі значно більше: його молекула містить три гідроксильні групи, а молекула метанолу чи етанолу — лише одну. Хімічні властивості. Гліцерол, як і інші спирти, є горючою речовиною. Якщо невели& ку кількість гліцеролу налити в порцелянову чашку, нагріти і підпалити, то він горітиме майже безбарвним полум’ям (мал. 88). Напишіть рівняння реакції горіння гліце& ролу.

1

Термін походить від грецьких слів hygros — вологий, skope — спостерігаю.

179

Мал. 88. Горіння гліцеролу

На відміну від метанолу та етанолу, гліце& рол реагує з купрум(ІІ) гідроксидом.

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 11 Взаємодія гліцеролу з купрум(ІІ) гідроксидом Налийте в пробірку 0,5 мл гліцеролу і такий самий об’єм води. Перемішайте рідину скляною паличкою. В іншу пробірку налийте 2 мл розчину натрій гідроксиду і додайте кілька крапель розчину куп& рум(ІІ) сульфату. Осад якої сполуки утворився? Додайте до осаду водний розчин гліцеролу і перемі& шайте суміш. Що спостерігаєте? Купрум(ІІ) гідроксид, реагуючи з гліцеро& лом у лужному середовищі, розчиняється, й утворюється темно&синій розчин продукту реакції (мал. 89).

Мал. 89. Результат взаємодії гліцеролу з купрум(ІІ) гідроксидом

180

Застосування. Гліцерин є компонентом мила, зубних паст, косметичних засобів, лікарських препаратів (мал. 90). Завдяки високій гігроскопічності він запобігає переси& ханню шкіри. Гліцерин додають у деякі харчо& ві продукти.

Мал. 90. Застосування гліцерину: а — у косметичних засобах; б — у лікарських препаратах

а

б

У значній кількості гліцерин використову& ють для виробництва нітрогліцерину — вибу& хової речовини і сировини, з якої виготовля& ють динаміт і порох.

ВИСНОВКИ

Гліцерол (гліцерин) С3Н5(ОН)3 — один із важливих спиртів. Це безбарвна в’язка ріди' на із солодким смаком, без запаху. Сполуку можна виявити за допомогою реакції з купрум(ІІ) гідроксидом. Гліцерин використовують у виробництві кос' метичних засобів, лікарських препаратів, ніт' рогліцерину, у харчовій промисловості.

?

235. Обґрунтуйте твердження: «Гліцерол належить до класу спиртів».

236. Поясніть, чому гліцерол: а) має високу в’язкість; б) необмежено розчиняється у воді.

237. Як можна розрізнити гліцерол і етанол: а) за фізичними властивостями; б) за хімічними властивостями?

181

238. Обчисліть масову частку гліцеролу у водному розчині, якщо моле кул води в ньому у 8 разів більше, ніж молекул гліцеролу.

239. Визначте об’єм кисню (н. у.), який витрачається на згоряння гліце ролу масою 4,6 г.

32

Карбонові кислоти. Оцтова (етанова) кислота Матеріал параграфа допоможе вам: вирізняти карбонові кислоти серед інших орга нічних сполук; довідатися про будову молекули оцтової кислоти; з’ясувати властивості оцтової кислоти; дізнатися більше про застосування оцтової кислоти.

Карбонові кислоти. У цьому і наступному параграфах ітиметься про сполуки класу кар& бонових кислот. Вони відрізняються від спир& тів наявністю в молекулах карбоксильної O групи атомів –C–= , або –СОOH. OH

Карбонові кислоти — це похідні вуглеводнів, молекули яких містять одну або кілька карбоксильних груп. У рослинному світі трапляються різні кар& бонові кислоти — мурашина, оцтова, щавле& ва, яблучна, лимонна та ін. Тривіальні назви цих сполук здебільшого походять від назв рослин, у яких вони були знайдені (мал. 91, а). Карбонові кислоти виявлено і в організмах комах (мал. 91, б), ссавців, людини. Оцтова кислота. Рідину, назва якої — оцет, виготовляли люди ще в давні часи. Її викори& стовують для різних потреб у кожній родині, передусім для консервування, під час приго& тування їжі (мал. 92). Оцет — розбавлений водний розчин оцтової кислоти.

182

а

б

Мал. 91. Виявлення кислот за допомогою універсального індикатора: а — у соку лимона; б — у виділеннях мурашок

Мал. 92. Оцет

Оцтова кислота є найважливішою карбоно& вою кислотою. Її хімічна формула — СН3СООН. Молекула цієї сполуки складається з двох частин — вуглеводневого залишку –СН3 (залишок від молекули метану СН4) і карбок& сильної групи –СООН. Хімічна назва оцтової кислоти — етанова кислота (в її молекулі, як і в молекулі етану С2Н6, містяться два атоми Карбону). Будова молекули. Структурна формула молекули оцтової кислоти (мал. 93): – –

Н O O . Н–C–C–= , або CН3–C–= OH OH Н

Мал. 93. Модель молекули оцтової кислоти

Атом Оксигену, який сполучений з атомом Карбону подвійним зв’язком, спричиняє силь& 183

не зміщення спільної електронної пари в гідроксильній групі: – –

Н O Н–C–C–=δ– δ+ O←H Н Зв’язок О–Н у молекулі оцтової кислоти є більш полярним, ніж у молекулах спиртів, і ця сполука виявляє кислотні властивості. Фізичні властивості. За звичайних умов оцтова кислота є безбарвною рідиною з різким запахом. Її густина — 1,05 г/см3. Якщо кисло& ту охолодити до +16,6 °С, вона кристалізуєть& ся, немов замерзає (мал. 94). Тому її іноді називають льодяною оцтовою кислотою.

Мал. 94. Чиста оцтова кислота, яка зберігається в прохолодному приміщенні

Температура кипіння оцтової кислоти ста& новить +118 °С і є вищою, ніж температура кипіння етанолу С2Н5ОН (+78,2 °С). Це зумо& влено утворенням у кислоті більшої кількості водневих зв’язків (її молекула містить два атоми Оксигену, тоді як молекула спирту — один атом). Оцтова кислота змішується з водою з утво& ренням розчину. Про що свідчить позначка на пляшці з оцто& вою кислотою (мал. 94)? Хімічні властивості. Оцтова кислота, як і неорганічні кислоти, дисоціює у водному роз& 184

чині на катіони Гідрогену та аніони кислотно& го залишку: → Н+ + СН3СОО–. СН3СООН ← Цей процес відбувається внаслідок розриву ковалентних полярних зв’язків О–Н. Катіони Гідрогену, що утворюються, змінюють забарв& лення індикатора. Оцтова кислота є слабкою; в її розчині міститься значно більше молекул кислоти, ніж йонів. Аніон СН3СОО– називають ацетат&іоном, а солі оцтової кислоти — ацетатами (або етано& атами). У формулах солей цієї та інших орга& нічних кислот спочатку записують аніони, потім — катіони: CH3COONa, (CH3COO)2Ba. Оцтова кислота взаємодіє з активними металами з виділенням водню: Mg + 2CH3COOH → (CH3COO)2Mg + H2↑. магній ацетат

Вона також реагує з оснвними й амфотерни& ми оксидами (мал. 95), основами, амфотерни& ми гідроксидами, солями деяких слабких кислот (наприклад, із карбонатами): 2CH3COOH + Li2O → 2CH3COOLi + H2О; 2CH3COOH + Zn(OH)2 → (CH3COO)2Zn + 2H2О; 2CH3COOH + BaCO3 → (CH3COO)2Ba + H2CO3.

H2O CO2↑

Мал. 95. Реакція оцтової кислоти з купрум(ІІ) оксидом

CH3COOH

CuO

(CH3COO)2Cu

185

У йонно&молекулярних рівняннях оцтову кислоту як слабку кислоту подають у недисо& ційованій формі: CH3COOH + LiOH → CH3COOLi + H2О; CH3COOH + OH– → CH3COO– + H2О. Складіть рівняння реакції оцтової кислоти з розчином натрій силікату в молекулярній та йонно&молекулярній формах. Оцтову кислоту можна виявити в розчині за допомогою такого експерименту. Спочатку її розчин нейтралізують розчином лугу (кисло& та перетворюється на сіль — ацетат), а потім додають кілька крапель розчину ферум(ІІІ) хлориду. Поява темно&червоного забарвлення (мал. 96) вказує на наявність у розчині ацетат& іонів СН3СОО–.

FeCl3

⇒ Мал. 96. Виявлення ацетат-іонів у розчині

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_186.mp4

186

CH3COO–, Na+

Дослід, який засвідчує, що пари чистої оцтової кислоти горять, дивіться за покли& канням у QR&коді. Застосування. Оцтова кислота — перша з карбонових кислот, яку людина виготовляє і використовує з давних часів. Її застосовують у хімічній і харчовій промисловості, для фар& бування тканин, у виробництві штучних волокон, домашньому господарстві.

ВИСНОВКИ

Карбонові кислоти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять одну або кілька кар' боксильних груп –СООН. Оцтова кислота СН3СООН — найважливіша карбонова кислота. Це безбарвна рідина з різ' ким запахом, яка змішується з водою в будь' яких співвідношеннях з утворенням розчину. Оцтова кислота є слабкою. Вона взаємодіє з металами з виділенням водню, оснвними й амфотерними оксидами, основами, амфотер' ними гідроксидами, деякими солями. Оцтову кислоту використовують у промис' ловості, для домашніх потреб.

?

240. Які сполуки називають карбоновими кислотами? Чим молекула карбонової кислоти відрізняється від молекули спирту?

241. Запишіть формулу карбонової кислоти, молярна маса якої така сама, що й етанолу. Чи відповідає ця кислота визначенню карбо нових кислот?

242. Поясніть, завдяки чому молекула оцтової кислоти дисоціює у вод ному розчині.

243. Чому оцтова кислота не виявляє оснвних властивостей, хоча її формула містить групу ОН, як і формула натрій гідроксиду?

244. Складіть рівняння реакцій і дайте назви їх продуктам: б) СН3СООН + MnO → …; а) СН3СООН + Са → …; СН3СООН + K2CO3 → … . СН3СООН + Pb(OH)2 → …; 245. Наведіть по два молекулярні рівняння, які відповідають таким йонно молекулярним рівнянням: а) Н+ + СН3СОО– = СН3СООН; б) S2– + 2CH3COOH = H2S + 2CH3COO–.

246. Змішали однакові кількості речовини оцтової кислоти і води. Обчисліть масову частку кислоти в розчині, який утворився.

247. Молярна маса солі оцтової кислоти становить 142 г/моль. Ви значте формулу цієї солі й назвіть сполуку.

248. Обчисліть масу розчину калій гідроксиду з масовою часткою лугу 32 %, який витратили на нейтралізацію розчину оцтової кислоти масою 50 г із масовою часткою кислоти 12 %.

249. Які маси оцтової есенції та води потрібно взяти для приготування столового оцту масою 160 г — розчину оцтової кислоти з масо 187

вою часткою кислоти 9 %? Візьміть до уваги, що оцтова есенція є розчином, який містить 80 % оцтової кислоти за масою.

250. Скориставшись інтернетом, з’ясуйте, який оцет називають винним, яблучним. Зробіть на уроці повідомлення про ці та інші види оцту.

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 4 Властивості оцтової (етанової) кислоти ДОСЛІД 1

Дія оцтової кислоти на індикатор Нанесіть за допомогою піпетки або скляної палички краплю розчину оцтової кислоти на універсальний індикаторний папірець1. Що спостерігаєте? ДОСЛІД 2

Реакція оцтової кислоти з металом Обережно помістіть у пробірку гранулу цинку і додайте 2 мл розчину оцтової кислоти. Що відбуваєть& ся? Якщо жодних змін не помічаєте, нагрійте вміст пробірки, але не до кипіння. ДОСЛІД 3

Реакція оцтової кислоти з оснвним (амфотерним) оксидом Помістіть у пробірку трохи порошку купрум(ІІ) оксиду або іншого виданого вам оксиду і додайте 2 мл розчину оцтової кислоти. Що спостерігаєте? За потре& би нагрійте вміст пробірки, але не до кипіння. ДОСЛІД 4

Реакція оцтової кислоти з лугом Налийте в пробірку 1—2 мл розчину оцтової кисло& ти і додайте краплю розчину фенолфталеїну. Додавай& те в пробірку краплями, перемішуючи, розчин лугу. Який зовнішній ефект засвідчить, що кислота повні& стю прореагувала з лугом?

1

Учитель або вчителька може використати інший індикатор.

188

ДОСЛІД 5

Реакція оцтової кислоти з нерозчинною основою (амфотерним гідроксидом) Налийте в пробірку 1 мл розчину лугу і додайте стільки ж розчину купрум(ІІ) сульфату або виданого вам розчину іншої солі. Що спостерігаєте? Перемішайте суміш із осадом і долийте до неї 2 мл розчину оцтової кислоти. Що відбувається в пробірці? ДОСЛІД 6

Реакція оцтової кислоти із сіллю У пробірку насипте трохи кальцій карбонату і налий& те 2 мл розчину оцтової кислоти. Що спостерігаєте? Під час здійснення кожного досліду записуйте свої дії та спостереження в подану нижче таблицю. Після завершення дослідів сформулюйте висновки і складіть відповідні рівняння реакцій у молекулярній та йонно& молекулярній формах. Послідовність дій

Спостереження

Висновки

Дослід 1. Дія оцтової кислоти... ...

...

...

Рівняння електролітичної дисоціації кислоти: Дослід 2. Реакція оцтової кислоти... ...

...

...

Рівняння реакції: Дослід 3. ...

?

251. Поясніть, з якою метою в досліді 4 використовують індикатор.

252. Яким буде результат досліду 6, якщо кальцій карбонат замінити: а) на натрій карбонат; б) на кальцій сульфат? Відповіді обґрунтуйте.

189

33

Вищі карбонові кислоти та їхні солі (мил) Матеріал параграфа допоможе вам: отримати відомості про вищі карбонові кислоти; дізнатися про органічні сполуки, які виявляють мийну дію.

Вищі карбонові кислоти. Карбонові кисло& ти, молекули яких містять 10 або більше ато& мів Карбону, називають вищими. Серед кислот цієї групи найважливішими є пальмітинова С15Н31СООН, стеаринова С17Н35СООН і олеїно& ва С17Н33СООН (мал. 97). Перші дві кислоти — насичені сполуки, оскільки містять у моле& кулах лише прості ковалентні зв’язки між атомами Карбону, а олеїнова кислота — нена& сичена, бо має в молекулі один подвійний зв’я& зок С=С. Ці кислоти належать до так званих жирних кислот (залишки їхніх молекул містяться в молекулах жирів).

а

Мал. 97. Моделі молекул стеаринової (а) й олеїнової (б) кислот

б

Пальмітинова і стеаринова кислоти — білі тверді речовини, а олеїнова — рідина. Вони майже не розчиняються у воді.

190

За хімічними властивостями вищі карбоно& ві кислоти подібні до оцтової, але є дуже слаб& кими. Ці сполуки реагують із лугами: С17Н35СООН + NaOH → С17Н35СООNa + H2O. стеаринова кислота

натрій стеарат

Якщо до розчину солі вищої карбонової кислоти додати розбавлену сульфатну кисло& ту, то відбувається інша реакція обміну: 2С15Н31СООK + Н2SО4 → 2С15Н31СООН↓ + K2SО4. калій пальмітат

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_191.mp4

пальмітинова кислота

Вищі карбонові кислоти добувають із при& родних жирів, здійснюючи за певних умов їх реакції з водою. Мил. Солі лужних елементів і карбонових кислот із кількістю атомів Карбону в аніонах від 10 до 20 називають милми. (Якщо атомів Карбону в аніоні солі менше 10, то сполука не виявляє мийної дії, а якщо більше 20, то сіль практично нерозчинна у воді.) Солі Натрію і вищих карбонових кислот є твердими речови& нами, а солі Калію — рідинами. Традиційний процес миловаріння полягає в нагріванні жирів або олій із лугом. У результа& ті утворюється концентрований розчин, у якому містяться солі вищих карбонових кислот (мил). Якщо до нього додати насиче& ний розчин кухонної солі, розчинність цих солей зменшиться; вони виділяться з розчину і спливуть на поверхню. Цей процес називають висолюванням. Мило збирають і заповнюють ним форми, де воно твердне. Залежно від сорту мила в нього під час виробництва додають бар& вники, ароматизатори, екстракти рослин (календули, липи, ромашки та ін.). Демонстраційний дослід із виготовлення мила із жиру ви можете подивитися за покли& канням у QR&коді. Мийна дія мила полягає у відокремленні часточок бруду, наприклад, від поверхні тка& 191

нини й утворенні емульсії чи суспензії. Роз& глянемо, як це відбувається. Пригадайте, що таке емульсія, суспензія. Потрапляючи у воду, мило розчиняється і частково взаємодіє з нею; при цьому утворю& ються слабка кислота і луг: → С17Н35СООH + NaOH, С17Н35СООNa + H2O ← – → С17Н35СООH + OH–. С17Н35СОО + H2O ← Аніон С17Н35СОО– складається із двох час& тин — полярної (–СОО–) і неполярної (С17Н35–) (мал. 98). Неполярна частина йона «розчи& няється» в жировій частині забруднення, а полярна залишається у воді (мал. 99), сполу& чаючись із її молекулами водневими зв’язка& ми. Унаслідок такої взаємодії забруднення відокремлюється від поверхні тканини разом з аніонами кислотних залишків у вигляді маленьких жирових краплинок або твердих часточок. Вони не злипаються, оскільки мають

Мал. 98. Модель аніона вищої карбонової кислоти

Мал. 99. Мийна дія мила: а — сполучення аніонів із часточкою жиру; б — відокремлення часточки жиру від тканини

192

а

б

на своїй поверхні однойменний заряд (який?), а збираються навколо бульбашок повітря в піні. Використання мила має певні недоліки. Луг, невелика кількість якого утворюється у водному розчині мила, повільно роз’їдає тка& нини, руйнує деякі барвники. Мило втрачає свої властивості у природній воді, яка містить істотну кількість йонів Кальцію і Магнію, оскільки ці йони з аніонами вищих кислот утворюють малорозчинні солі: Са2+ + 2С17Н35СОО– → (С17Н35СОО)2Са↓. Нині мило майже повністю витіснили синте& тичні засоби для прання (мал. 100), які позбавлені зазначених недоліків.

Мал. 100. Пральний порошок

ВИСНОВКИ

Найважливіші вищі карбонові кислоти — пальмітинова, стеаринова й олеїнова. Це дуже слабкі кислоти. Їх натрієві й калієві солі називають милми. Мило частково реагує з водою з утворенням відповідних кислоти й лугу. Наявність в аніо' ні кислоти полярної та неполярної частин зумовлює змочування розчином мила різних поверхонь і видалення з них забруднень.

?

253. Охарактеризуйте склад молекул вищих карбонових кислот.

254. Напишіть рівняння реакції олеїнової кислоти з калій гідроксидом і назвіть сіль, яка утворюється.

193

255. Складіть молекулярні та йонно молекулярні рівняння реакцій: а) калій пальмітату з водою; б) магній стеарату (нерозчинна сіль) із хлоридною кислотою.

256. Чи здатні виявляти мийну дію: а) натрій сульфат; в) калій стеарат? б) натрій ацетат; Відповіді поясніть.

257. Обчисліть масу натрій стеарату, яка витратиться на осадження 1 г йонів Кальцію в річковій воді.

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Порівняння мийної дії мила та прального порошку Приготуйте в одній посудині водний розчин господарського мила, а в другій — розчин прального порошку вітчизняного виробництва (із розрахунку одну чайну ложку стружки мила або мийного засобу на 200 мл води). Візьміть чотири невеликі клаптики білої тканини. На двох клапти ках розітріть трохи землі, а на інші два нанесіть олію. Помістіть два клаптики з різними забрудненнями в посудину з водним розчином мила, інші два — в розчин прального порошку і залиште їх на годи ну або більше. Чи зменшилася інтенсивність і площа забруднення на кожному клаптику тканини? Чи виявили ви клаптик, із якого повністю видале но забруднення? Потріть кожний клаптик тканини у відповідному розчині протягом однієї двох хвилин і промийте у проточній воді. За результатами експерименту зробіть висновки.

34

Жири Матеріал параграфа допоможе вам: з’ясувати склад і властивості жирів; дізнатися про виробництво твердих і рідких жирів; зрозуміти біологічну роль жирів в організмі.

194

У природі дуже поширені сполуки, загаль& на назва яких — жири. Вони добре відомі нам із повсякденного життя (мал. 101).

Мал. 101. Харчові жири

Жири — це похідні гліцерину і вищих карбонових кислот. Загальна формула жирів —

, де R, R′, R′′ — вуглеводневі залишки (здебіль& шого вони різні, але можуть бути й однакови& ми). Найчастіше це залишки насичених кислот — пальмітинової С15Н31СООН, стеари& нової С17Н35СООН, а також ненасиченої олеї& нової кислоти С17Н33СООН. Природні жири завжди містять домішки; серед них — жирні кислоти, вітаміни, інші біологічно важливі речовини, вода. Класифікація. За походженням жири поді& ляють на тваринні й рослинні. Тваринні жири (яловичий жир, свиняче сало, вершкове масло) містять переважно спо& луки, що є похідними гліцерину й насичених кислот — стеаринової та пальмітинової. Моле& кули жирів морських ссавців і риб вирізняють& ся вмістом залишків ненасичених кислот, які мають щонайменше чотири подвійні зв’язки.

195

Цікаво знати Найбільше у світі виробляють дешевої пальмової олії.

Рослинні жири зазвичай називають оліями. Найважливіші серед них у нашому харчуван& ні — соняшникова, оливкова, кукурудзяна, лляна. Олії містять переважно жири, що є похідними олеїнової та інших ненасичених кислот. У кокосовому і пальмовому жирах переважають молекули із залишками насиче& них кислот. Властивості. Тваринні жири, крім риб’ячого, є твердими речовинами, а рослинні — рідинами (за винятком кокосового і пальмового). Запах, колір і смак жирів здебільшого зумов& лені різними домішками. Жири нерозчинні у воді, але добре розчиня& ються в бензині, гасі, інших органічних розчин& никах. Під час інтенсивного перемішування рідких жирів з водою утворюються емульсії (приклад такої емульсії — молоко). Температури плавлення жирів залежать від того, якими кислотами вони утворені. Якщо молекули жирів містять залишки насичених кислот, то ці речовини мають вищі температури плавлення і за звичайних умов є твердими. Жири, які походять від ненасиче& них кислот, — рідини. За нагрівання до 250—300 °С жири розкла& даються з утворенням сумішей різних сполук. У вологому повітрі жири зазнають повіль& ного окиснення. Продукти відповідних реак& цій мають неприємний запах і гіркий смак (пригадайте запах і смак несвіжого вершково& го масла). Під час горіння жирів відбувається їх повне окиснення з утворенням вуглекислого газу, водяної пари і виділенням значної кількості теплоти: t жир + О2 → СО2 + Н2О; ΔН < 0.

Змішаний з водою жир за нагрівання взаємо& діє з лугом. Цей процес отримав назву омилен& ня жирів. Продуктами таких реакцій є гліце& рин і солі вищих карбонових кислот — мил.

196

Рідкі жири можуть взаємодіяти з воднем і перетворюватися на тверді (гідрогенізовані) жири. Для здійснення такої реакції олію нагрі& вають до температури 160—240 °С і пропуска& ють у неї водень за наявності каталізатора: +H2, t, k

рідкий жир ⎯⎯⎯→ твердий жир.

Цікаво знати Україна виробляє 25 % усієї соняшникової олії у світі і є найбільшим експортером цього продукту.

Додаючи до продукту реакції молоко, верш& кове масло, вітаміни А і D, виробляють мар& гарин. Добування. Уперше синтез жиру здійснив французький учений М. Бертло в 1854 р., нагріваючи гліцерин із вищою карбоновою кислотою в запаяній посудині. Із часом було винайдено інші методи синтезу жирів. Однак усі вони не набули промислового значення, оскільки жири дуже поширені в природі і їх вилучають із природної сировини. Виробництво олії здійснюють двома спосо& бами. За першим способом висушене й очи& щене від домішок насіння соняшнику, інших рослин подрібнюють, нагрівають і пресують, унаслідок чого виділяється олія, яку очищу& ють і розливають у різні ємності (мал. 102). Нагрівання потрібне для зменшення в’язко& сті олії, щоб вона легше вилучалася з насіння під час пресування. Крім того, за підвищеної температури припиняється дія ферментів, які розкладають жири і спричиняють їх згір& кнення.

Мал. 102. Фасування олії

Інший спосіб полягає в обробленні насіння нагрітим летким розчинником (гексаном, ета& 197

Цікаво знати У рослинах жир накопичується в насінні (ним живляться зародки).

нолом), у якому олія розчиняється. Потім роз& чинник видаляють перегонкою. Твердий жир добувають із тваринної сиро& вини витоплюванням. Жир плавиться й відок& ремлюється від залишків м’яса, води, інших речовин. Його очищують і заливають у форми для тверднення. Вершкове масло виробляють із вершків. Застосування. Жири використовують у харчовій промисловості, виробництві косме& тичних засобів, медицині, техніці, для зма& щування виробів із металу з метою запобіган& ня корозії. Із жирів добувають гліцерин, мило, оліфу, багато інших речовин і матеріа& лів. Раніше деякі жири використовували як горючі речовини для освітлення приміщень. Біологічна роль. Жири є одними з найваж& ливіших харчових продуктів. Це — основне джерело енергії в організмі. У разі повного окиснення 1 г жиру в організмі виділяється в середньому 39 кДж теплоти, що удвічі більше за енергію, яку «виробляє» така сама маса білків чи вуглеводів. Виділення великої кіль& кості води внаслідок окиснення жиру має виняткове значення для тварин (наприклад, верблюдів), які змушені тривалий час жити без води. Висока харчова цінність жирів зумовлена також розчинністю в них вітамінів A, D, Е. Жири відіграють важливу роль у терморегу& ляції живих організмів. Вони погано проводять теплоту й тому захищають від переохолоджен& ня пінгвінів, китів, тюленів, інших тварин.

ВИСНОВКИ

Жири — похідні гліцерину і вищих карбо' нових кислот. Розрізняють тваринні й рослинні жири. Тваринні жири здебільшого є твердими речо' винами; це — похідні насичених кислот. Рос' 198

линні жири (олії) — переважно рідини; вони походять від ненасичених кислот. Жири не розчиняються у воді, на повітрі повільно окиснюються, а за нагрівання роз' кладаються. Жири мають високу енергетичну цінність і є невід’ємним складником нашого харчуван' ня. Їх також використовують у промисло' вості, медицині, техніці.

?

258. Назвіть кілька твердих і рідких харчових жирів.

259. З яких частин складається молекула жиру?

260. Який зв’язок існує між складом молекули жиру та його агрегат ним станом?

261. Зобразіть скорочену структурну формулу молекули жиру, якщо вона містить три залишки: а) пальмітинової кислоти; б) олеїнової кислоти.

262. Складіть рівняння реакції горіння жиру, в молекулі якого — три залишки стеаринової кислоти.

35

Вуглеводи. Глюкоза Матеріал параграфа допоможе вам: сформувати уявлення про склад вуглеводів; з’ясувати властивості глюкози; дізнатися про використання глюкози.

Вуглеводи. У кожній рослині міститься органічна речовина, назва якої — целюлоза. Вона, а також крохмаль, сахароза (звичайний цукор), глюкоза є вуглеводами (назва похо& дить від слів «вуглець» і «вода»)1. Загальна 1

Вуглець — традиційна назва Карбону, а також загальна назва простих речовин цього елемента.

199

Вуглеводи Cn(H2O)m

формула сполук цього класу — Cn(H2O)m, або CnH2mOm (n і m можуть мати значення 5 і біль& ше). За сильного нагрівання без доступу повіт& ря вуглеводи розкладаються на вуглець і воду (мал. 103). СuSO4 ⋅ 5H2O

H2O цукор Мал. 103. Термічний розклад вуглеводу

вуглець

Деякі вуглеводи складаються з порівняно невеликих молекул, інші — з молекул, що містять тисячі атомів. У зелених рослинах вуглеводи утворюються внаслідок фотосинтезу1. Це — складний про& цес, під час якого відбувається синтез органіч& них речовин із неорганічних (вуглекислого газу, води, розчинних солей) за участю соняч& ної енергії та зеленого пігменту хлорофілу (мал. 104). Фотосинтез супроводжується виді& ленням кисню. Схема цього процесу — hν вуглекислий газ + вода ⎯→ вуглеводи + кисень,

а узагальнене хімічне рівняння — hν

nСО2 + mН2О ⎯→ Cn(H2O)m + nО2. Людина отримує вуглеводи з рослин із їжею, а тварини — з кормами. Ці речовини є важливим джерелом енергії для організму, яка виділяється під час хімічних реакцій за їх участю.

1

Термін походить від грецьких слів phtos — світло і synthesis — сполучення.

200

O2

CO2 Мал. 104. Фотосинтез

Глюкоза С6H12O6

Сn(H2O)m

H2O

Глюкоза. Цей вуглевод — один із найваж& ливіших. Сполуку іноді називають виноград& ним цукром; вона міститься у фруктах (най& більше — у винограді), мед, а в дуже малій кількості — у крові людини і тварин. Склад і властивості. Хімічна формула глюкози — С6Н12О6. Глюкоза — білий порошок або безбарвні кристали. Речовина добре розчиняється у воді, має солодкий смак, але вона менш солод& ка, ніж цукор. Виявити глюкозу в розчині, а також відріз& нити розчин цього вуглеводу від розчину цукру або гліцерину можна, використавши її здатність реагувати з купрум(ІІ) гідроксидом (реакція відбувається із характерним зовніш& нім ефектом).

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 12 Взаємодія глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом Налийте в пробірку 1 мл розчину натрій гідроксиду і внесіть 3—4 краплі розчину купрум(ІІ) сульфату. До рідини з осадом купрум(ІІ) гідроксиду, що утворився, додайте 1 мл розчину глюкози і перемішайте суміш. Чи розчинився осад? Яким став колір розчину? Обережно нагрійте вміст пробірки. Спостерігайте появу осаду і поступову зміну його забарвлення.

201

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_202_1.mp4

Виконавши дослід, ви побачили, що під час взаємодії глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом утворюється розчинна сполука блакитного кольору (мал. 105, а, див. покликання у QR& коді). Якщо добутий розчин нагріти, з’являєть& ся жовтий осад, колір якого швидко змінюється на червоний (мал. 105, б, див. покликання у QR&коді). Зауважимо, що блакитний розчин продукту реакції гліцерину з купрум(ІІ) гідрок& сидом (§ 31) не зазнає змін за нагрівання.

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_202_2.mp4

⇒ t

Мал. 105. Результат взаємодії глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом

Мал. 106. Застосування глюкози: а — печиво; б — сироп; в — розчин для ін’єкцій

а

202

а

б

Добування і використання. У промисло& вості глюкозу добувають, здійснюючи за пев& них умов реакції крохмалю або цукру з водою. Глюкоза є сировиною для кондитерської про& мисловості (мал. 106, а). Із неї добувають аскор& бінову кислоту (вітамін С), кальцій глюконат, інші речовини. Глюкозу також використовують у медицині як легкозасвоювану і калорійну речовину при виснаженні людини; вона є ком& понентом кровозамінних рідин (мал. 106, б, в).

б

в

ВИСНОВКИ

Вуглеводи — сполуки із загальною форму' лою Cn(H2O)m. Вони є одним з основних джерел енергії для організму. Ці сполуки утворюють' ся в зелених рослинах під час фотосинтезу. Найважливішими вуглеводами є глюкоза, сахароза (цукор), крохмаль і целюлоза. Глюкоза С6Н12О6 — кристалічна речовина із солодким смаком, добре розчинна у воді. Її можна виявити в розчині за допомогою реакції з купрум(ІІ) гідроксидом за нагрівання. Глюкозу добувають із природної сировини. Цей вуглевод використовують у харчовій про' мисловості, медицині.

?

263. Які сполуки називають вуглеводами? Поясніть походження назви.

264. Доведіть, що склад молекули оцтової кислоти СН3СООН відпові дає загальній формулі вуглеводів Сn(H2O)m. Чи можна вважати цю сполуку вуглеводом? Відповідь обґрунтуйте.

265. Обчисліть масові частки елементів і відношення їхніх мас у глюкозі.

266. Яка кількість речовини глюкози міститься у сполуці масою 135 г?

267. У якій масі води потрібно розчинити глюкозу масою 50 г, щоб виготовити розчин із масовою часткою цієї речовини 25 %?

268. Під час кип’ятіння розчину глюкози масою 200 г із масовою част кою сполуки 12 % випарилася вода масою 40 г. Обчисліть масову частку вуглеводу в розчині, що залишився.

269. Визначте розчинність глюкози за температури 20 °С (у грамах на 100 г води), якщо в насиченому розчині речовини масою 80 г міститься вода масою 43,7 г.

36

Сахароза

Матеріал параграфа допоможе вам: отримати відомості про склад сахарози; з’ясувати властивості сахарози; 203

дізнатися про виробництво цукру та використан ня сахарози.

Сахароза — сполука, відома кожному. Це звичайний цукор, який є важливим харчовим продуктом. Найбільше цієї речовини містить& ся в цукровому буряку і цукровій тростині (мал. 107); масова частка сахарози в них може сягати 27 %. Сполука є також у листі й соку дерев, фруктів, овочів; вона утворюється в рослинах під час фотосинтезу. Мал. 107. Рослини з високим вмістом сахарози: а — цукровий буряк; б — цукрова тростина

Сахароза С12H22O11

Мал. 108. Мікрофотографія сахарози

204

а

б

Склад і властивості. Формула сахарози — С12Н22О11. Сахароза — біла кристалічна речовина (мал. 108), солодка на смак, яка дуже добре розчиняється у воді (за температури 20 °С — 203 г речовини у 100 г води, а за температу& ри 100 °С — 487 г). Насичений розчин цукру має високу в’язкість; його часто називають сиропом.

За температури 184 °С сахароза плавиться і починає розкладатися. Розплав набуває коричневого забарвлення, і з’являється запах підгорілого цукру. Таке перетворення цукру називають карамелізацією (термін походить від слова «карамель»). Якщо до сахарози додати концентрованої сульфатної кислоти, то вуглевод зазнає розкла ду: кислота «відбирає» у молекул органічної речовини молекули води. Спрощена схема перетворення: H2SO4(конц.)

С12Н22О11 ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ 12С + 11Н2О.

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_205.mp4

Відповідний демонстраційний дослід здійс нюють так (див. покликання у QR коді). У невели ку хімічну склянку насипають (на 1/3 її об’єму) розтертий цукор пісок, додають трохи води і ретельно перемішують речовини скляною па личкою. Потім доливають концентровану суль фатну кислоту (до половини об’єму склянки) і швидко перемішують. Суміш розігрівається, тем ніє й починає збільшуватися в об’ємі (мал. 109). Виділяється водяна пара й утворюється вуглець.

⇒ Мал. 109. Розклад цукру за дії концентрованої сульфатної кислоти

Виробництво цукру. В Україні працюють десятки цукрових заводів (мал. 110). Щорічний обсяг їхньої продукції становить понад 1 млн т. Виробництво цукру відбувається в кілька стадій. Спочатку цукровий буряк миють, 205

Мал. 110. У цеху цукрового заводу

Цікаво знати Приблизно 2/3 цукру виробляють у світі із цукрової тростини, а 1/3 — із цукрового буряку.

подрібнюють і промивають гарячою водою. Сахароза та інші розчинні у воді речовини пере& ходять у розчин. Потім до нього додають сус& пензію вапна. Кальцій гідроксид реагує із саха& розою з утворенням розчинної сполуки, а про& дуктами його реакцій з іншими органічними речовинами є нерозчинні сполуки. Розчин від& фільтровують від осаду і пропускають у рідину вуглекислий газ. При цьому знову утворюється сахароза й осаджується кальцій карбонат. Роз& чин фільтрують, додатково очищують і випарю& ють. Із нього кристалізується цукор. Застосування сахарози. Цукор — важливий харчовий продукт. Його використовують у виробництві кондитерських виробів, багатьох напоїв. Цукор є консервантом для фруктів і ягід, тому його застосовують для приготуван& ня варення, джему (відношення мас цукру і плодів має бути не менш ніж 1 : 1). Сахароза слугує сировиною для добування етанолу, деяких інших органічних сполук.

ВИСНОВКИ

Сахароза (цукор) С12Н22О11 — важливий вуглевод. Це — біла кристалічна речовина із солодким смаком, добре розчинна у воді. Спо' лука за нагрівання плавиться й розкладається. Цукор добувають із природної сировини у великій кількості. Його використовують у харчовій промисловості, із нього виробляють частину етилового спирту.

206

?

270. Глюкоза належить до групи сполук, які називають моносахарида ми. Чому, на вашу думку, сахарозу зараховують до дисахаридів?

271. Обчисліть масові частки елементів у сахарозі.

272. Яка кількість речовини сахарози міститься у сполуці масою 1,2 кг?

273. У якій масі води потрібно розчинити сахарозу масою 60 г, щоб виготовити розчин із масовою часткою цієї речовини 15 %?

274. Змішали розчини сахарози масою 200 г із масовою часткою сполуки 5 % і масою 300 г із масовою часткою сполуки 20 %. Обчисліть масову частку вуглеводу в розчині, який утворився.

275. Визначте масову частку цукру в насиченому розчині за темпера тури 20 °С, використавши наведені в параграфі дані про розчин ність речовини.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Фруктоза Фруктоза, або фруктовий цукор, міститься у фруктах, ягодах, мед. Хімічна формула фруктози така сама, що й глюкози, — С6Н12О6, але будова її молекули інша. Фруктоза — безбарвна кристалічна речовина, добре розчинна у воді. Вона втричі солодша за глюкозу і в 1,5 раза — за сахарозу. Ця сполука утворюється під час взаємодії сахарози з водою за певних умов: k або t, H SO

2 4 сахароза + вода ⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ фруктоза + глюкоза.

Фруктозу та її похідні використовують у кондитерській промисло вості, медицині, зокрема в лікувальному харчуванні хворих на цук ровий діабет (мал. 111).

Мал. 111. Використання фруктози

а

б

207

37

Крохмаль. Целюлоза Матеріал параграфа допоможе вам: довідатися про склад крохмалю і целюлози; дізнатися про поширеність крохмалю і целюлози в природі; зіставити властивості крохмалю і целюлози; з’ясувати сфери використання крохмалю і целю лози.

Крохмаль і целюлоза — вуглеводи, які, подібно до глюкози й сахарози, містяться в рослинах. Ці сполуки є природними поліме& рами. Їхні молекули складаються із сотень і тисяч груп атомів С6Н10О5 — залишків моле& кули глюкози: ...–С6Н10О5–С6Н10О5–С6Н10О5–С6Н10О5–С6Н10О5–С6Н10О5–...

Крохмаль (С6H10O5)n

Крохмаль і целюлоза мають однакову загальну формулу (С6Н10О5)n, але значення n для них різні; молекули целюлози набагато довші, ніж крохмалю. Крохмаль. Цей вуглевод, як і цукор, дуже важливий для людини; він міститься в багатьох харчових продуктах. Крохмаль — своєрідний акумулятор енергії в рослинах, необхідний насамперед для розвитку їхніх зародків. Він утворюється в листі й стеблах унаслідок фотосинтезу і вза& ємоперетворення вуглеводів: hν 6СО2 + 6Н2О ⎯→ С6Н12О6 + 6О2;

глюкоза

nC6H12O6 → (С6Н10О5)n + nH2O. крохмаль

Крохмаль накопичується в насінні, бульбах, плодах, корінні рослин (мал. 112). Крохмаль — біла зерниста речовина, яка не має запаху і смаку, не розчиняється в холод& 208

Крохмаль 25 % картопля 75 % Мал. 112. Вміст крохмалю (за масою) в рослинах

пшениця 80 % рис

ній воді, а в теплій утворює колоїдний розчин. Густий розчин цього вуглеводню використо& вують як клей (його назва — крохмальний клейстер).

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 13 Відношення крохмалю до води Помістіть в одну пробірку трохи крохмалю (щоб він ледь укрив її дно), налийте приблизно 4 мл води і пере& мішуйте суміш протягом хвилини. Чи розчинився крохмаль у воді? Постійно струшуючи, обережно нагрійте вміст про& бірки до кипіння. Спостерігайте утворення колоїдного розчину. У другу пробірку насипте крохмаль шаром у 0,5 см, додайте 4 мл води і, перемішуючи суміш скляною паличкою, обережно нагрійте її майже до кипіння. Суміш поступово застигає, й утворюється крохмаль& ний клейстер. Залиште вміст обох пробірок для наступного досліду. Картопляний крохмаль зовні схожий на пшеничне борошно. Його можна відрізнити від борошна у такий спосіб: під час розтиран& ня крохмалю пальцями відчувається поскри& пування, спричинене взаємним тертям його зерен.

209

За нагрівання крохмаль не плавиться, а розкладається. Якщо до крохмалю або його розчину додати розчин йоду, то виникає синє забарвлення. У такий спосіб виявляють крохмаль у розчинах, харчових продуктах (мал. 113).

Мал. 113. Виявлення крохмалю: а — в його колоїдному розчині; б — у хлібі; в — у картоплі

розчин I2

а

б

в

ЛАБОРАТОРНИЙ ДОСЛІД № 14 Взаємодія крохмалю з йодом До охолоджених колоїдного розчину крохмалю і клейстеру додайте по 1—2 краплі розбавленої йодної настоянки. Що спостерігаєте? Нагрійте пробірку із сумішшю колоїдного розчину крохмалю і йоду до кипіння, а потім занурте її у склянку з холодною водою. Які зміни відбуваються з рідиною? Виконавши дослід, ви з’ясували, що синє забарвлення з’являється в холодній суміші крохмалю з йодом, а під час нагрівання воно поступово зникає. Важливо знати, що, на відміну від гліцери& ну і глюкози, крохмаль не взаємодіє з купрум(ІІ) гідроксидом. Крохмаль добувають у промисловості пере& важно з картоплі й кукурудзи. Сировину подрібнюють, обробляють холодною водою, потім зерна крохмалю відокремлюють від рідини відстоюванням або центрифугуванням.

210

Целюлоза (С6H10O5)n

Крохмаль — важливий харчовий продукт. Його додають у варену ковбасу, дріжджове тісто, інші вироби. Цю речовину також вико& ристовують у виробництві паперу, текстилю, деяких пластмас, клеїв, ліків, вітамінів, у домашньому господарстві. Крім цього, крох& маль є сировиною для добування глюкози, етилового спирту. Целюлоза. Це — найпоширеніший вуглевод у рослинному світі. Целюлоза виконує роль «будівельного» матеріалу в рослинах; вона утворює оболонки рослинних клітин (інша назва речовини — клітковина). Целюлоза міститься в бавовнику, льоні (мал. 114), очереті, інших рослинах, фруктах, овочах. Вона також є в борошні, крупах.

Целюлоза Мал. 114. Вміст целюлози (за масою) в рослинах

льон ялина бавовник 50 % 95—98 % 80—90 %

Чиста целюлоза — тверда волокниста речо& вина білого кольору, нерозчинна у воді й орга& нічних розчинниках. На відміну від крохма& лю, вона не змінює забарвлення розчину йоду. У природних умовах целюлоза поступово розкладається. Цей процес відбувається за участю мікроорганізмів. Кінцеві продукти перетворення — вуглекислий газ і вода, а за відсутності повітря (наприклад, на дні водойм) замість вуглекислого газу утворюєть& ся метан. Для виробництва целюлози використову& ють деревину, волокна бавовника, льону, інших рослин. Сировину подрібнюють і за нагрівання й невеликого тиску додають роз& чини певних реагентів для вилучення домі& 211

Цікаво знати Целюлоза, просочена кислотою й висушена, легко розсипається в порошок.

шок. Залишок, що являє собою чисту целюло& зу, висушують. Папір, картон, різноманітні тканини, во& локна, лаки, емалі, деякі пластмаси, цело& фан — усе це виробляють із целюлози та її похідних. Целюлозу використовують у вироб& ництві бездимного пороху, ацетатного шовку. Волокна із целюлози мають багато цінних якостей. Вони міцні, гігроскопічні, їх легко фарбувати. Водночас ці волокна недостатньо еластичні, погано зберігають форму, горючі, руйнуються мікроорганізмами. Ці недоліки усувають, обробляючи тканини певними речо& винами. Папір — один із найважливіших матеріалів на основі целюлози. Його було винайдено в Китаї у II ст. до н. е. Спочатку папір виробляли з бавов ни, бамбука, а в середні віки — також із ган чір’я. У XVIII ст. для виробництва паперу почали використовувати деревину. Нині промисловість випускає багато видів паперу — крейдований, офсетний, картографіч ний, газетний, пакувальний тощо. Фільтруваль ний папір — це майже чиста целюлоза.

ВИСНОВКИ

Крохмаль і целюлоза — вуглеводи, які є природними полімерами. Вони мають одна' кову хімічну формулу (С6Н10О5)n (значення n для целюлози більші). Крохмаль накопичується в картоплі, насін' ні злаків, інших рослинах. Цей вуглевод з водою утворює колоїдний розчин. Крохмаль використовують у харчовій промисловості, виробництві паперу, як сировину для добу' вання глюкози, спирту. Целюлоза — головний складник рослин. Це біла волокниста речовина, нерозчинна у воді. Целюлозу використовують у виробництві папе' ру, картону, волокнистих матеріалів, тканин.

212

?

276. Чому крохмаль і целюлозу називають природними полімерами?

277. Як розрізнити порошки крохмалю і целюлози?

278. Складіть рівняння реакції: а) горіння целюлози; б) термічного розкладу целюлози (§ 20, мал. 43).

279. Обчисліть масу крохмалю, що утворився в результаті фотосинтезу, якщо рослини виділили кисень масою 8 т.

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Виявлення крохмалю в харчових продуктах 1. Виявлення крохмалю в крупах. Підготуйте по одній чайній ложці борошна із зерен рису, пшона, пшениці, гречки, квасолі або гороху. Поділіть борошно кожного виду на дві порції. До однієї порції борошна додайте краплю розбавленої йодної настоянки, а з іншої порції приготуйте колоїдний розчин і також випробуйте його розчи ном йоду.

2. Виявлення крохмалю в інших харчових продуктах. Підготуйте шматочки хлібобулочних виробів, зрізи овочів (сирої та вареної картоплі, топінамбура) і фруктів, невеликі порції майоне зу, йогурту, плавленого сиру тощо. Випробуйте продукти на наявність у них крохмалю, використавши розбавлену йодну настоянку. Спостереження і висновки запишіть у зошит.

38

Амінокислоти. Білки Матеріал параграфа допоможе вам: відрізняти амінокислоти і білки від інших органіч них сполук; отримати інформацію про амінооцтову кислоту; з’ясувати склад і властивості білків; дізнатися про значення амінокислот і білків для живих організмів.

213

Значна кількість органічних речовин — це нітрогеновмісні сполуки. Серед них дуже важливу роль у природі відіграють амінокис& лоти і білки. Амінокислоти. Якщо в молекулі метану один атом Гідрогену замінити на аміногрупу –NH2 (одновалентний залишок молекули амо& ніаку NH3), а другий — на карбоксильну групу –СООН, то отримаємо молекулу аміно& кислоти: =

– –

–

– –

–

Н Н O Н , або NH2–CН2–COOН.

N–C –C– Н–C–Н ⇒ OH Н Н Н

Амінокислоти — похідні вуглеводнів, у молекулах яких є аміно' і карбоксильні групи. Амінокислоти можна також вважати похід& ними карбонових кислот, у молекулах яких деякі атоми Гідрогену вуглеводневих залиш& ків заміщені на групи атомів –NH2. Залишки молекул двадцяти амінокислот1 є складниками молекул білків. В організмах людини і тварин утворюється лише частина цих амінокислот, а решта надходить під час харчування. Найпростіша амінокислота — амінооцтова NH2CH2COOH (мал. 115). Її тривіальна назва — гліцин1, а хімічна — аміноетанова кислота.

Мал. 115. Модель молекули амінооцтової кислоти 1 2

Такі амінокислоти називають незамінними. Назва походить від грецького слова glykys — солодкий.

214

Амінооцтова кислота — кристалічна речо& вина із солодким смаком (мал. 116), розчинна у воді. Її використовують у медицині, а також для добування інших органічних сполук.

Мал. 116. Амінооцтова кислота

Білки. За певних умов амінокислоти можуть реагувати одна з одною. Продуктами цих реак& цій є білки.

Білки — високомолекулярні1 органічні сполуки, моле' кули яких складаються із фрагментів молекул аміно' кислот. Відомо дуже багато білків. Вони здійснюють і регулюють обмін речовин у клітинах, водно& час слугуючи для них «будівельним» матеріа& лом. Білки реагують на зміну зовнішнього середовища, пристосовуючись до нових умов. Вони забезпечують рухову діяльність організ& му, а деякі (так звані білки&антитіла) захища& ють його від чужорідних тіл. Усі хімічні реак& ції в клітинах відбуваються за безпосередньою участю білків&ферментів, які відіграють роль каталізаторів. Отже, білки виконують в орга& нізмі різні функції — енергетичну, будівель& ну, сигнальну, рухову, захисну, каталітичну. В організмах тварин і людини більше білків, ніж у рослинах. Вони є у м’язовій і нервовій тканинах, шкірі, волоссі, нігтях.

1 Так називають сполуки, у молекулах яких міститься величезна кількість атомів. До них належать, зокрема, крохмаль, целюлоза, поліетилен.

215

Синтезувати білки (як і вуглеводи) безпосе& редньо з неорганічних речовин здатні лише рослини і деякі бактерії. Загальна схема цього процесу: hν вуглекислий газ + вода + деякі розчинні солі ⎯→ → білки + кисень.

До організмів тварин і людини білки надхо& дять із їжею. Вони розщеплюються фермента& ми на амінокислоти, з яких утворюються інші білки, властиві організмові. В усіх білках містяться п’ять основних еле& ментів — Карбон (його масова частка становить 50—55 %), Оксиген (21,5—23,5 %), Нітроген (15—17 %), Гідроген (6,5—7,3 %), Сульфур (0,3—2,5 %), а також невелика кількість Фос& фору, Йоду, Феруму, інших елементів. Білки мають високі значення молекуляр& них мас — від десятків тисяч до кількох міль& йонів. Ці сполуки, як крохмаль і целюлоза, є біологічними полімерами. Їхні хімічні форму& ли дуже складні. Кожний білок відрізняється від інших набором амінокислотних залишків, послідов& ністю їхнього сполучення в молекулі, просто& ровою будовою молекул, а також біологічни& ми функціями. Властивості. Білки не мають температур плавлення і кипіння. За нагрівання вони тем& ніють і починають розкладатися, поширюючи запах паленого пір’я. Деякі білки (наприк& лад, компоненти яєчного білка) розчиняються у воді з утворенням колоїдних розчинів, інші (серед них — ті, які містяться в шерсті, шкірі) є нерозчинними. Під час додавання до розчину білка концен& трованих розчинів кислот, лугів, солей, а також органічних розчинників (наприклад, спирту) відбувається осадження білка. Таке явище називають денатурацією1. Аналогіч& 1

Термін походить від грецького слова denaturatus — позбавлений природних властивостей.

216

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_217_1.mp4

http://academia pc. com.ua/video/h9/ р_217_2.mp4

Цікаво знати Добова потреба в білках дорослої людини становить у середньому 100—110 г.

ний ефект виникає і за нагрівання. В результа& ті денатурації просторова будова молекул білка руйнується, і він втрачає здатність виконувати біологічну функцію. Однак харчові продукти після такого перетворення білків легше засвоюються організмом: яєчня або зварене яйце — порівняно із сирим; кефір, кисле моло& ко, йогурт — порівняно зі свіжим молоком. Досліди з розчинення, осадження й денату& рації білка ви можете подивитися за покли& каннями у QR&кодах. Практичне значення. Білки є найважливі& шим складником нашого харчування і раціону тварин. Їхня цінність визначається наявністю в молекулах білків фрагментів молекул пев& них амінокислот. Нестача білків у їжі негатив& но впливає на організм, спричиняє деякі хво& роби. У тваринництві й птахівництві з метою підвищення харчової цінності кормів до них додають штучні білки, вироблені за допомо& гою мікробіологічного синтезу. Речовини і матеріали, основу яких станов& лять білки, мають широке застосування. Серед них — вовна, шовк, шкіра, хутра, клеї, желатин тощо. У сучасні пральні порошки додають біодобавки — ферменти, які каталі& зують розклад білкових забруднень на ткани& ні. Білки використовують і в медицині.

ВИСНОВКИ

Амінокислоти — похідні вуглеводнів, моле' кули яких містять аміно' і карбоксильні групи. Найпростішою амінокислотою є амі' нооцтова (аміноетанова) кислота. Це криста' лічна речовина із солодким смаком. Білки — високомолекулярні органічні спо' луки, які виконують особливі біологічні функції в живих організмах. Їхні молекули складаються із залишків молекул амінокис' лот. Білки здійснюють і регулюють обмін 217

речовин у клітинах, а також слугують «буді' вельним» матеріалом для організмів. Під час нагрівання розчину білка або додавання до нього розчинів деяких речовин руйнується його просторова будова і втрачаються біоло' гічні функції.

?

280. Які сполуки називають амінокислотами?

281. Поясніть, чому аміноетанова кислота є найпростішою амінокис лотою, а амінометанової кислоти не існує.

282. Охарактеризуйте склад білків. Які функції вони виконують у живих організмах?

283. Як поводяться білки під час нагрівання, додавання розчинів де яких неорганічних сполук?

284. Чому білкову їжу не можна замінити їжею, в якій переважають жири або вуглеводи?

285. Обчисліть масові частки елементів в амінооцтовій кислоті.

286. Масова частка білків у листі шпинату становить 2,3 %, а середня масова частка Нітрогену в білках — 16 %. Яка маса Нітрогену міститься у шпинаті масою 1 кг?

ПРАКТИЧНА РОБОТА № 5 Виявлення органічних сполук у харчових продуктах ДОСЛІД 1

Виявлення органічних кислот Налийте в одну пробірку 2 мл розбавленого соку лимона або яблучного соку, а в другу — такий самий об’єм сироватки чи молока. За допомогою піпетки або скляної палички нанесіть краплю кожної рідини на універсальний індикаторний папірець. Чи змінилося забарвлення індикатора? Про наявність яких йонів у рідині (рідинах) це свідчить? У кожну пробірку з рідиною насипте невелику кіль& кість (на кінчику шпателя) порошку харчової соди. Що спостерігаєте?

218

ДОСЛІД 2

Виявлення глюкози Налийте в одну пробірку 1—2 мл розчину купрум(ІІ) сульфату і такий самий об’єм розчину натрій гідрок& сиду. Спостерігайте утворення осаду купрум(ІІ) гідроксиду. У другу пробірку налийте 1—2 мл водного розчину меду і додайте 1 мл суміші, що містить купрум(ІІ) гідроксид. Перемішайте вміст пробірки. Чи зник осад у розчині меду? Обережно нагрійте вміст пробірки. Що спостерігаєте? Здійсніть аналогічне випробування сироватки. Зробіть висновок щодо наявності глюкози в мед та сироватці. Під час виконання кожного досліду записуйте в пода& ну нижче таблицю свої дії, спостереження, висновки. Послідовність дій

Спостереження

Висновки

Дослід 1. ... ...

39

Природні та синтетичні органічні сполуки. Захист довкілля від забруднення органічними сполуками Матеріал параграфа допоможе вам: порівняти природні та синтетичні органічні спо луки; довідатись про стійкі органічні сполуки забруд нювачі, які завдають шкоди довкіллю і живим організмам; 219

переконатись у важливості охорони довкілля від шкідливих органічних сполук промислового походження.

Природні та синтетичні органічні сполуки. У природі існує багато органічних сполук. Вуглеводні містяться в горючих копалинах — нафті, природному та супутньому нафтовому газах, а також у газах вугільних родовищ. Оксигено& і нітрогеновмісні органічні сполуки є в живих організмах. Це — карбонові кислоти, жири, вуглеводи, амінокислоти, білки тощо. Синтетичними органічними сполуками називають сполуки, яких немає в природі; їх добувають за допомогою хімічних реакцій на заводах і в лабораторіях. Хімічна промисло& вість випускає багато розчинників, полімерів, синтетичних волокон, пластмас, засобів боротьби зі шкідниками і хворобами рослин, клеїв, герметиків, лаків, фарб. Усі ці речови& ни та матеріали містять органічні сполуки або складаються лише з них. Їх виробництво у світі невпинно зростає. Органічні сполуки і довкілля. Під час відми& рання живих організмів речовини, які містили& ся в них, зазнають окиснення, розкладу, інших перетворень, кінцевими продуктами яких є нешкідливі вуглекислий газ, вода, азот тощо. Багато синтетичних органічних сполук, на відміну від природних, досить стійкі й не змі& нюються протягом тривалого часу. Такі речо& вини вкрай негативно впливають на живі організми; їх потрапляння в навколишнє середовище завдає непоправної шкоди. Земна поверхня і гідросфера забруднюються залишками полімерів і пластмас (мал. 117), нафтопродуктів. Від токсичних органічних речовин промислового походження потерпає флора й фауна озер і річок. Речовини, що утворюються під час згорян& ня полімерів або пального, забруднюють повіт& ря (мал. 118), а галогенопохідні вуглеводнів 220

Мал. 117. Річка з відходами полімерів

Цікаво знати Спалювати плівку, вироби з поліхлоро& вінілу не можна, бо в результаті цього утворюються отруйні хлоровмісні сполуки.

Мал. 118. Спалювання органічних сполук промислового походження

руйнують захисний озоновий шар. Навіть не& значні кількості деяких органічних сполук, потрапляючи в організм, негативно вплива& ють на здоров’я, спричиняють алергії, отруєн& ня, серйозні захворювання. Серед причин надходження синтетичних органічних сполук у навколишнє середови& ще — недосконалі технологічні процеси на хімічних підприємствах, неефективність захо& дів із перероблення та знешкодження цих речо& вин, їх неналежне використання та зберігання. Проблема стійких органічних забруднюва' чів. Шкідливі органічні сполуки, які не зазна& ють хімічних перетворень у природних умовах або дуже повільно реагують із речовинами дов& кілля, називають стійкими органічними за& бруднювачами (скорочене позначення — СОЗ, міжнародне — POPs). До цих сполук зарахову& ють хлоропохідні вуглеводнів (продукти част& кового або повного заміщення атомів Гідроге& ну в молекулах вуглеводнів на атоми Хлору), отрутохімікати для сільського господарства, діоксини, фурани, деякі основні та побічні продукти хімічних виробництв. Список таких речовин періодично розширюється (мал. 119).

221

Мал. 119. Обкладинка довідника про стійкі органічні забруднювачі

Препарат зі скороченою назвою ДДТ ще кіль ка десятків років тому широко використовували проти комах шкідників. Нині цю речовину зара ховано до стійких органічних забруднювачів; її виробництво в багатьох країнах заборонено. Те, що сполука є дуже стійкою, засвідчує інформа ція вчених про виявлення її слідів в Антарктиді внаслідок перенесення речовини вітрами та водою з різних континентів.

Розвинуті країни координують свої зусилля і спрямовують їх на подолання негативного впливу стійких органічних забруднювачів на довкілля. У 2001 р. на міжнародній конферен& ції в Стокгольмі було ухвалено конвенцію про ці речовини, яку підписали понад 150 країн, у тому числі й Україна. У документі передбаче& но здійснення таких заходів: • заміна СОЗ іншими речовинами, що не зав& дають шкоди живим організмам, навколиш& ньому середовищу і здатні досить швидко перетворюватися на безпечні речовини; • обмеження або припинення виробництва та використання СОЗ; • вилучення СОЗ із промислових викидів і стоків, відпрацьованих газових сумішей; • перероблення залишків раніше вироблених СОЗ та різних відходів, які містять ці речо& вини (мал. 120).

222

Мал. 120. Відправлення застарілих отрутохімікатів на перероблення

Цікаво знати 5 червня — Всесвітній день охорони довкілля.

Деякі стійкі органічні забруднювачі можуть бути компонентами засобів «побутової хімії». Кожна людина повинна дотримуватися пра& вил поводження з такими хімікатами; ці правила вказано на упаковках. Залишки хімі& катів не можна викидати в контейнери для сміття, у водойми, закопувати в грунт. Їх по& трібно добре запаковувати і здавати в спе& ціальні пункти для утилізації.

ВИСНОВКИ

Серед органічних речовин розрізняють природні та синтетичні. Багато синтетичних органічних сполук зав' дають шкоди довкіллю, негативно впливають на живі організми. Особливу небезпеку станов' лять стійкі органічні забруднювачі. У багатьох країнах реалізуються заходи з їх ліквідації або обмеження виробництва і використання. Дуже важливим для кожної людини є до' тримання правил поводження з побутовими хімікатами.

?

287. Відшукайте в інтернеті або довідниках відомості про органічні кислоти, які існують у рослинному і тваринному світі. Заповніть таблицю: 223

Назва кислоти

Природне джерело

288. У переліку стійких органічних забруднювачів є речовини, назви яких доповнено термінами «пестицид», «фунгіцид», «інсектицид». Дізнайтеся в інтернеті або інших джерелах інформації про зміст кожного терміна.

289. Останнім часом у деяких країнах заборонено виготовляти й вико ристовувати в торговельній мережі поліетиленові пакети. Чому, на вашу думку, це сталося? Чим найкраще замінити такий паку вальний матеріал?

290. Скориставшись інтернетом, з’ясуйте, яких правил потрібно дотри муватися під час застосування на присадибній ділянці хімічного засобу для боротьби зі шкідниками овочевих культур.

291. Сполука, яка належить до стійких органічних забруднювачів, утво рена трьома елементами — Карбоном, Гідрогеном і Хлором. Яка її формула, якщо кількість атомів кожного елемента в молекулі сполуки однакова, а молярна маса становить 291 г/моль?

4

розділ

Узагальнення знань з хімії. Хімія і людство

Ми живемо у світі речовин, кількість яких визначити неможливо. Вони беруть участь у безлічі хімічних реакцій. Речовини та їх пере& творення — сфера хімії. Ця фундаментальна наука відіграє важливу роль у пізнанні та збе& реженні довкілля. Її внесок у вдосконалення різних виробництв, створення нових техноло& гій є дуже вагомим. Досягнення хімії дають змогу покращити наше життя. Матеріал цього розділу слугуватиме закріп& ленню здобутих вами хімічних знань, сприя& тиме кращому розумінню значення хімії для прогресивного розвитку людства.

40

Багатоманітність речовин і хімічних реакцій Матеріал параграфа допоможе вам: систематизувати відомості з класифікації речо вин; підсумувати знання про будову простих і склад них речовин; узагальнити матеріал про типи хімічних реакцій.

225

Хімія невпинно розширює горизонти дослі& джень, пов’язаних із добуванням і вивченням речовин та їх перетворень. Більше сотні хімічних елементів утворюють величезну кількість речовин, які різняться складом, будовою, властивостями. Щоб розібратися в розмаїтті речовин, розуміти взаємозв’язки між ними, виявляти закономірності, було здійснено систематизацію речовин — поділ їх на групи і класи за певними ознаками. Хіміч& ні реакції також потребували впорядкуван& ня, оскільки мали різні особливості перебігу, відрізнялися між собою за кількістю і скла& дом реагентів і продуктів. Класифікація речовин. Ви знаєте, що речо& вини поділяють на прості та складні. Кожна проста речовина утворена одним хімічним елементом, а складна речовина (або хімічна сполука) — щонайменше двома елементами. За низкою характерних властивостей серед простих речовин розрізняють метали і немета& ли. Існують також прості речовини, які за одними властивостями нагадують метали, а за іншими — неметали. Які властивості, що притаманні металам, виявляє неметал графіт?

Цікаво знати Так зване «біле олово» проводить електричний струм, а «сіре олово» є напів& провідником.

226

Деякі хімічні елементи утворюють по кіль& ка простих речовин, зокрема Оксиген — кисень О2 і озон О3, Карбон — графіт, алмаз (обидві речовини позначають символом С), Фосфор — білий фосфор, червоний фосфор (хімічні формули — Р4 і Р відповідно). Складні речовини поділяють на неорганічні та органічні (сполуки Карбону). Вам відомі найважливіші класи неорганіч& них сполук — оксиди, основи, кислоти, амфо& терні гідроксиди, солі. На певні групи та класи поділяють і органічні речовини. Багато сполук належить до вуглеводнів; серед них — метан і його гомологи, етилен, ацетилен.

Представниками класу спиртів є метанол, ета& нол, гліцерин, класу карбонових кислот — мурашина, оцтова, олеїнова кислоти. Зважаючи на якісний склад органічних сполук, розрізняють оксигеновмісні, нітроге& новмісні, галогеновмісні та інші сполуки. До оксигеновмісних органічних сполук нале& жать спирти, карбонові кислоти, жири, вугле& води, а до нітрогеновмісних — амінокислоти, білки (схема 5). Схема 5 Класифікація речовин РЕЧОВИНИ

неорганічні

прості

нітрогеновмісні сполуки

вуглеводні складні

метали неметали

органічні

оксигеновмісні сполуки білки

солі жири кислоти вуглеводи спирти основи амфотерні карбонові гідроксиди оксиди кислоти

амінокислоти

Назвіть класи речовин, які об’єднують лише сполуки, утворені двома елементами. Будова речовин. Вам відомо, що прості речовини складаються з атомів або молекул. Атомну будову мають графіт, алмаз, силіцій, інертні гази, метали, а молекулярну — водень, кисень, озон, білий фосфор, сірка, галогени тощо. Будова складних речовин також різнома& нітна. Оснвні та амфотерні оксиди, основи та солі є йонними речовинами, а кислотні окси& 227

ди, кислоти і переважна більшість органічних речовин складаються з молекул. Якими частинками утворені азот, аргон, мідь, карбон(IV) оксид, етанол, барій оксид, натрій ацетат?

Цікаво знати Реакція заміщення за участю неметалу (в розчині): Br2 + H2S = = S↓ + 2HBr.

228

Існують речовини, молекули яких склада& ються з величезної кількості атомів чи груп атомів. Це полімери. Серед них переважають органічні речовини, але є й неорганічні (наприклад, червоний фосфор). Крохмаль, целюлоза, білки належать до біополімерів. Класифікації хімічних реакцій. Майже всі речовини можуть зазнавати хімічних пере& творень, які залежать від природи речовин, зовнішніх умов, інших чинників. Вам відомо, що хімічні реакції поділяють: • за кількістю та складом реагентів і продук& тів — реакції сполучення, заміщення, роз& кладу, обміну; • за тепловим ефектом — екзотермічні та ендотермічні реакції; • за напрямом перебігу — оборотні та необо& ротні реакції. Крім того, виокремлюють окисно&відновні реакції (в них елементи, наявні в реагентах, змінюють ступені окиснення), каталітичні реакції (перетворення за участю каталізаторів), реакції полімеризації, галогенування тощо. Реакції сполучення відбуваються між прос& тими речовинами, оксидами різних типів, під час утворення кристалогідратів. До реакцій заміщення належать хімічні перетворення за участю металів і кислот (хло& ридної, розбавленої сульфатної, оцтової та ін.), металів і солей у розчинах. Водночас ці реак& ції є окисно&відновними. Реакції розкладу характерні для неорганіч& них сполук — основ, амфотерних гідроксидів, оксигеновмісних кислот, деяких солей, а також багатьох органічних сполук; ці хімічні перетворення здійснюють за нагрівання.

Наведіть рівняння реакції розкладу, в якій елементи змінюють ступені окиснення. Цікаво знати Багато реакцій в органічній хімії названо іменами вчених — реакція Зініна, реакція Вюрца та ін.

Реакції обміну відбуваються в розчинах за участю лугів, кислот, солей. Деякі з них отри& мали спеціальні назви — реакції нейтралізації (між основою і кислотою), якісні реакції (за їх допомогою виявляють певні йони в сполуці або розчині). Хімічні перетворення речовин супрово& джуються тепловими ефектами. Екзотерміч& ні реакції відбуваються з виділенням тепло& ти (це реакції горіння простих і складних речовин, реакції між лугами і кислотами тощо), а під час ендотермічних реакцій теплота поглинається (серед них — багато реакцій розкладу). Хімічні реакції відрізняються одна від одної за швидкістю перебігу. Якщо реакції обміну між електролітами в розчині відбува& ються миттєво, горіння різних речовин — протягом певного часу, то багато хіміч& них перетворень у природі — надзвичайно повільно.

ВИСНОВКИ

Існують різні класифікації речовин. Усі речовини поділяють на прості й складні, неорганічні та органічні. Серед неорганічних сполук виокремлюють такі найважливіші класи: оксиди, основи, амфотерні гідроксиди, кислоти, солі, а серед органічних сполук — спирти, карбонові кислоти та ін. Прості речовини складаються з атомів або молекул, а складні — переважно з молекул або йонів. Хімічні реакції класифікують, зважаючи на кількість реагентів і продуктів, їхній склад, напрямок перебігу, тепловий ефект, інші особливості.

229

?

292. Які сполуки Карбону не зараховують до органічних речовин?

293. Установіть відповідність між сполукою і класом, до якого вона належить: Назва сполуки Клас сполук 1) літій гідроксид; а) основи; 2) хром(ІІІ) гідроксид; б) кислоти; 3) метанол; в) спирти; 4) гліцерол; г) амфотерні гідроксиди.

294. Неорганічні сполуки якого класу: а) подібні за складом, але різняться хімічними властивостями; б) подібні за хімічними властивостями, але різняться складом?

295. Назвіть класи неорганічних сполук, які об’єднують лише сполуки, утворені трьома елементами.

296. Напишіть формули кількох сполук, утворених чотирма хімічними елементами.

297. Яких сполук, на вашу думку, існує більше — оксидів чи солей? Від повідь аргументуйте.

298. Установіть відповідність між речовиною та її будовою: Назва речовини Будова 1) сірка; а) йонна; 2) неон; б) молекулярна; 3) пентан; в) атомна.

4) барій бромід; 5) сахароза; 6) кальцій гідроксид; 299. Укажіть типи та особливості перебігу таких реакцій: а) взаємодія кальцій карбонату з нітратною кислотою; б) взаємодія цинку з розчином калій гідроксиду; в) розклад силікатної кислоти; г) перетворення етену на поліетилен; д) взаємодія етину з воднем; е) перетворення целюлози на вуглець і водяну пару. Складіть відповідні хімічні рівняння.

300. Перетворіть схеми окисно відновних реакцій на хімічні рівняння за допомогою методу електронного балансу: t SO + H O; а) H2S + O2 → 2 2 б) H2O2 + НІ → І2 + H2O; t Bi + CO ; в) Bi2O3 + CO → 2 t KCl + O ↑; г) KClO3 → 2 д) Al + HNO3 (розб.) → Al(NO3)3 + N2O↑ + H2O.

230

41

Взаємозв’язки між речовинами та їх взаємоперетворення Матеріал параграфа допоможе вам: закріпити знання про перетворення простих речовин на складні; узагальнити матеріал про взаємоперетворення різних сполук.

Хімічні перетворення за участю металів. Вам відомо, що метали здатні взаємодіяти з неметалами, кислотами, розчинами солей, а деякі — ще й з лугами, водою. Продуктами більшості реакцій металів з неметалами є солі t

2Fe + 3Cl2 = 2FeCl3, а якщо з металом реагує кисень, то утворюєть& ся оксид: t

2Ca + O2 = 2CaO. Майже всі метали взаємодіють із кислота& ми. Такі реакції за участю хлоридної, розбав& леної сульфатної, оцтової кислот відбувають& ся з утворенням солей і виділенням водню: Fe + 2HCl = FeCl2 + H2↑.1 Метали, які перебувають у ряду активності справа від водню, не реагують із названими кислотами. Метали взаємодіють із розчинами солей; про& дукти такого перетворення — інші метал і сіль. Реакція відбувається, якщо метал&реагент ак& тивніший за метал, що є очікуваним продуктом: Mg + 2AgNO3 = 2Ag↓ + Mg(NO3)2.

1 У цій реакції, на відміну від реакції заліза з хлором, утворюється сіль FeCl2, а не FeCl3, оскільки йони Н+, наявні в хлоридній кислоті, — слабкий окисник, а хлор Cl2 — сильний окисник.

231

Якщо метал походить від хімічного елемен& та, оксид і гідроксид якого є амфотерними сполуками, то він взаємодіє з лугом: сплавлення

Pb + 2KOH = K2PbO2 + H2↑; Pb + 2KOH (надлишок) + 2H2O = = K2[Pb(OH)4] + H2↑. Найактивніші метали (лужні, лужнозе& мельні) реагують з водою: Ba + 2H2O = Ba(OH)2 + H2↑. Хімічні перетворення за участю неметалів. Неметали можуть взаємодіяти не лише з мета& лами, а й один з одним: t

2P + 5F2 = 2PF5. Серед важливих реакцій неметалів зі склад& ними речовинами — реакції за участю кисню, які часто супроводжуються горінням речовин: t

SiH4 + 2O2 = SiO2 + 2H2O. Такі перетворення характерні для багатьох органічних сполук — вуглеводнів, спиртів, жирів: t

C3H8 + 5O2 = 3CO2 + 4H2O. Хімічні перетворення, в яких беруть участь або утворюються прості речовини, є окисно& відновними реакціями, адже ступінь окиснен& ня елемента в простій речовині дорівнює нулю, а в його сполуці має додатне або від’єм& не значення. Складіть рівняння реакцій сірки з киснем та алюмінієм. Окисником чи відновником є сірка в кожному випадку? Реакції між оксидами і водою. Оксиди луж& них і лужноземельних елементів, а також майже всі кислотні оксиди взаємодіють з водою. Оснвні оксиди перетворюються на основи Li2O + H2O = 2LiOH, 232

а кислотні оксиди — на кислоти: Cl2O7 + H2O = 2HClO4. Реакції між двома сполуками, які різнять' ся властивостями. Рушійною силою багатьох хімічних перетворень є відмінності речовин за хімічними властивостями. Наприклад, оснв& ні оксиди та основи взаємодіють з кислотними оксидами та кислотами 2LiOH + Cl2O7 = 2LiClO4 + H2O; Ca(OH)2 + 2CH3COOH = (CH3COO)2Ca + 2H2O, але не реагують із речовинами, що мають оснвні властивості. Якщо оксид або гідроксид є амфотерним, то ця сполука під час реакції з оснвним оксидом (основою) або кислотним оксидом (кислотою) виявляє протилежні властивості, тобто кислот& ні або оснвні. Напишіть рівняння реакцій станум(ІІ) гід& роксиду з кислотою і розчином лугу. Реакції за участю солей. Солі взаємодіють з лугами і кислотами. Такі перетворення відбу& ваються в розчині, якщо продукт реакції не розчиняється у воді або є слабким електролі& том, нестійкою чи газуватою сполукою:

Цікаво знати Під час реакції в розчині між солями BaS і ZnSO4 утворюються дві нерозчинні солі — BaSO4 і ZnS.

FeCl2 + 2NaOH = Fe(OH)2↓ + 2NaCl; CH3COOK + HNO3 = CH3COOH + KNO3. Хоча солі мають багато спільних властивос& тей, вони можуть реагувати одна з одною у водному розчині з утворенням двох нових солей. Реакція можлива, якщо один із про& дуктів є нерозчинним у воді: 3CuSO4 + 2Na3PO4 = Cu3(PO4)2↓ + 3Na2SO4. Термічний розклад сполук. Основи (крім лугів), амфотерні гідроксиди, оксигеновмісні кислоти та деякі їхні солі розкладаються за нагрівання. У результаті таких реакцій зазви& чай утворюються оксиди: 233

t

2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O↑; t Cd(NO3)2 → CdO + (N2O5).

NO2↑ O2↑ Послідовні перетворення речовин. Ви знаєте, що зв’язки між речовинами, які походять від одного елемента, називають генетичними зв’яз ками. Їх використовують у хімічній технології, зокрема під час перероблення металічних руд, виробництва кислот. Добуваючи сульфатну кислоту із природної сірки, просту речови& ну спочатку спалюють, після чого здійснюють реакцію сульфур(IV) оксиду з киснем, а потім — реакцію сульфур(VI) оксиду з водою. Схема послідовних перетворень речовин:

S → SO2 → SO3 → Н2SО4. Для того щоб добути основу або кислоту з оксиду, який не взаємодіє з водою, здійсню& ють такі перетворення: оксид → сіль → основа (кислота). Складіть відповідні схеми для сполук Ніке& лю(ІІ) та Силіцію. Схеми послідовних перетворень речовин у водних розчинах часто подають у йонно&моле& кулярній формі: Zn2+ → Zn(OH)2 → [Zn(OH)4]2–. Ця схема ілюструє перетворення розчинної солі Цинку, яка містить катіони Zn2+, у разі поступового додавання водного розчину лугу. Запишіть схему з формулами сполук Цинку, якщо в реакціях бере участь літій гідроксид. Схеми перетворень наводять і для органіч& них речовин. У схему t t СН4 → С2Н2 → СО2

234

закладено реакцію термічного розкладу мета& ну, продуктами якої є ацетилен і водень, та реакцію горіння ацетилену.

ВИСНОВКИ

Неорганічні та органічні речовини беруть участь у різних хімічних перетвореннях. Характерними для металів є реакції з неме' талами, кислотами, розчинами солей, а для оксидів, основ, кислот — реакції зі сполука' ми, протилежними за хімічними властивос' тями. Амфотерні оксиди і гідроксиди взаємо' діють з речовинами, які виявляють оснвні та кислотні властивості. Солі реагують із розчи' нами лугів, кислотами, а також одна з одною (у розчині). Реакції за участю або з утворенням прос' тих речовин належать до окисно'відновних реакцій.

?

301. Запишіть по два рівняння реакцій, які відбуваються з утворен ням солей, між такими речовинами: а) металом і неметалом; б) двома оксидами.

302. Оксиди яких типів реагують з водою? Чи можна в такий спосіб добути будь яку основу, амфотерний гідроксид, кислоту?

303. Відповідно до наведених схем перетворень складіть рівняння реакцій і вкажіть умови їх здійснення: а) Р → Р2О5 → H3PO4 → Li3PO4; б) Mg → MgO → MgSO4 → Mg3(PO4)2; в) СН4 → СО2 → Na2СO3 → ВаСО3; г) СН3СООH → (СН3СОО)2Cu → (СН3СОО)2Ва; д) Pb(OH)2 → PbO → Pb(NO3)2 → PbS; е) CrCl3 → Cr(OH)3 → K3[Cr(OH)6] → Cr2(SO4)3.

304. Напишіть рівняння реакцій, за допомогою яких можна здій снити такі перетворення речовин, утворених Купрумом: сіль 1 → гідроксид → оксид → сіль 2 → сіль 3 → метал.

235

305. Складіть йонно молекулярні рівняння реакцій згідно з наведе ними схемами перетворень: а) Ве(OH)2 → [Ве(OH)4]2– → Ве2+; б) Fe2O3 → Fe3+ → Fe(OH)3 → Fe3+ → FePO4.

306. Запропонуйте якомога більше способів добування магній аце тату і напишіть відповідні хімічні рівняння.

307. Чи взаємодіє плюмбум(ІІ) ацетат: а) з алюміній сульфатом; б) із барій нітратом; в) із натрій гідроксидом; г) із хлоридною кислотою? Відповіді обґрунтуйте, наведіть хімічні рівняння в молекуляр ній та йонно молекулярній формах.

308. Залізо повільно взаємодіє з розчином ферум(ІІІ) сульфату, а цинк не реагує з розчином цинк сульфату. Як це пояснити? Запишіть рівняння відповідної реакції.

309. За певних умов сірчистий газ взаємодіє із сірководнем. Один із двох продуктів реакції — сірка. Складіть хімічне рівняння, ука жіть тип реакції та зазначте роль кожного реагенту.

ДЛЯ ДОПИТЛИВИХ

Взаємоперетворення простих речовин хімічного елемента У 7 класі ви дізналися про існування двох простих речовин Окси гену — кисню О2 й озону О3. Дуже малі кількості озону утворюються з кисню в атмосфері за дії електричних розрядів (коли виникають блискавки) або ультрафіолетових променів: 3О2 = 2О3. Озон — нестійка речовина, яка повільно перетворюється на кисень: 2О3 = 3О2. Обидві хімічні реакції не належать до жодного з відомих вам типів реакцій. Не лише Оксиген, а й деякі інші неметалічні елементи утворюють по кілька простих речовин. Ці речовини також можуть зазнавати вза ємоперетворень. Наприклад, білий фосфор, який складається з молекул Р4, за температури 300 °С перетворюється на червоний фос фор, у якому містяться довгі молекули ланцюжки з однакових атомів. Графіт і алмаз — прості речовини Карбону. Вони мають атомну будо 236

Продовження ву, але різняться розміщенням атомів у просторі. За дуже високих температур і тиску із графіту в спеціальних реакторах добувають дрібні кристалики алмазу. Алмаз можна перетворити на графіт; для цього його необхідно нагріти до температури, яка значно перевищує 1000 °С. Перетворення простих речовин Фосфору й Карбону здій снюють за відсутності повітря, оскільки вони взаємодіють із киснем.

42

Місце хімії серед природничих наук. Значення хімії для розвитку людства Матеріал параграфа допоможе вам: переконатися в існуванні зв’язків хімії з іншими природничими науками; оцінити внесок досягнень хімії в наше життя; дізнатися про провідні напрями хімічної промис ловості в Україні; зрозуміти роль хімічних знань у сприйнятті нав колишнього світу.

Хімія та інші природничі науки. Ви знаєте, що хімія — наука про речовини, їхню будову, властивості й перетворення. Хіміки вивчають природні речовини, а також добувають речо& вини, яких у природі немає, досліджують їх і визначають перспективи використання в тій чи іншій галузі. Хімія — природнича наука. Про її зв’язки з біологією, фізикою, геологією, астрономією, екологією ви дізналися в 7 класі. Вам відомо, що біологи досліджують живі організми, а в них щомиті відбуваються хімічні реакції за участю органічних і неорганічних речовин. Фізики виявляють у нових речовин цінні для 237

Цікаво знати Мінерал ярозит KFe3(OH)6(SO4)2, який існує на Землі, виявлено і на Марсі

238

практичного використання властивості. Гео& логи ведуть пошук корисних копалин, невідо& мих раніше мінералів. Їм необхідно знати, за яких умов у земній корі можуть утворюватися різні речовини. Астрономи разом з іншими ученими визначають хімічний склад планет, інших космічних тіл. Хімія тісно пов’язана з екологією — наукою про взаємозв’язки живих організмів між собою та з довкіллям, їх вплив одне на одного. Хіміки визначають ступінь речовинного за& бруднення навколишнього середовища в різних регіонах, складають разом з екологами відпо& відні прогнози на майбутнє. Вони розробляють методи знешкодження небезпечних речовин промислового походження й видалення їх із промислових стоків і газових викидів. За останні півтора століття на стику хімії та інших природничих наук виникли нові науки — фізична хімія, біохімія, геохімія, космохімія, фармацевтична хімія, екологічна хімія, які розвиваються швидкими темпами. Хімія і прогрес людства. Наше життя важко уявити без використання досягнень хімічної науки. Ми є свідками того, як численні полімери і пластмаси дедалі більше замінюють традиційні природні речовини і матеріали. Розвиток сучасної техніки, енерге& тики, зв’язку, транспорту, аерокосмічної галузі зобов’язаний застосуванню нових спо& лук, сплавів, створенню ефективних матеріа& лів з особливими механічними, фізичними та іншими властивостями. Хімічні заводи випускають мільйони тонн мінеральних добрив (мал. 121), різноманітні засоби захисту сільськогосподарських рослин від шкідників і хвороб. Це сприяє розвиткові землеробства і тваринництва, допомагає дола& ти проблему дефіциту харчових продуктів у деяких регіонах нашої планети. Хімічні реакції є основою фармацевтичної індустрії. Зростає асортимент ефективних

Мал. 121. Зразки мінеральних добрив

Цікаво знати В Україні працює понад 50 біогазових станцій; їх кількість щороку зростає.

медичних препаратів, які дають змогу людям запобігати хворобам і перемагати їх. Харчова промисловість також використо& вує досягнення хімії. Харчові добавки поліп& шують смак продуктів, емульгатори підтри& мують їх необхідну консистенцію, консерван& ти значно збільшують термін придатності. Звісно, всі ці речовини мають бути безпечни& ми для людини. Швидкими темпами розвивається вироб& ництво хімічних товарів для побуту. У торго& вельній мережі покупцям пропонують ефек& тивні мийні засоби, клеї, герметики, лаки, фарби тощо. Використання сучасних засобів побутової хімії значною мірою полегшує ведення домашнього господарства, вивільняю& чи час на професійну діяльність, відпочинок. Важко визначити кількість наявних косме& тичних засобів. Багато речовин, добутих у хімічних лабораторіях, є складниками кремів, гелів, лосьйонів; вони позитивно впливають на шкіру, волосся, лікують і відновлюють їх. Роль хіміків дуже важлива у сфері розроб& лення ефективних, маловідходних технологій (мал. 122), схем повторного використання води в промисловості, утилізації промислових і побутових відходів. Оскільки рослини є невичерпною органіч& ною сировиною, зростають масштаби пере& роблення рослинних залишків на біогаз, біо& паливо, біопальне (мал. 123). Це — вагомий внесок у розв’язання енергетичної проблеми у світі.

239

Мал. 122. Сучасний хімічний завод

Мал. 123. Цистерни з рідким біопальним

Хімічна промисловість України. За обся& гом виробництва хімічна промисловість посі& дає провідне місце в економіці нашої країни. Вона охоплює виробництво мінеральних доб& рив, соди, лугів, кислот, інших неорганічних і органічних речовин, полімерів та матеріалів на їх основі (гуми, пластмас), нафтопродук& тів, синтетичних смол, хімічних волокон, фармацевтичних препаратів, а також скла, цементу. Багато видів вітчизняної хімічної продукції йде на експорт. Хімія і сприйняття навколишнього світу. Хімічні знання допомагають краще зрозуміти наукову картину світу. У космічному просторі за умов високого вакууму та екстремальних температур існують лише окремі атоми, йони, молекули, а на планетах, їхніх супутниках, кометах — деякі прості й складні речовини. Умови Землі (помірні температура й атмо& сферний тиск), енергія Сонця сприяють утво& ренню різноманітних неорганічних і органіч& них сполук, існуванню живих організмів. Багато змін у природі Землі пов’язані з колообігом елементів і речовин, накопичен& ням їх в одних регіонах і перенесенням в інші. Знаючи про ці процеси, можна пояснити, наприклад, утворення різних корисних копа& лин, вапнякових печер, пустель, наявність у природній воді певних розчинених солей.

240

Хімічні знання є складником загальної культури людини, полегшують її діяльність і побут, допомагають зрозуміти, як побудова& ний навколишній світ, яка роль у ньому речо& вин і хімічних реакцій. Використовуючи ці знання, ми зможемо запобігти забрудненню природи і зберегти її для наступних поколінь.

ВИСНОВКИ

Хімія тісно пов’язана з іншими природни' чими науками. Хімічні знання використову' ють у різних сферах. Прогресивний розвиток людства значною мірою зобов’язаний досягненням хімічної науки, застосуванню нових речовин і мате' ріалів. Хімічна промисловість України охоплює виробництво мінеральних добрив, вапна, соди, полімерів, пластмас, скла, цементу, фармацев' тичних препаратів, продуктів перероблення нафти, багатьох різноманітних речовин. Хімічні знання сприяють розумінню науко' вої картини світу, допомагають пояснити колообіг хімічних елементів у природі, пере' творення речовин на Землі й у живих організ' мах, існування найменших частинок речови' ни в космосі.

?

310. Доведіть, що хімія є однією з природничих наук.

311. Чому штучним матеріалам часто надають перевагу порівняно з матеріалами природного походження?

312. За матеріалами з інтернету з’ясуйте, які речовини використову ють у медицині для заміни пошкоджених або зламаних кісток.

313. Назвіть переваги і недоліки побутового посуду із пластмаси.

314. Які знання з хімії вам знадобилися в житті?

315. Запропонуйте спосіб очищення відпрацьованого промислового газу (основні компоненти — азот, кисень, водяна пара) від доміш ки сірководню.

241

316. Спробуйте пояснити такий факт: атмосфера Марсу майже повніс тю складається з вуглекислого газу, а кисень у ній є домішкою, тоді як в атмосфері нашої планети кисню майже в 500 разів біль ше, ніж вуглекислого газу.

317. Обчисліть об’єм газу амоніаку NH3, узятого за нормальних умов, який потрібно розчинити у воді об’ємом 100 л для приготування розчину із масовою часткою амоніаку 25 % (цей розчин застосо вують як рідке добриво).

43

Хімічна наука у світі та в Україні. Видатні хіміки Матеріал параграфа допоможе вам: переконатися у важливості розвитку хімічної науки; отримати відомості про вчених хіміків — лауреа тів Нобелівської премії; дізнатися про розвиток хімії в Україні й підготов ку майбутніх хіміків.

Цікаво знати Марія Склодовська& Кюрі (Франція) отримала Нобелівську премію двічі — з фізики у 1903 р. за дослідження радіоактивного розпаду і з хімії у 1911 р. за відкриття Радію та Полонію.

242

Хімія у світі. Багато з того, що з’являється в нашому житті, побуті, зумовлене досягнення& ми хімічної науки. Комп’ютери, сучасні засоби зв’язку, космічні станції, ліки від колись неви& ліковних хвороб, нові матеріали, які за власти& востями значно переважають традиційні, — це далеко не повний перелік того, що стало реаль& ним завдяки відкриттям, дослідженням і роз& робкам учених&хіміків. Хімічна наука має чудові перспективи для подальшого розвитку. Хімія — одна з фундаментальних наук. Підтвердженням цього є щорічне присуджен& ня Нобелівської премії (мал. 124) ученим&хі& мікам за визначні досягнення — створення теорій, синтез та дослідження нових речовин, вивчення хімічних реакцій. Починаючи з 1901 року, Нобелівською пре& мією нагороджували вчених зі світовими іме& нами. С.&А. Арреніус (Швеція) у 1903 р. отри&

Мал. 124. Медаль лауреата Нобелівської премії

мав цю премію за створення теорії електролі& тичної дисоціації, А. Муассан (Франція) у 1906 р. — за добування фтору, Д. Хевеші (Швеція) у 1943 р. — за використання ізотопів для вивчення хімічних реакцій, Дж. Полані (Канада), Лі Юаньчже і Д. Хершбах (США) у 1986 р. — за внесок у дослідження перебігу хімічних перетворень речовин, Р. Керл, Р. Смоллі (США) і Г. Крото (Велика Британія) у 1996 р. — за відкриття фулеренів — незви& чайних простих речовин Карбону (мал. 125).

Мал. 125. Модель молекули фулерену С60

Чимало відкриттів, за які присуджено Нобелівські премії, відбулося на стику хімії з іншими науками, передусім із біологією, медициною. У 2020 р. нобелівськими лау& реатками стали дослідниці Емманюель Шар& пантьє (Франція) і Дженніфер Дудна (США) (мал. 126), які розробили «генетичні ножи& ці» — метод, що дає змогу «редагувати» молекули ДНК.

243

Мал. 126. Е. Шарпантьє і Д. Дудна

Хімічна наука та освіта в Україні. Хімічна наука посідає почесне місце в нашій країні. Національна академія наук має відділення хімії, об’єднує низку науково&дослідних інсти& тутів хімічного профілю, в яких працюють тисячі науковців (мал. 127). Серед цих уста& нов — Інститут загальної та неорганічної хімії ім. В. І. Вернадського, Інститут органічної хімії, Інститут хімії високомолекулярних спо& лук, Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писар& жевського, Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А. В. Думанського, Інститут біоор& ганічної хімії та нафтохімії ім. В. П. Ку& харя, Інститут проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича, Інститут хімії поверхні ім. О. О. Чуйка, Фізико&хімічний інститут ім. О. В. Богатського.

Мал. 127. У хімічній лабораторії

Імена хіміків, на честь яких названо інсти& тути, а також академіків О. І. Бродського, В. Н. Єременка, А. І. Кіпріанова, О. В. Кірса& 244

нова, Л. А. Кульського, Ф. Д. Овчаренка, А. Т. Пилипенка, К. Б. Яцимирського та багатьох інших відомі не лише в Україні, а й за її межами. Ці вчені створили наукові школи, які постійно поповнюються молодими хіміками — випускниками університетів. Щороку чимало випускників і випускниць шкіл, гімназій, ліцеїв бажають продовжити освіту на хімічних факультетах Київського, Харківського, Львівського, Одеського, Донець& кого, Чернівецького та інших університетів України (мал. 128). Ці факультети мають кафедри неорганічної, органічної, фізичної, аналітичної хімії, хімії високомолекулярних сполук та ін. Студенти і студентки старших курсів виконують цікаві й актуальні наукові дослідження і невдовзі стають кваліфікова& ними хіміками. Маємо всі підстави стверджу& вати, що в молодої людини, яка цікавиться хімією і має хорошу загальноосвітню підго& товку, є всі можливості для досягнення успіху на терені хімічної науки. Молодь із вищою хімічною освітою реалізує свій потенціал також у виробничій сфері, працюючи в лабо& раторіях металургійних комбінатів, хімічних і фармацевтичних заводів, підприємств хар& чової промисловості, медичних закладів, еко& логічних установ. Немає сумніву в тому, що нове покоління хіміків зробить вагомий вне& сок у розвиток людства.

Мал. 128. Першокурсники і першокурсниці обговорюють результат здійсненого досліду

245

ВИСНОВКИ

Позитивні зміни в житті людства, кожної людини значною мірою зобов’язані досягнен' ням хімії. Ця наука посідає почесне місце серед фундаментальних наук. Видатним уче' ним'хімікам щороку присуджують Нобелів' ську премію. Хімічна наука в Україні розвивається в інститутах Національної академії наук, на хімічних факультетах університетів. Чимало українських хіміків заснували дослідницькі заклади, створили наукові школи, внесок яких у світову науку є досить вагомим. Здобувши хімічну освіту, молоді люди мають широкі можливості для застосування знань у своїй практичній діяльності.

?

318. Чому розвиток науки хімії є важливим для людства?

319. За всю історію присудження Нобелівської премії з хімії один учений ставав лауреатом двічі. Скориставшись інтернетом, з’ясуйте прі звище вченого і те, за які досягнення йому було присуджено премії.

320. Як представлена хімія в системі Національної академії наук України?

321. Висловіть свою думку щодо того, опанування яких наук студента ми і студентками хімічного факультету, крім хімії, найважливіше для майбутньої професії.

322. Який навчальний матеріал з хімії виявився для вас найцікавішим?

Післямова

Закінчився ще один навчальний рік. Ми впевнені, що на уро& ках хімії вам було цікаво і ви із захопленням виконували хімічні досліди не лише в школі, а й удома. Тепер ви знаєте, як і чому утворюються у водних розчинах йони, краще розумієте процеси, які відбуваються під час роз& чинення кислот, лугів, солей у воді. На уроках ви пригадали відомі вам типи реакцій, а також дові& далися про окисно&відновні реакції — перетворення речовин, під час яких одні частинки втрачають електрони, а інші їх приєдну& ють. Для вас уже не є секретом, чому реакції відбуваються з виді& ленням або поглинанням теплоти і з різною швидкістю. Ви закріпили свої знання про хімічні властивості неорганіч& них речовин — металів, неметалів, оксидів, основ, амфотерних гідроксидів, солей, а також ознайомилися з найважливішими органічними речовинами — вуглеводнями, деякими спирта& ми, карбоновими кислотами, вуглеводами, жирами і білками. Бажаємо вам розвивати свій інтерес до хімії та інших природ& ничих наук, а тим, хто зацікавився хімією, — стати в недалеко& му майбутньому студентами і студентками хімічних факультетів університетів. Успіхів вам!

247

Відповіді до задач і вправ

1 розділ. Вода. Розчини 16. N(H) ≈ 6,7 · 1019.

21. Так.

22. Зверніть увагу на агрегатний стан сполук.

26. m(Ba(OH)2) = 3,42 г.

27. m(FeSO4 · 7H2O) = 69,5 г.

28. m(Na2CO3 · 10Н2О) = 14,3 г.

32. S(K2CO3) = 130 г/100 г води.

33. Концентрований, ненасичений.

34. V(N2) = 22,4 мл.

35. а) m(H2O) = 14,3 г; б) m(солі) = 72 г; в) (солі) = 52,4 %.

42. Таких речовин – три.

43. в) N(йонів) = 6,02 · 1023.

49. а) N(Li+) = N(OH–) = 6,02 · 1022; б) N(K+) = 2,0 · 1022; N(SO42–) = 1,0 · 1022.

50. (OH–) = 4,25 %.

51. (H+) = 0,025 %; (Cl–) = 0,88 %.

52. (Na+) = 0,09; (SO42–) = 0,094; (OH–) = 0,033.

53. а.

55. а; сильними електролітами є також майже нерозчинні йонні йонні сполуки — BaSO4, CaCO3 та ін.

56. в.

58. а) НА — слабкий електроліт; б) НА — сильний електроліт.

59. Найбільше — йонів Гідрогену.

60. а.

64. Візьміть до уваги наявність у повітрі вуглекислого газу.

65. 1Бв; 2Аб; 3Ва; 4Аб.

66. Концентрація катіонів Гідрогену більша в 100 разів у розчині з рН = 6.

67. N(H+) = N(OH–) = 6,02 · 1012.

68. (H+) = 1 · 10–10, або 10–8 %; (OH–) = 1,7 · 10–9, або 1,7 · 10–7 %.

69. а.

248

71. в) 2OH– + CO2 = CO32– + H2O; г) Ni(OH)2 + 2H+ = Ni2+ + 2H2O. 72. г) H2S + 2NaOH = Na2S + 2H2O (можливі інші відповіді); д) K2SO3 + 2HCl = 2KCl + SO2↑ + H2O (можливі інші відповіді).

73. а) Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2↓; б) F– + H+ = HF. 74. в) Ba(OH)2 + FeSO4 = BaSO4↓ + Fe(OH)2↓ (можливі інші відповіді).

75. а) H3PO4 + 3OH– = PO43– + 3H2O. 78. а) Ba(NO3)2 + H2SO4 = 2HNO3 + BaSO4↓; б) K2CO3 + FeSO4 = K2SO4 + FeCO3↓ (можливі інші відповіді); в) Na[Al(OH)4] + 4HCl = NaCl + AlCl3 + 4H2O. 79. Можливі реакції б і г.

80. б, в, е.

81. б, в, г.

82. б) Na2SiO3 і HCl; K2SiO3 і H2SO4 (можливі інші відповіді); в) FeCl2 і Na2CO3; FeSO4 і K2CO3 (можливі інші відповіді).

83. У практичній роботі не відбувається реакція в розчині між магній хлоридом і сульфатною кислотою (взаємодіють тверда сіль і концентрована кислота).

85. m(AlPO4) = 2,44 г.

86. m(р&ну Na2S) = 50 г.

87. (CuSO4) = 12,5 %.

88. (KOH) = 8,4 %.

89. m(р&ну HNO3) = 63 г; (LiNO3) = 13,4 %.

95. m(AgNO3) = 10,1 г.

96. а) можна; б) можна; після виявлення розчину Al2(SO4)3 застосувати його для виявлення розчину солі Барію.

97. Так (для обох варіантів). Розкладаються такі сполуки: t MNO3 → MNO2 + O2↑; t MCO3 → MO + CO2↑. Додатково використати жевріючу скіпку.

2 розділ. Хімічні реакції 105. m(солі) = 26,1 г.

106. а) Мсер.(SO2, O2) = 53,3 г/моль; б) Dпов.(SO2, O2) = 1,84.

249

107. (CaCO3) = 84,3 %; (CaO) = 15,7 %.

113. У сполуці Mg(NO3)2 ступінь окиснення Нітрогену +5.

115. а) у сполуці HCN ступінь окиснення Карбону +2; в) у сполуці NH2OH ступінь окиснення Нітрогену –1.

123. а) атом F, йон Са2+; в) атом С, йон Fe2+.

125. г) MnO4– + 1e– → MnO42–.

126. а) атом Сульфуру приєднує два електрони; в) атом Сульфуру втрачає два електрони.

127. V(H2) = 160 мл.

129. в) 3H2S + 2HNO3 = 3S↓ + 2NO↑ + 4H2O. 130. а) 2FeCl3 + H2S = S↓ + 2FeCl2 + 2HCl. 132. Серед продуктів реакцій — кислоти H2SO4 і H3PO4.

133. а) N(e–) = 2NA; в) N(e–) = 1,08 · 1023; 1 б) N(e–) = —1— NA; г) N(e–) = —N .

20 8 A 134. m(Zn) = 1,625 г.

137. Зважте на тепловий ефект зворотної реакції.

147. 2СО + О2

H2O, t

=

2СО2;

t

1) СО + Н2О = СО2 + Н2; t

2) 2Н2 + О2 = 2Н2О.

3 розділ. Найважливіші органічні сполуки

: : : : : :

158. СCl2F2.

164. m(CH4) = 0,65 г.

171. Так.

172. V(Cl2) = 134,4 л. ННН 175. б) Н:C:С:С:Н ННН 176. б) С5Н12 + 8О2 → 5СО2 + 6H2O. 180. С9Н20.

181. Пропан.

183. V(O2) = 13 л.

184. V(О2) = 1,5 л; V(СO2) = 2 л.

185. V(O2) = V(Н2) = 20 мл.

186. V(С5H12) : V(пов.) = 1 : 40.

187. V(пов.) = 39,2 м3.

188. V(O2) = 100 мл.

250

189. С4Н10.

190. Етан.

191. С2Н6.

195. (C) = 6/7.

196. ρ(С2Н4) = 1,25 г/л; Dпов.(С2Н4) = 0,966.

197. ϕ(СН4) = 0,2.

198. m(Br2) = 8 г.

199. ϕ(С2Н6) = 1/4.

200. V(CO2) = 896 мл.

203. (–СН2–СН2–)n + 3nO2 → 2nCO2↑ + 2nH2O. 204. n = 450.

205. V(C2H4) = 2,8 м3.

212. ρ(С2Н2) = 1,16 г/л; Dпов.(С2Н2) = 0,897.

213. (Н) = 1/13.

215. V(C2H2) = 4 л; V(H2) = 11 л.

221. V(пов.) = 10,25 м3.

222. (C) = 96,4 %.

223. V(CO2) = 1536 л.

230. Візьміть до уваги тип хімічного зв’язку в молекулі спирту.

231. (C2H5OH) = 72 %.

232. V(C2H5OH) = 94 мл.

233. m(CH3OH) = 8 г.

238. (гліцеролу) = 39 %.

239. V(О2) = 3,92 л.

241. НСООН (мурашина кислота).

243. Візьміть до уваги тип хімічного зв’язку в молекулі кислоти.

245. б) одне із рівнянь: Na2S + 2CH3COOH = H2S↑ + 2CH3COONa. 246. (CH3COOH) = 77 %.

247. (CH3COO)2Mg. 248. m(р&ну KOH) = 17,5 г.

249. m(оцт. ес.) = 18 г; m(води) = 142 г. → С Н СООH + OH–; 255. а) С15Н31СОО– + H–OH ← 15 31 б) (С17Н35СОО)2Mg + 2H+ → 2С17Н35СООH + Mg2+.

257. m(солі) = 15,3 г.

262. 2С3Н5(С17Н35СОО)3 + 163О2 → 114СО2 + 110Н2О.

265. (C) = 40 %.

266. n(С6Н12О6) = 0,75 моль.

267. m(води) = 150 г.

268. (C6Н12О6) = 15 %.

269. S(глюкози) = 83,1 г/100 г води.

270. Зіставте хімічні формули обох вуглеводів.

251

271. (C) = 0,42.

272. n(С12Н22О11) = 3,5 моль.

273. m(води) = 340 г.

274. (сахарози) = 14 %.

275. (цукру) = 0,67.

278. а) (C6H10O5)n + 6nO2 → 6nCO2 + 5nH2O; t 6nC + 5nH O↑. б) (C6H10O5)n → 2 279. m(крохмалю) = 6,75 т.

285. (C) = 32,0 %; (N) = 18,7 %; (H) = 6,7 %.

286. m(N) = 3,68 г.

291. 5. C6H6Cl6.

4 розділ. Узагальнення знань з хімії. Хімія і людство 292. Карбон(ІІ) оксид, карбон(IV) оксид, карбонатну кислоту та її солі, деякі інші сполуки Карбону.

295. Таких класів — два.

296. Калій тетрагідроксоалюмінат K[Al(OH)4], купрум(ІІ) сульфат пентагідрат CuSO4 · 5H2O, амінооцтова кислота NH2CH2COOH (можливі інші відповіді).

299. б) Zn + 2KOH + 2H2O = K2[Zn(OH)4] + H2↑.

300. д) 8Al + 30HNO3 (розб.) = 8Al(NO3)3 + 3N2O↑ + 15H2O. 303. г) один із варіантів: 2СН3СOOH + CuO = (CH3COO)2Cu + H2O; (CH3COO)2Cu + Ba(OH)2 = (CH3COO)2Ba + Cu(OH)2↓.

307. а) так; б) ні; в) так; г) так.

308. Зважте на те, що Ферум утворює два види катіонів.

317. V(NH3) = 43,9 м3.

319. Ф. Сенгер.

Словник термінів

Аміногрупа — група атомів –NH2. Амінокислоти — похідні вуглеводнів, у молекулах яких є аміно& і карбоксильні групи. Аерозоль — суміш повітря з краплинками рідини або часточ& ками твердої речовини. Білки — високомолекулярні органічні сполуки, молекули яких складаються із фрагментів молекул амінокислот. Вищі карбонові кислоти — карбонові кислоти, молекули яких містять 10 або більше атомів Карбону. Відновлення — процес приєднання електронів частинкою (речовиною). Відновник — частинка (речовина), яка втрачає електрони. Внутрішня енергія речовини — сума енергій усіх частинок речовини й енергій хімічних зв’язків між ними. Водневий зв’язок — електростатична взаємодія між молеку& лами за участю атомів Гідрогену і найбільш електронегатив& них елементів. Водневий показник (рН) — величина, яка характеризує кон& центрацію йонів Гідрогену в розчині. Водневий показник дорів нює значенню числа m у виразі с(Н+) = 10–m моль/л для моляр& ної концентрації йонів Н+. Вуглеводи — органічні сполуки, склад яких відповідає загальній формулі Cn(H2O)m. Вуглеводневий залишок — частина молекули органічної спо& луки, яка складається з атомів Карбону і Гідрогену. Вуглеводні — сполуки Карбону з Гідрогеном. Гігроскопічність — властивість речовини поглинати вологу. Гідратований йон — йон, сполучений із молекулами води. Гідроксильна група — група атомів –ОН. Гідроліз — реакція обміну між сіллю і водою. Гомологи — сполуки, які належать до певного гомологічного ряду. Гомологічний ряд — ряд органічних сполук, молекули яких подібні за будовою і різняться за складом на одну чи кілька груп атомів СН2.

253

Диполь — частинка (молекула), яка має два різнойменно заряджені полюси. Дисперсні системи — суміші, в яких дрібні (розміром 10–4— 10–9 м) часточки, краплинки, пухирці однієї або кількох речовин рівномірно розподілені в об’ємі іншої речовини. Екзотермічна реакція — реакція, під час якої виділяється теплота. Електричний струм — спрямований рух заряджених части& нок (електронів, йонів). Електроліти — сполуки, водні розчини і розплави яких проводять електричний струм. Електролітична дисоціація — розпад речовини на йони під час її розчинення або плавлення. Емульсія — інтенсивно перемішана суміш двох рідин, нероз& чинних одна в одній. Ендотермічна реакція — реакція, під час якої поглинається теплота. Жири — похідні гліцерину і вищих карбонових кислот. Ізомери — сполуки, молекули яких мають однаковий склад, але різну будову. Істинний розчин — розчин, у якому перебувають найдрібні& ші частинки речовин (окремі атоми, молекули, йони). Йонно молекулярне рівняння — рівняння, яке містить фор& мули речовин і формули йонів.

O Карбоксильна група — група атомів–C–=OH . Карбонові кислоти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять одну або кілька карбоксильних груп. Каталізатор — речовина, яка прискорює реакцію або спри& чиняє її перебіг, залишаючись після реакції незмінною. Кисле середовище — середовище у водному розчині з рН < 7. Кислота — електроліт, який дисоціює у водному розчині з утворенням катіонів одного типу — йонів Гідрогену Н+. Колоїдний розчин — розчин, у якому містяться великі моле& кули речовин, скупчення багатьох атомів або молекул. Кристалізаційна вода — вода, молекули якої є складником кристалогідрату. Кристалогідрат — кристалічна речовина, яка містить у своєму складі молекули води. Лужне середовище — середовище у водному розчині з рН > 7. Мономер — вихідна речовина в реакції полімеризації.

254

Насичений розчин — розчин, у якому за певних температури і тиску речовина більше не розчиняється. Насичені вуглеводні — вуглеводні, в молекулах яких атоми Карбону сполучені між собою простим ковалентним зв’язком. Неелектроліти — сполуки, водні розчини і розплави яких не проводять електричного струму. Нейтральне середовище — середовище у водному розчині з рН = 7. Ненасичений розчин — розчин, у якому за даних умов можна розчинити порцію речовини. Ненасичені вуглеводні — вуглеводні, в молекулах яких атоми Карбону сполучені між собою не лише простим кова& лентним зв’язком, а й подвійним, потрійним зв’язком. Необоротна реакція — реакція, яка відбувається лише в одному напрямку. Оборотна реакція — реакція, яка може відбуватися в проти& лежних напрямках. Окиснення — процес втрачання електронів частинкою (речо& виною). Окисник — частинка (речовина), яка приєднує електрони. Окисно відновна реакція — реакція, яка відбувається зі змі& ною ступенів окиснення елементів. Органічна хімія — галузь хімії, предметом якої є вивчення органічних сполук та їх перетворень. Оксид — бінарна сполука Оксигену, в якій цей елемент виявляє ступінь окиснення –2. Органічні речовини — сполуки Карбону (за деякими винят& ками). Основа — електроліт, який дисоціює з утворенням аніонів одного типу — гідроксид&іонів. Піна — неоднорідна суміш рідини або твердої речовини і газу. Полімер — сполука, молекули якої складаються з великої кількості повторюваних груп атомів. Реакція заміщення — реакція між простою і складною речо& виною, в результаті якої утворюються інші проста і складна речовини. Реакція обміну — реакція між двома складними речовина& ми, в результаті якої вони обмінюються своїми складниками (атомами, групами атомів, йонами). Реакція полімеризації — реакція сполучення багатьох одна& кових молекул унаслідок руйнування кратних зв’язків.

255

Реакція розкладу — реакція, в якій з однієї речовини утво& рюється кілька речовин. Реакція сполучення — реакція, в якій із кількох речовин утворюється одна речовина. Розчин — однорідна суміш речовин. Розчинник — компонент розчину, який перебуває в такому ж агрегатному стані, що й розчин. Якщо таких компонентів розчину кілька, то розчинником обирають той, маса якого най& більша. Розчинність — властивість речовини утворювати з іншою речовиною розчин. Сильний електроліт — електроліт, який повністю або майже повністю розпадається на йони в розчині. Сіль — електроліт, який дисоціює на катіони металічного елемента та аніони кислотного залишку. Слабкий електроліт — електроліт, який незначною мірою розпадається на йони в розчині. Спирти — похідні вуглеводнів, молекули яких містять одну або кілька гідроксильних груп. Стійкі органічні забруднювачі — шкідливі органічні сполу& ки штучного походження, які не зазнають хімічних перетво& рень у природних умовах або дуже повільно реагують із речо& винами довкілля. Ступінь електролітичної дисоціації — відношення кількос& ті молекул електроліту, які розпалися на йони, до загальної кількості розчинених молекул. Ступінь окиснення елемента — умовний цілочисельний заряд атома в речовині. Суспензія — перемішана суміш рідини і нерозчинної в ній подрібненої твердої речовини. Тепловий ефект реакції — виділення або поглинання тепло& ти під час реакції. Термохімічне рівняння — хімічне рівняння із записом зна& чення теплового ефекту реакції та агрегатних станів речовин. Якісна реакція — реакція для виявлення певних йонів у роз& чині, яка супроводжується особливим зовнішнім ефектом.

Предметний покажчик

А

Г

Аерозоль 9 Амінокислоти 214 Ацетати 185 Ацетилен 155 будова молекули 155 застосування 165 фізичні властивості 155 хімічні властивості 156

Гігроскопічність 179 Гідратована частинка 17 Гідроксильна група 172 Гідроліз солей 63 Гліцерол (гліцерин) 178 будова молекули 178 застосування 181 фізичні властивості 179 хімічні властивості 179 Глюкоза 201 властивості 201 застосування 202 Гомологи 134 Гомологи метану 135 будова молекул 135 застосування 163 назви 135 фізичні властивості 136 фізіологічна дія 138 формули 135 хімічні властивості 137 Гомологічна різниця 134 Гомологічний ряд 134 Горючі сланці 162

Б Білки 215 властивості 216 практичне значення 217

В Відновлення 90 Відновник 91 Внутрішня енергія речовини 101 Вода будова молекули 12 електролітична дисоціація 48 кристалізаційна 22 Водневий зв’язок 14 Водневий показник (рН) 49 Вугілля 161 Вуглеводи 199 Вуглеводневий залишок 172 Вуглеводні 124 використання 163 насичені 124 ненасичені 124 поширеність 124

Д Диполь 14 Дисперсні системи 9

Е Електроліт 34 сильний 45 слабкий 45 257

Електролітична дисоціація 37 Емульсія 8 Етан 135, 136 Етанол 172 будова молекули 173 властивості 174 застосування 175 фізіологічна дія 176 Етен див. Етилен Етилен 146 будова молекули 146 застосування 165 фізичні властивості 146 хімічні властивості 147 Етин див. Ацетилен

оцтова (етанова) 182 будова молекули 183 застосування 186 фізичні властивості 184 хімічні властивості 184 пальмітинова 190 стеаринова 190 Кристалогідрат 22 Крохмаль 208

Л Лужне середовище 50

М

Й

Метан 124 будова молекули 124 використання 163 фізичні властивості 128 фізіологічна дія 132 хімічні властивості 128 Метанол 173 будова молекули 173 властивості 174 застосування 175 фізіологічна дія 176 Метод електронного балансу 96 Мил 191 Мономер 150

Йонно&молекулярне рівняння 56

Н

Ж Жири 195 біологічна роль 198 властивості 196 добування 197 застосування 198 класифікація 195

І Ізомери 140

К Карбоксильна група 172, 182 Карбонові кислоти 182 вищі 190 жирні 190 поширеність у природі 182 Каталізатор 109 Кисле середовище 50 Кислота 41 олеїнова190 258

Нафта 159 перегонка 167 Неелектроліт 34 Нейтральне середовище 50

О Окиснення 90 Окисник 91 Оксид 87 Октанове число 169 Органічна хімія 121

Органічні сполуки 118 Основа 39

П Парафін 137 Піна 8 Поліетилен 150 Полімер 150 Правило електронейтральності речовини 85 Природний газ 160

Р Реакція галогенування 132 гідрування 147 екзотермічна 101 ендотермічна 101 заміщення 79 зворотна 82 необоротна 81 обміну 80 оборотна 81 окисно&відновна 90 полімеризації 150 приєднання 147 пряма 82 розкладу 77 сполучення 76 хлорування 131 якісна 69 Розчин 6 істинний 7 колоїдний 7 насичений 26

ненасичений 26 Розчинник 6 Розчинність речовини 25

С Сахароза 204 виробництво 205 властивості 204 застосування 206 Сіль 38 Спирти 173 Стійкі органічні забруднювачі 221 Ступінь електролітичної дисоціації 44 Ступінь окиснення елемента 84 Супутній нафтовий газ 160 Суспензія 8

Т Тепловий ефект реакції 101 Термохімічне рівняння 102 Тефлон 154

Ф Фотосинтез 200 Фруктоза 207

Ц Целюлоза 211

Ш Швидкість хімічної реакції 107

Література з хімії

1. Василега М. Д. Цікава хімія / М. Д. Василега. — Київ : Рад. шк., 1989. — 188 с.

2. Вороненко Т. І. Хімія щодня. Це треба знати кожному / Тетяна Вороненко, Тетяна Іваха — Київ : Шк. світ, 2011. — 128 с.

3. Котляр З. В. Хімія елементів / З. В. Котляр, В. М. Котляр — Київ : Вид. дім «Перше вересня», 2016. — 224 с.

4. Лєєнсон І. А. Дивовижна хімія / І. А. Лєєнсон. — Харків : Ранок, 2011. — 176 с.

5. Саркісян В. Хімія повсякдення. Від шампуню і прального порошку до смаженої картоплі / Володимир Саркісян. — Київ : Віхола, 2021. — 176 с.

6. Смаль Ю. Лесеві історії. Експериментуй і дізнавайся / Юля Смаль. — Львів : Вид&во Старого Лева, 2019. — 136 с.

7. Смаль Ю. Цікава хімія. Життєпис речовин / Юля Смаль. — Львів : Вид&во Старого Лева, 2016. — 112 с.

8. Яковішин Л. О. Цікаві досліди з хімії: у школі та вдома / Л. О. Яковішин. — Севастополь : Біблекс, 2006. — 176 с.

Інтернет-сайти, які містять цікавий матеріал з хімії 1. http://chemistry&chemists.com 2. http://www.thoughtco.com/chemistry&4133594 3. http://www.elementsinyourlife.org 4. https://www.facebook.com/compoundchem 5. https://www.webelements.com 6. https://www.chemistryworld.com 7. https://www.compoundchem.com

260

Зміст

Шановні дев’ятикласники і дев’ятикласниці! .....................3

1 розділ Вода. Розчини § 1. Суміші речовин. Розчини ..........................................5 Домашній експеримент. Виготовлення колоїдних розчинів ..............................................11 § 2. Будова молекули води. Водневий зв’язок ..................12 § 3. Утворення розчину .................................................16 § 4. Кристалогідрати ....................................................20 § 5. Розчинність речовин...............................................25 Для допитливих. Вода — найкращий розчинник для солей ............................................31 Позаурочний експеримент. Вирощування кристалів мідного купоросу ...................................31 § 6. Електроліти та неелектроліти ..................................32 § 7. Електролітична дисоціація......................................37 § 8. Ступінь електролітичної дисоціації. Слабкі та сильні електроліти ...................................43 § 9. Вода як електроліт. Водневий показник (рН) .............48 § 10. Йонно&молекулярні рівняння ..................................54 § 11. Реакції обміну між електролітами в розчині ..............59 Для допитливих. Гідроліз солей.............................63 П р а к т и ч н а р о б о т а № 1. Реакції йонного обміну між електролітами у водних розчинах................................................64 § 12. Розв’язування задач за рівняннями реакцій, які відбуваються в розчинах ....................................65 § 13. Якісні реакції на деякі йони ....................................69 П р а к т и ч н а р о б о т а № 2. Розв’язування експериментальних задач......................................73

2 розділ Хімічні реакції § 14. Класифікації хімічних реакцій ................................75 § 15. Ступінь окиснення хімічного елемента......................83 § 16. Окисно&відновні реакції ..........................................89 § 17. Складання рівнянь окисно&відновних реакцій ...........95 § 18. Тепловий ефект хімічної реакції ..............................99 Для допитливих. Калорійність харчових продуктів ..104 § 19. Швидкість хімічної реакції....................................106 П р а к т и ч н а р о б о т а № 3. Вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій...............113 Для допитливих. Про умови зберігання харчових продуктів ............................................115

3 розділ Найважливіші органічні сполуки § 20. Органічні сполуки. Органічна хімія ........................117 § 21. Вуглеводні. Метан ................................................123 § 22. Властивості метану ...............................................128 § 23. Гомологи метану ..................................................133 Для допитливих. Два бутани, три пентани... .........140 § 24. Відношення об’ємів газів у хімічних реакціях ..........141 § 25. Етен (етилен) .......................................................145 § 26. Поліетилен ..........................................................149 Для допитливих. Тефлон ....................................154 § 27. Етин (ацетилен)....................................................155 § 28. Вуглеводні в природі. Застосування вуглеводнів .......158 § 29. Перегонка нафти ..................................................166 § 30. Cпирти. Метанол і етанол ......................................171 § 31. Гліцерол (гліцерин)...............................................178 § 32. Карбонові кислоти. Оцтова (етанова) кислота ...........182 П р а к т и ч н а р о б о т а № 4. Властивості оцтової (етанової) кислоти ...................................188 § 33. Вищі карбонові кислоти та їхні солі (милa) ..............190 Домашній експеримент. Порівняння мийної дії мила та прального порошку.............................194 § 34. Жири..................................................................194 § 35. Вуглеводи. Глюкоза ..............................................199 § 36. Сахароза..............................................................203

Для допитливих. Фруктоза..................................207 § 37. Крохмаль. Целюлоза.............................................208 Домашній експеримент. Виявлення крохмалю в харчових продуктах .........................................213 § 38. Амінокислоти. Білки ............................................213 П р а к т и ч н а р о б о т а № 5. Виявлення органічних сполук у харчових продуктах ..............218 § 39. Природні та синтетичні органічні сполуки. Захист довкілля від забруднення органічними сполуками.........................................219

4 розділ Узагальнення знань з хімії. Хімія і людство § 40. Багатоманітність речовин і хімічних реакцій ...........225 § 41. Взаємозв’язки між речовинами та їх взаємоперетворення.......................................231 Для допитливих. Взаємоперетворення простих речовин хімічного елемента .....................236 § 42. Місце хімії серед природничих наук. Значення хімії для розвитку людства ......................237 § 43. Хімічна наука у світі та в Україні. Видатні хіміки.....242 Післямова ..................................................................247 Відповіді до задач і вправ..............................................248 Словник термінів.........................................................253 Предметний покажчик .................................................257 Література з хімії ........................................................260 Інтернет&сайти, які містять цікавий матеріал з хімії ........260

ХiМiЯ 9 клас ПАВЛО ПОПЕЛЬ, ЛЮДМИЛА КРИКЛЯ

КЛАС

2022

ХiМiЯ.9

ХiМiЯ ПАВЛО ПОПЕЛЬ, ЛЮДМИЛА КРИКЛЯ

ПІДРУЧНИК

9

КЛАС

Вода Розчини Хімічні реакції

Найважливіші органічні сполуки Хімія і людство