Хімія 9 клас Савчин 2022 by sloven

Марія Савчин

ХІМІЯ

2021

ХІМІЯ 9

Марія Савчин

ХІМІЯ Підручник для 9 класу закладів загальної середньої освіти

Рекомендовано Міністерством освіти і науки України

Київ «ГраМота» 2022

Шановні дев’ятикласники та дев’ятикласниці! У цьому навчальному році ви завершите вивчення курсу хімії основної школи й отримаєте загальноосвітні та культурологічні знання, набу дете досвід роботи з речовинами. Відповідно до програми 9 класу ви вивчатимете 4 теми. У першій темі «Розчини» ви дізнаєтеся не лише про різні види розчинів та їх практичне використання, а й розумітимете значення розчинів у різних галузях промисловості, побуті й життєдіяльності всіх живих організ мів. Вивчення другої теми «Хімічні реакції» допоможе поглибити та роз ширити знання про хімічні реакції, закономірності їхнього перебігу, швидкість і залежність швидкості від зовнішніх чинників, узагальнити ці знання на якісно новому рівні. Третя тема «Початкові поняття про органічні сполуки» розкриє широкий світ органічних речовин, що містяться в складі клітин живих організмів на молекулярному рівні. Вивчення органічних речовин сприя тиме розумінню біологічних процесів, з якими ви ознайомитеся в курсі біології. Четверта тема «Роль хімії в житті суспільства» узагальнює ваші знання з курсу хімії основної школи, системно об’єднує ключові світоглядні питання про багатоманітність речовин і взаємозв’язки між ними, дає змогу усвідомити наукову картину світу, значення хімії в житті сус пільства й екологічні проблеми, зумовлені хімічними виробництвами. Окрім того, ви дізнаєтеся про українських учених, які зробили неоці ненний внесок у розвиток хімічної науки. Опанувавши й узагальнивши знання, уміння та досвід роботи з речо винами, за позитивного ставлення до вивчення хімії ви сформуєте необ хідні для подальшого навчання та життя предметні й базові компетент ності. Вам допоможе в цьому розв’язування розрахункових та експери ментальних задач, виконання різнорівневих завдань, уміщених у рубриці «Завдання для самоконтролю», лабораторних дослідів і прак тичних робіт, навчальних пошукових і дослідницьких проєктів, демон страційних і домашніх експериментів. У тексті параграфів уміщено запитання та завдання, за допомогою яких ви зможете пригадати вже відомий вам матеріал або поглибити знання під час вивчення нового. Рубрики підручника допоможуть вам навчитися досліджувати властивості речовин і спостерігати результати досліджень, самостійно розв’язувати задачі, виконувати практичні роботи, формулювати висновки, готувати навчальні проєкти. Для полегшення роботи з підручником у ньому подано умовні позна чення. Бажаю успіхів у навчанні! Авторка

ПОВТОРЕННЯ НАЙВАЖЛИВІШИХ ПИТАНЬ КУРСУ ХІМІЇ 8 КЛАСУ § 1. ОСНОВНІ КЛАСИ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК Повторивши матеріал параграфа, ви зможете:

• називати представників основних класів неорганічних сполук; • наводити приклади назв і формул оксидів, кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей; • класифікувати неорганічні сполуки за складом; • порівнювати склад неорганічних сполук різних класів.

Світ неорганічних речовин надзвичайно багатоманітний. Ці речовини відрізняються за формою, масою, розмірами, кольором тощо. Запам’ятати всі неорганічні речовини практично неможливо. Проте якщо згрупувати їх за складом, будовою та властивостями, то можна прогнозувати або визначати за аналогією будь-яку з них, знаючи характеристики окремих представників. Саме тому в природничих дисциплінах, зокрема й у хімії, використовують класифікацію. Щоб класифікувати речовини, їх за спільними ознаками об’єднують у певну систему, що вказує як на спорідненість, так і на відмінності між ними. Класифікація виявляє внутрішні взаємозв’язки між речовинами, сприяє кращому розумінню явищ, пов’язаних з їх перетвореннями, а отже, полегшує засвоєння знань про речовини. У курсі хімії 8 класу ви ознайомилися з класифікацією речовин, що утворюють основні класи неорганічних сполук. Це оксиди, кислоти, основи, солі й амфотерні гідроксиди. Знаючи їхні властивості, легко зро зуміти, що під час хімічних реакцій вони виявляють здатність до пере творень. Унаслідок цього речовини одних класів перетворюються на речовини інших класів. Оксиди — складні речовини, що містять у своєму складі два хімічні елементи, один з яких — Оксиген зі ступенем окиснення –2. Як і кожний із названих класів, оксиди поділяють на групи, пред ставники яких подібні за складом, будовою та властивостями. Класифікацію оксидів на основні, кислотні й амфотерні зображено на рисунку 1. 4

§ 1. Основні класи неорганічних сполук

ОКСИДИ

Основні

Кислотні

CO, SiO, N2O, NO

Амфотерні

Солетворні

Несолетворні

Рис. 1. Схема класифікації оксидів Пригадайте, які речовини називають оксидами. Наведіть приклади основних, кислотних й амфотерних оксидів і назвіть їх.

Розрізняють солетворні й несолетворні оксиди. До солетворних на лежать основні, кислотні й амфотерні оксиди. Несолетворними окси дами, тобто такими, що не виявляють ні основних, ні кислотних власти востей, є карбон(ІІ) оксид СО, силіцій(ІІ) оксид SiO, нітроген(І) оксид N2O та нітроген(ІІ) оксид NO (рис. 1). Серед розмаїття неорганічних сполук виокремлюють клас кислот. Кислоти — складні речовини, молекули яких містять один або кілька атомів Гідрогену, здатних заміщуватися на йони металічних еле ментів, і кислотні залишки. Найпоширенішими в природі є органічні кислоти: оцтова, лимонна, яблучна, щавлева, молочна. З неорганічних кислот найчас тіше використовують хлоридну HCl, сульфатну H2SO4, нітратну HNO3, ортофосфатну H3PO4. Кислоти класифікують за двома ознаками: за кількістю атомів Гідрогену в складі молекули кислоти й за вмістом Оксигену (рис. 2). КИСЛОТИ За кількістю атомів Гідрогену Одноосновні

Двоосновні

Триосновні

За вмістом Оксигену Безоксигенові Оксигеновмісні

Рис. 2. Схема класифікації кислот Наведіть приклади кислот, що зазначені в класифікації на рисунку 2.

Основи — складні речовини, що містять катіони металічних елемен тів й один або два гідроксид-аніони (гідроксильні групи). Основи вважають сполуками оксидів із водою, тому вони належать до гідратів основних оксидів, або гідроксидів. Основи класифікують за роз чинністю у воді й за кількістю гідроксид-аніонів у складі формульної оди ниці (рис. 3). 5

Повторення найважливіших питань... ОСНОВИ За розчинністю у воді Розчинні (луги)

Нерозчинні

За кількістю гідроксид-аніонів Однокислотні

Двокислотні

Рис. 3. Схема класифікації основ Наведіть приклади основ за класифікацією, зображеною на рисунку 3.

До четвертого класу речовин належать солі — складні речовини, утворені катіонами металічних елементів та аніонами кислотних залиш ків. У 8 класі ви вивчали тільки середні солі, тобто продукти повного заміщення атомів Гідрогену в кислоті на катіони металічних елементів. Однак є й інші групи солей. Їхню класифікацію зображено на рисунку 4. Проаналізуйте склад зазначених у схемі (рис. 4) солей та поясніть походження назви кожної з наведених груп. СОЛІ Середні

Кислі

Основні

Подвійні

Комплексні

K3PO4, CaCO3

NaHCO3, KH2PO4

Ba(OH)NO3, Fe(OH)Cl

NaKSO4, NaKCO3

K3[Al(OH)6]

Рис. 4. Схема класифікації солей

Амфотерні гідроксиди (від грецьк. amphoteros — подвійний, двоякий) — тверді речовини немолекулярної будови. Їхня загальна фор мула така сама, як і загальна формула основ: n

Me(OH)n, у якій n може мати значення від 2 до 4. Це сполуки, здатні виявляти як кислотні, так і основні властивості. До амфотерних належать гідроксиди, утворені елементами Берилієм, Цинком, Алюмінієм і тими, що виявляють змінну валентність, зокрема Ферум(ІІІ), Хром(ІІІ), Плюмбум і Станум. Кожному амфотерному гідро ксиду відповідає амфотерний оксид. Наприклад: Zn(OH)2 — ZnO, Al(OH)3 — Al2O3, Be(OH)2 — BeO, Fe(OH)3 — Fe2O3, Cr(OH)3 — Cr2O3, Pb(OH)2 — PbO, Sn(OH)2 — SnO. На відміну від основ, амфотерні гідро ксиди виявляють як кислотні, так і основні властивості. Узаємодіючи з кислотами, вони реагують як основи, а в реакціях із лугами — як кис лоти. 6

§ 1. Основні класи неорганічних сполук

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• У класифікації неорганічних речовин виокремлюють такі основні класи: оксиди, кислоти, основи, солі, амфотерні гідроксиди. • Оксиди — складні речовини, що містять у своєму складі два елементи, один з яких — Оксиген зі ступенем окиснення –2. Крім основних, кислотних та амфотерних оксидів, які є солетворними, окрему групу утворюють несолетворні оксиди. • Кислоти — складні речовини, молекули яких містять у своєму складі один або кілька атомів Гідрогену, здатних заміщуватися на йони металічних елементів, і кислотні залишки. Кислоти класифікують за вмістом: а) атомів Гідрогену — одноосновні, двоосновні, триосновні; б) Оксигену — оксигеновмісні й безоксигенові. • Основи — складні речовини, що містять катіони металічних елементів та один або два гідроксид-аніони. Основи класифікують за: а) розчинністю у воді — розчинні (луги) і нерозчинні; б) кількістю гідроксид-аніонів — одно- і двоосновні. • Солі — складні речовини, утворені катіонами металічних елементів та аніонами кислотних залишків. Солі класифікують на середні, кислі, оснóвні, подвійні й комплексні. • Амфотерні гідроксиди — складні речовини немолекулярної будови, що здатні виявляти як кислотні, так і основні властивості. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення понять «оксиди», «кислоти», «основи», «солі». Поясніть склад цих речовин. Наведіть приклади. 2. Назвіть речовини за хімічними формулами: CaCO3, Al2O3, Be(OH)2, H3PO4, Fe(OH)2, MgSiO3, Al(OH)3, HCl, Na2S, MgO, FeSO4, CO2, Ca(OH)2, Al(NO3)3, NaOH, KCl, LiOH, ZnI2, HNO3, Ba(OH)2, H2S, Zn(OH)2, H2SO4, BaO, CuCl2, SO3. 3. Класифікуйте речовини, подані формулами в завданні 2, на основні класи неорганічних сполук. Цікаво знати

• Кожному/кожній із вас відома хімічна речовина — натрій хлорид, поширена в побуті як кухонна сіль. На упаковках цього продукту часто є напис «Йодована сіль». Для чого сіль йодують? Учені довели, що недостатня кількість Йоду в організмі людини спричиняє виникнення багатьох хвороб щитоподібної залози — йододефіцитних захворювань. Нестача Йоду в організмі дітей може призвести до затримання росту, порушення інтелектуальної активності, розвитку й обміну речовин, а в дорослих — до зниження працездатності. Тому для запобігання йододефіциту використовують йодовану сіль, яка містить у своєму складі ще одну сіль — калій йодат. Йодовану сіль вживають у такій самій кількості, як і звичайну, а саме 5–6 грамів на добу, разом з їжею. Придбати цей продукт можна в продуктовому магазині.

Повторення найважливіших питань...

§ 2. ВЛАСТИВОСТІ представників ОСНОВНИХ КЛАСІВ НЕОРГАНІЧНИХ СПОЛУК Повторивши матеріал параграфа, ви зможете:

• • • •

називати представників основних класів неорганічних сполук; класифікувати неорганічні сполуки за властивостями; порівнювати властивості неорганічних сполук різних класів; обґрунтовувати залежність властивостей речовин від їхньої будови.

Для подальшого вивчення неорганічних речовин у 9 класі повторимо властивості представників основних класів неорганічних сполук. Хімічні властивості оксидів. Солетворним оксидам, що належать до кожної з груп, притаманні певні фізичні та хімічні властивості. Пригадайте фізичні властивості основних, кислотних й амфотерних оксидів.

Розглянемо, які хімічні властивості виявляють основні, кислотні й амфотерні оксиди (табл. 1). Таблиця 1

Хімічні властивості оксидів Оксиди Основні

Кислотні

Амфотерні

1. Взаємодія з водою: 1. Взаємодія з водою: SO3 + H2O = H2SO4. К2О + Н2О = 2КОН.

1. Взаємодія з кислотами: ZnO + 2НСl = ZnCl2 + H2O.

2. Взаємодія з кисло 2. Взаємодія з лугами: СО2 + 2NaOH = Na2CO3 + H2O. тами: СаО + 2HCl = CaCl2 + + H2O.

2. Взаємодія з лугами: t ZnO + 2NaOH (сплавл.) = = Na2ZnO2 + H2O.

Оснóвні й кислотні

Амфотерні

3. Взаємодія основних оксидів із кислотними (між собою):

3. Взаємодія з основними оксидами:

ВaO + SiO2 = ВaSiO3.

ZnO + Na2O = Na2ZnO2.

Висновок: основні й кислотні оксиди реагують із водою 4. Взаємодія з кислот з утворенням гідратів оксидів. Основні оксиди за взає ними оксидами: модії з кислотами, кислотні — за взаємодії з лугами ZnO + SO =t ZnSO . 3 4 утворюють сіль і воду, а під час взаємодії між собою — солі. Амфотерні оксиди взаємодіють як із кислотами та лугами, так і з основними й кислотними оксидами, тобто виявляють як кислотні, так і основні властивості. Проаналізуйте дані таблиці 1. Наведіть інші приклади рівнянь реакцій, що характеризують хімічні властивості оксидів.

Хімічні властивості кислот. Подібність хімічних властивостей неорганіч них кислот зумовлюють атоми Гідрогену, що є в складі їх молекул. У водних розчинах кислот відбувається зміна забарвлення індикаторів. Завдяки цій властивості кислоти легко розпізнати з-поміж інших речовин.У кислотному середовищі лакмус й універсальний індикатор 8

§ 2. Властивості основних класів неорганічних сполук

ний папір набувають червоне забарвлення, метиловий оранжевий — рожеве. Фенолфталеїн не реагує на кислотне середовище. Інші властивості кислот наведено в таблиці 2. Опрацюйте самостійно таблицю 2 та повторіть хімічні властивості кислот. Таблиця 2

Хімічні властивості кислот Хімічні властивості

1. Взаємодія з металами: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑; 2Al + 3H2SO4 (розв.) = Al2(SO4)3 + 3H2↑. Назвіть солі й тип реакцій. 2. Взаємодія з основними оксидами: MgО + H2SO4 = MgSO4 + Н2О; FeО + 2HCl = FeCl2 + H2О.

Висновок

З розчинами кислот взаємодіють метали, які в ряді активності розмі щені до водню. Унаслідок реакції утво рюються сіль і водень. Кислоти реагують з основними окси дами з утворенням солі та води.

Назвіть солі й тип реакцій. 3. Взаємодія з амфотерними оксидами: Al2O3 + 6HNO3 = 2Al(NO3)3 + 3H2O.

Кислоти реагують з амфотерними оксидами, утворюючи сіль і воду.

Назвіть утворену сіль. 4. Взаємодія з основами: а) лугами 2HNO3 + Ba(OH)2 = Ba(NO3)2 + 2H2O; б) нерозчинними у воді H2SO4 + Fe(OH)2 = FeSO4 + 2H2O.

Кислоти реагують із лугами й нероз чинними основами, утворюючи сіль і воду.

5. Взаємодія з амфотерними гідроксидами: Кислоти реагують з амфотерними гід роксидами, утворюючи сіль і воду. 2HCl + Zn(OH)2 = ZnCl2 + 2H2O. Реакції між кислотами й солями відбу ваються, якщо: а) утворюється нерозчинна речовина, 2HCl + Na2CO3 = 2NaCl + H2O + CO2↑; яка випадає в осад; 2HNO3 + Na2SO3 = 2NaNO3 + SO2↑ + H2O. б) утворюється й виділяється газ; Наведіть приклади, що підтверджують в) одним із продуктів реакції є вода. взаємодію кислот із солями. 6. Взаємодія із солями: H3PO4 + 3AgNO3 = Ag3PO4↓ + 3HNO3;

7. Реакції на розпізнавання: а) хлоридної кислоти HCl + AgNO3 = AgCl↓ + HNO3; б) сульфатної кислоти H2SO4 + Ba(OH)2 = BaSO4↓ + 2H2O.

Реактивом для виявлення хлоридної кислоти є арґентум(І) нітрат (катіон Ag+). Утворюється нерозчинний арґентум(І) хлорид, який випадає у вигляді білого сирнистого осаду. Реактивом для виявлення сульфатної кислоти є барій гідроксид (катіон Ba2+). Утворюється нерозчинний барій сульфат, який випадає у вигляді білого осаду. В обох випадках нерозчинні сполуки не взаємодіють із нітратною кислотою.

Хімічні властивості основ. У складі формульних одиниць розчинних у воді основ (лугів) і нерозчинних основ є одна або дві гідроксильні групи. 9

Повторення найважливіших питань...

Їхня наявність зумовлює подібність властивостей цих сполук. Як і роз чини кислот, розчини лугів можна виявити за допомогою індикаторів. Пригадайте, як індикатори змінюють забарвлення в лужному середовищі.

Хімічні властивості лугів і нерозчинних основ наведено в таблиці 3. Таблиця 3

Хімічні властивості лугів і нерозчинних основ Луги Хімічні властивості

Нерозчинні основи Висновок

1. Взаємодія з кислотними оксидами:

Під час вза ємодії лугів із кислот 2KOH + SO3 = K2SO4 + H2O; ними окси 2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O. дами утво рюються сіль і вода. 2. Взаємодія із солями: Ca(OH)2 + Na2CO3 = = CaCO3↓ + 2NaOH. Пригадайте, за яких умов відбуваються реакції. 3. Взаємодія з кислотами: Ba(OH)2 + H2SO4 = = BaSO4↓ + 2H2O.

Під час вза ємодії лугів із солями утворю ються нова сіль та основа. Під час вза ємодії лугів із кисло тами утво рюються сіль і вода.

Хімічні властивості

1. Взаємодія з кисло тами: Mn(OH)2 + 2HCl = = MnCl2 + 2H2O; Fe(OH)2 + 2HNO3 = = Fe(NO3)2 + 2H2O. 2. Розкладання під час нагрівання: t

Сr(OH)2 = CrO + H2O. Наведіть інший приклад реакції розкладу.

Висновок Під час взаємодії нероз чинних основ із кислотами утворю ються сіль і вода. Під час нагрівання нероз чинних основ утво рюються відповідний оксид і вода.

Зважаючи на те, що для кислот та основ характерна реакція нейтраліза ції, усі основи (розчинні й нерозчинні у воді) взаємодіють із кислотами у водному розчині, а всі кислоти (розчинні й нерозчинні) — тільки з лугами.

Наведіть інші приклади реакцій, що характеризують хімічні властивості основ.

Хімічні властивості амфотерних гідроксидів. Для амфотерних гідрокси дів характерно виявляти як кислотні, так і основні властивості. Їх влас тивості наведено в таблиці 4. Таблиця 4

Хімічні властивості амфотерних гідроксидів Взаємодія з кислотами

Zn(OH)2 + H2SO4 = = ZnSO4 + 2H2O; Al(OH)3 + 3HCl = = AlCl3 + 3H2O.

Під час взаємо дії амфотерних гідроксидів із кислотами утворюються сіль і вода.

Взаємодія з лугами

1. Взаємодія з лугами в роз Під час взає модії амфотер чинах: них гідроZn(OH)2 + 2NaOH = ксидів із лу= Na2 [Zn(OH)4]; гами утворю Al(OН)3 + 3KOH (розч.) = ються комп = K3 [Al(OH)6]. лексні солі.

§ 2. Властивості основних класів неорганічних сполук

Продовження табл. 4 Взаємодія з кислотами

Взаємодія з лугами

Здатність речовин виявляти подвійні 2. Взаємодія з лугами хімічні властивості (основ і кислот) за високої температури: t називають амфотерністю. Zn(OН)2 + 2NaOH (сплавл.) = t = Na2ZnO2 + 2H2O; t

Al(OН)3 + 3KOH (сплавл.) = t = K3AlO3 + 3H2O.

Під час сплав ляння амфотер них гідроксидів із лугами утво рюються середня сіль і вода.

Хімічні властивості солей. Солі взаємодіють як із простими, так і зі складними речовинами. Хімічні властивості середніх солей наведено в таблиці 5. Таблиця 5

Хімічні властивості середніх солей Властивості

Висновок

1. Взаємодія металів із солями у водному Солі, що містять менш активний розчині: металічний елемент, у водних розчи Fe + CuCl2 = FeCl2 + Cu; нах реагують із більш активними металами. 2AgNO + Cu = Cu(NO ) + 2Ag. 3

3 2

2. Взаємодія солей із кислотами у вод ному розчині: Na2SO3 + 2HCl = 2NaCl + SO2↑ + H2O; BaCl2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2HCl. 3. Взаємодія солей із лугами у водному розчині: СuCl2 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + 2NaCl; Al(NO3)3 + 3KOH = Al(OH)3↓ + 3KNO3. 4. Взаємодія солей між собою у водному розчині: СaCl2 + 2AgNO3 = 2AgCl↓ + Са(NO3)2; К2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2КCl.

Реакції між солями й кислотами в роз чинах відбуваються, якщо продуктами реакції є нерозчинна речовина, яка випадає в осад, або утворюється та виділяється газ. Реакції між солями й лугами в розчи нах відбуваються, якщо внаслідок реакції утворюється нерозчинна речо вина, яка випадає в осад. Реакції між солями в розчинах відбу ваються, якщо один із продуктів реак ції є нерозчинною речовиною, яка випадає в осад.

Наведіть інші приклади реакцій, що характеризують хімічні властивості солей. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ • Основні оксиди реагують із водою, кислотами й кислотними оксидами. Кислотні оксиди взаємодіють із водою, основними оксидами. Продуктами взаємодії кислотних оксидів з основними оксидами є солі. Амфотерні оксиди виявляють властивості основних і кислотних оксидів. Продуктами реакцій є солі й вода. • Спільні хімічні властивості кислот зумовлені наявністю в їхніх молекулах атомів Гідрогену. Індикатори у водних розчинах кислот змінюють своє забарвлення: лакмус та універсальний індикатор — на червоне, метиловий оранжевий — на рожеве. Кислоти взаємодіють з основними оксидами, лугами й нероз-

Повторення найважливіших питань...

•

• • •

чинними у воді основами та солями у водному розчині. Реакції за участю лугів відбуваються, якщо: а) нерозчинні продукти випадають в осад; б) утворюється і виділяється газ; в) одним із продуктів реакції є вода. Хлоридну, сульфатну й інші кислоти можна розпізнати за якісними реакціями. Спільні властивості основ зумовлені наявністю в їхньому складі гідроксиданіонів. У водних розчинах лугів індикатори змінюють своє забарвлення: лакмус та універсальний індикатор — на синє, метиловий оранжевий — на жовте, а фенолфталеїн — на малинове. Луги взаємодіють із кислотними оксидами, кислотами (реакція нейтралізації) та розчинами солей. Нерозчинні основи реагують із кислотами та розкладаються за нагрівання на оксид і воду. Амфотерні гідроксиди виявляють подвійні хімічні властивості: взаємодіючи з кислотами, реагують як основи, а з лугами — як кислоти. З лугами вони реагують у розчинах і під час сплавляння. Продуктами реакцій є солі та вода. Солі у водному розчині взаємодіють із металами, кислотами, лугами й між собою.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Випишіть формули кислот, основ й амфотерних гідроксидів із переліку речовин, записаних хімічними формулами: FeO, LiOH, HNO3, СrО, Zn(OH)2, HCl, K2O, H2SO3, Al(OH)3, Mg(OH)2, H2SO4, Ca(OH)2, CaO, Fe(OH)3, H3PO4, Ba(OH)2, CaCO3, H2S, H2CO3, KOH, Fe(OH)2, NaCl, Al2(SO4)3. Назвіть їх. 2. Перетворіть схеми реакцій на рівняння, дописавши в правій частині формули пропущених речовин. Укажіть стрілками утворені нерозчинні речовини: а) Са(ОН)2+ HCl → ... + H2O; б) CuSO4 + NaOH → Cu(OH)2+ ... ; в) KOH + SO2 → ... + H2O; г) KCl + AgNO3 → ... + KNO3; ґ) BaCl2 + Na2SO4 → ... + NaCl; д) NaOH + H2SO4 → ... + H2O. 3. Поясніть, чому алюмінієвий посуд не можна мити мийними засобами, що мають лужне середовище. 4. Розчин, що містив барій гідроксид масою 34,2 г, повністю нейтралізували розчином сульфатної кислоти. Обчисліть масу утвореної нерозчинної речовини, яка випала в осад. 5. Для лікування захворювань, пов’язаних зі зменшенням вмісту Кальцію в ор ганізмі людини, у вену хворого вводять розчин кальцій хлориду з масовою часткою солі 10 %, який випускають в ампулах об’ємом 5 мл і 10 мл. Курс лікування — 10 ампул. Обчисліть масу йонів Кальцію, яку отримує організм людини за курс лікування розчином кальцій хлориду в ампулах об’ємом по 5 мл, якщо густина розчину становить 1,1 г/мл. 6. Складіть рівняння реакцій за наведеними схемами: а) КMnO4 → O2 → CaO → Ca(OH)2 → CaCO3 → CaO; б) H2O2 → O2 → BaO → Ba(OH)2 → BaCl2 → BaSO4. Цікаво знати

• Солі Кальцію необхідні для нормального функціонування та життєдіяльності організму людини. Найважливіші функції цих солей виконують йони Кальцію. Вони забезпечують проведення нервових імпульсів, діяльність м’язів серця та скорочення скелетних і гладких м’язів. Йони Кальцію у великій кількості містяться в кістковій тканині, беруть участь у згортанні крові. Зменшення вмісту Кальцію в плазмі крові призводить до патологічних змін і захворювань на гіпокальціємію, виникнення судом. Корекцію здійснюють за допомогою

§ 3. Хімічний зв’язок і будова речовини

препаратів Кальцію, зокрема кальцій хлориду. Його застосовують як допоміжний засіб під час алергічних захворювань, лікування плевритів і пневмонії, ураження печінки. Для ін’єкцій використовують розчин із масовою часткою кальцій хлориду 10 % в ампулах об’ємом 5 мл і 10 мл.

§ 3. ХІМІЧНИЙ ЗВ’ЯЗОК І БУДОВА РЕЧОВИНИ Повторивши матеріал параграфа, ви зможете:

• наводити приклади речовин із ковалентним (полярним і неполярним) і йонним хімічними зв’язками; • характеризувати властивості речовин із різними видами хімічних зв’язків; будову кристалічних ґраток із різними видами хімічних зв’язків; • класифікувати неорганічні сполуки за типом кристалічних ґраток; • порівнювати властивості речовин із різними видами хімічних зв’язків.

Хімічний зв’язок і його види. Молекули та кристали неорганічних речо вин утворюються внаслідок взаємодії між частинками, що містяться в їхньому складі. Отже, сформулюємо визначення хімічного зв’язку. Хімічний зв’язок — це зв’язок, що виникає між частинками речовини (атомами, молекулами, йонами), з утворенням хімічно стійких молекул або кристалів. Залежно від того, атоми яких елементів беруть участь в утворенні зв’язків і самого механізму взаємодії між частинками, розрізняють такі види хімічного зв’язку: ковалентний та йонний. Ковалентний зв’язок — зв’язок між атомами елементів, що виникає внаслідок перекривання атомних орбіталей та утво рення спільних пар електронів. Ковалентний зв’язок поділяють на неполярний і полярний. Пригадайте, у чому полягає подібність і відмінність між неполярним і полярним ковалентним зв’язком.

Ковалентний неполярний зв’язок — зв’язок між атомами неме талічних елементів з однаковою електронегативністю, що виникає внаслідок перекривання атомних орбіталей та утворення спільних пар електронів, які однаково належать обом ядрам у молекулі. Такий вид зв’язку виникає в молекулах простих речовин, утворених неметалічними елементами. Залежно від того, скільки валентних елек тронів кожного атома беруть участь в утворенні зв’язку, він може бути 13

Повторення найважливіших питань...

одинарним (Н2), подвійним (О2) і потрійним (N2). Валентні електрони — це електрони зовнішнього енергетичного рівня. Ковалентний полярний зв’язок — зв’язок між атомами немета лічних елементів із різною електронегативністю, який виникає вна слідок перекривання атомних орбіталей та утворення спільних пар електронів, що зміщені до атома з більшою електронегативністю. Ковалентний полярний зв’язок властивий молекулам складних речовин, утворених неметалічними елементами (наприклад, HCI, HBr, H2S, H2O). У молекулах цих речовин спільні пари електронів зміщені до атома з більшою електронегативністю. Пригадайте, що таке електронегативність елементів.

Хімічний зв’язок, що виникає внаслідок дії сил електростатичного притягання між різнойменно зарядженими йонами, називають йонним. Йонний зв’язок характерний для речовин, що містять у своєму складі металічні й неметалічні елементи. В атомах металічних елементів на зовнішньому енергетичному рівні перебуває мало електронів, а в атомах неметалічних — значно більше. Під час хімічних реакцій відбувається переміщення електронів з орбіталей атомів металічних елементів в орбі талі атомів неметалічних елементів, оскільки атомам енергетично вигід ніше приєднати кілька електронів, ніж віддати більшу їх кількість. Унаслідок цього атоми перетворюються на йони — заряджені частинки. Атоми металічних елементів, віддаючи електрони, перетворюються на позитивно заряджені йони — катіони. Атоми неметалічних елементів, приєднуючи електрони, перетворю ються на негативно заряджені йони — аніони. З курсу фізики вам відомо, що протилежно заряджені частинки мають здатність притягуватися, утворюючи кристал: –

–

Na+ + Cl → Na+Cl . Поясніть, чим відрізняються атоми та йони: а) за будовою; б) за властивостями.

Поняття «молекула» для йонних сполук не використовують. Здебільшого вживають поняття «формульна одиниця». Вона вказує на відношення йонів у сполуці. У йонних сполуках кількість позитивних і негативних зарядів одна кова, а отже, вони — електронейтральні. Порівнявши йонний зв’язок із ковалентним полярним, можна зро бити висновок про те, що йонний зв’язок є крайнім випадком полярного ковалентного. Класифікацію хімічних зв’язків схематично зображено на рисунку 5. 14

§ 3. Хімічний зв’язок і будова речовини

ВИДИ ХІМІЧНИХ ЗВ’ЯЗКІВ

Ковалентний

неполярний

Йонний

полярний NaCl, K2S, FeS, CaBr2 HCl, H2O, Hl

H2, Cl2, F2, l2

Рис. 5. Схема класифікації хімічних зв’язків

Кристалічні

ґратки.

Залежність фізичних властивостей речовин від типів Кожна з речовин, рідина чи газ за певних умов (зни ження температури, тиску) може перейти у твердий стан. Унаслідок цього відбувається впорядкування структурних частинок речовини в просторі й утворюються структури, подібні до ґраток. Місця розташування структурних частинок (атомів, молекул, йонів) у ґратках називають вузлами. Залежно від виду частинок, що розміщу ються у вузлах, розрізняють такі типи кристалічних ґраток: молеку лярні, йонні й атомні (рис. 6). Молекулярні кристалічні ґратки (полярні й неполярні) характерні для речовин молекулярної будови. У їхніх вузлах розміщуються моле кули речовин із ковалентним зв’язком. Йонні кристалічні ґратки властиві речовинам із йонним зв’язком. У їх вузлах містяться катіони й аніони, які втримуються силами взаєм кристалічних ґраток.

РЕЧОВИНИ З РІЗНИМИ ТИПАМИ КРИСТАЛІЧНИХ ҐРАТОК

Молекулярні

Характеризуються: високою леткістю, легкоплавкістю, низькими температурами плавлення та кипіння. М’які.

Йонні

Характеризуються: високою твердістю, тугоплавкістю, високими температурами кипіння, відсутністю леткості. Йонні ґратки міцніші за молекулярні. Більшість із них добре розчинні у воді.

Атомні

За властивостями подібні до йонних. Характеризуються: міцністю кристалів, високими температурами плавлення та кипіння, твердістю та крихкістю. Майже нерозчинні у воді.

Рис. 6. Схема характеристики фізичних властивостей речовин залежно від їхньої кристалічної будови

Повторення найважливіших питань...

ного притягання. Сили притягання між різнойменно зарядженими час тинками великі, тому йонні ґратки — міцні. Атомні кристалічні ґратки мають сполуки з ковалентними зв’язками. У вузлах таких ґраток містяться атоми, зв’язки між якими здебільшого є рівноцінними та міцними. Атомні ґратки має, напри клад, алмаз. Наведіть приклади сполук із молекулярними, йонними й атомними кристалічними ґратками.

Ураховуючи відомості про кристалічну будову речовини, неважко зрозуміти, що будова речовини та її властивості взаємозв’язані. За будо вою можна охарактеризувати чи спрогнозувати властивості речовини, і навпаки, за властивостями — визначити її кристалічну будову. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімічний зв’язок — зв’язок, що виникає між частинками речовини (атомами, молекулами, йонами), з утворенням хімічно стійких молекул або кристалів. • Ковалентний зв’язок — зв’язок між атомами елементів, що виникає внаслідок перекривання атомних орбіталей та утворення спільних пар електронів. • Ковалентний неполярний зв’язок — зв’язок між атомами неметалічних елементів з однаковою електронегативністю, що виникає внаслідок перекривання атомних орбіталей та утворення спільних пар електронів, які однаково належать обом ядрам у молекулі. • Ковалентний полярний зв’язок — зв’язок між атомами неметалічних елементів із різною електронегативністю, який виникає внаслідок перекривання атомних орбіталей та утворення спільних пар електронів, що зміщені до атома з більшою електронегативністю. • Хімічний зв’язок, що виникає внаслідок дії сил електростатичного притягання між різнойменно зарядженими йонами, називають йонним. • Перехід речовин у твердий стан пов’язаний з упорядкуванням структурних частинок речовини в просторі з утворенням структур, подібних до ґраток, у вузлах яких розміщені молекули, йони або атоми. • Назви кристалічних ґраток залежать від того, які структурні частинки наявні в їх вузлах: молекулярні, йонні, атомні. • Будова речовини та її властивості взаємозв’язані. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення понять «хімічний зв’язок», «ковалентний неполярний зв’язок», «ковалентний полярний зв’язок», «йонний зв’язок». 2. Поясніть, чим відрізняються механізми утворення ковалентного неполярного й полярного зв’язків. 3. Поясніть, як утворюється йонний зв’язок, порівняйте його з ковалентним полярним. 4. Класифікуйте сполуки, записані формулами, на ковалентні неполярні, полярні та йонні: HF, F2, KOH, ZnCl2, H2, HNO3, Cl2, NaNO3, HCl. 5. Охарактеризуйте відомі вам типи кристалічних ґраток і взаємозв’язок між будовою речовин та їх фізичними властивостями.

Тема 1 § 4. Поняття про дисперсні системи. Колоїдні й істинні розчини Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• формулювати визначення понять «дисперсні системи», «колоїдні роз чини», «істинні розчини»; • класифікувати дисперсні системи за розміром частинок; • наводити приклади колоїдних та істинних розчинів; • пояснювати значення колоїдних розчинів у житті людини; • характеризувати колоїдні й істинні розчини.

Дисперсні системи вивчає розділ хімічної науки — колоїдна хімія. Пригадайте, що називають системою.

Поняття про дисперсні системи. Вам уже відомо, що система — це цілісність, яка складається з окремих частин, об’єднаних певними логічними зв’язками. Тому дисперсними системами вважають такі, що складаються з двох або більше речовин, де одна з них у подрібненому стані рівномірно розпо ділена серед частинок іншої. Кожна дисперсна система містить подріб нену речовину й речовину, в якій розподілені ці частинки. Подрібнену речовину називають дисперсною фазою, а ту речовину, в якій міститься дисперсна фаза, — дисперсійним середовищем. Дисперсній фазі, як і дисперсійному середовищу, в якому вона перебуває, властиві три агре гатні стани: твердий, рідкий та газоподібний. Найчастіше використову ють дисперсні системи, в яких дисперсійним середовищем є вода. Розглянемо класифікацію дисперсних систем за розміром частинок дисперсної фази (рис. 7, с. 18). Різноманітність дисперсних систем залежить від того, у якому стані перебувають дисперсна фаза й дисперсійне середовище. Доведено, що вони можуть перебувати у твердому, рідкому й газоподібному станах. Тому дисперсні системи класифікують за агрегатним станом дисперсної фази й дисперсійного середовища. До грубодисперсних систем за такими критеріями належать сус пензії, емульсії та аерозолі. 17

Тема 1. Розчини

ДИСПЕРСНІ СИСТЕМИ (за розміром частинок дисперсної фази) Грубодисперсні системи — розміри частинок понад 100 нм

Суспензії

Емульсії

Колоїдні розчини — розміри частинок 1–100 нм

Золі

Гелі

Істинні розчини — розміри частинок менші за 1 нм

Молекулярні

Йонні

Аерозолі Рис. 7. Схема класифікації дисперсних систем за розміром частинок (1 нм = 1 · 10–9 м)

Суспензії, емульсії, аерозолі. Найпоширенішими серед грубодисперс них систем є суспензії та емульсії. Суспензії — системи, у яких частинки твердої речовини рівномірно розподілені між молекулами рідини (води). Тверді частинки в суспензії можна побачити неозброєним оком. Так, ретельно перемішана суміш розтертої крейди чи глини у воді, запарена кава, змішаний з холодною водою крохмаль, зубна паста, будівельні розчини й фарби, значна кіль кість лікарських препаратів — усе це суспензії. Емульсії — системи, у яких дисперсною фазою та дисперсійним середовищем є рідини, що не змішуються. До емульсій належать добре струшена олія або бензин із водою, майонез, маргарин і вершкове масло, косметичні засоби (шампуні, креми), нафта, а також певні лікарські препарати. Прикладом відомої вам емульсії є молоко, де дрібні час тинки (крапельки) жиру рівномірно розміщуються в середовищі рідини. З’ясуйте, скориставшись мережею «Інтернет», які суспензії та емульсії застосовують як лікарські препарати.

Аерозолі — системи, дисперсійним середовищем у яких є гази. Вони часто трапляються в природних умовах. До аерозолів належать: туман, коли в повітрі розчиняються дрібні краплинки води; дим, коли в повітрі поширені частинки твердої речовини; смог — суміш диму, туману й пилу. Визначте самостійно, що є дисперсною фазою, а що — дисперсійним середовищем під час утворення хмар.

Грубодисперсні системи розшаровуються, тверді частинки, що утво рюють дисперсну фазу, осідають упродовж кількох хвилин. Швидкість процесу розшарування залежить від розмірів частинок дисперсної фази. Що вони більші, то швидше відбувається розшарування. Суспензії, емульсії та аерозолі належать до двофазних систем. 18

§ 4. Поняття про дисперсні системи...

Колоїдні розчини. За розмірами частинок колоїдні розчини перебу вають між грубодисперсними системами й істинними розчинами. Колоїдні розчини — високодисперсні системи, у яких розмір части нок становить 1–100 нм, а дисперсійне середовище є рідиною. Якщо в грубодисперсних системах частинки можна розділити механічно, то в колоїдних розчинах — ні. Розрізняють колоїдні розчини двох видів (рис. 7): • золі — рідкі колоїдні розчини; • гелі — желатиноподібні драглисті маси. У золях колоїдні частинки переміщаються вільно. Золям властива в’язкість, прозорість і стійкість. Із часом вони «старіють», що пов’язано зі злипанням частинок дисперсної фази під дією температури або дода ванням розчину, здатного проводити електричний струм. Збільшені час тинки не утримуються дисперсійним середовищем, осідають і випадають в осад. До колоїдних розчинів належать цитоплазма клітин, плазма крові, білок курячого яйця, силікатний клей, свіжоосаджені алюміній та ферум(ІІІ) гідроксиди, кисіль тощо. Як приготувати колоїдний розчин? Д о с л і д 1. Реакція гідролізу ферум(ІІІ) хлориду. Суть цієї реакції полягає в утворенні золю ферум(III) гідроксиду під час розчинення ферум(ІІІ) хлориду в киплячій дистильованій воді. У колбу з киплячою дистильованою водою об’ємом 100 мл додають краплями (10–12 крапель) насичений розчин FеСl3. Унаслідок взаємодії йони Fe3+, що утворилися в процесі електролітичної дисоціації солі, активно приєднують гідроксид-аніони від молекул води з утворенням нерозчинного у воді ферум(ІІІ) гідроксиду. Зі зниженням температури поступово відбувається конденсація утвореного ферум(ІІІ) гідроксиду в колоїдні частинки. Спостерігається зміна забарвлення розчину на червоно-буре, що підтверджує наявність у ньому частинок золю. Досл і д 2. Реакції обміну. Вам уже відомо, що чимало реакцій обміну відбуваються з випаданням осаду. Якщо здійснити таку реакцію з дуже роз веденими розчинами AlCl3 і NaOH2, де луг узятий у надлишку, то утвориться не осад, а колоїдний розчин — золь. Згодом частинки золю збільшуються (коагулюють) з утворенням гелю. Зі зниженням температури відбувається драгління гелів, тобто перетворення їх із в’язкого, але текучого стану на твердопо дібні драглі, що зберігають форму. Такий процес називають коагуляцією. В організмі людини також відбуваються процеси, що стосуються коагуляції. У медицині процес зсідання крові (перехід її з рідкого стану у твердий) теж називають коагуляцією. До гелів належать драглисті маси, які желатин утворює в гарячій воді, а також різноманітні желе, мармелад, м’ясний та рибний холодці тощо. Істинні розчини. Систему, у якій молекули або йони розчиненої речовини рівномірно поширюються між молекулами розчинника, називають істинним 19

Тема 1. Розчини

розчином. Частинки розчиненої речовини в них настільки дрібні, що їх не можна побачити навіть за допомогою мікроскопа. Особливістю істинних роз чинів є те, що розділити розчинену речовину й розчинник механічним спосо бом неможливо. Це означає, що в істинних розчинах немає поверхні поділу фаз (тобто відсутній поділ між розчинником і розчиненою речовиною), тому вони є гомогенними системами. Таким системам властива висока стійкість розчинів. Істинні розчини є прозорими, не розшаровуються. Як розрізнити істинний та колоїдний розчини? Для цього крізь роз чин пропускають пучок світла в темному приміщенні. У склянці з істин ним розчином світло проходить крізь нього непомітно, а в склянці з колоїдним розчином його шлях чітко простежується (рис. 8).

Джерело світла

Джерело світла а

Екран

Рис. 8. Розпізнавання істинних (а) і колоїдних (б) розчинів

Така відмінність зумовлена різним розміром частинок у розчинах. Очевидно, що колоїдні частинки є великими, тому й виявляють здатність розсіювати світло. Цим способом у домашніх умовах можна визначити, яким розчином — істинним чи колоїдним — є підсолоджений чай, кисіль, настоянка діамантового зеленого («зеленка»), виноградний сік, напій «Кока-кола», оцет. Як джерело світлового променя можна вико ристати лазерну указку. Значення дисперсних систем. Дисперсні системи дуже поширені в при роді. У річках містяться різні мінеральні частинки, зокрема: грубі (піщинки), які швидко осідають, і тонкі — суспензії та золі; під дією солей вони коагулюють і накопичуються в дельтах річок. Ґрунт — теж дисперсна система, що містить різноманітні мінерали й органічні речо вини рослинного та тваринного походження в колоїдному стані, які значною мірою впливають на їхню структуру та властивості. Хмари, пил і дим, туман, мул і мінерали — усе це є дисперсними системами. Унаслідок вивітрювання гірських порід, розмивання ґрунтів, забруд нення водойм пилом також утворюються дисперсні системи. Дисперсні системи мають практичне застосування в людській діяль ності (рис. 9). Їх використовують у хімічній, харчовій і фармацевтичній галузях промисловості. У хімічній промисловості — у виробництві штучного шовку (віскозного, ацетатного) та синтетичних волокон (капрону, лавсану тощо), лаків і фарб, клеїв, пластмас, гуми, паперу, сажі, синтетичних каучуків, смол, видобутку й перероблення нафти.

§ 4. Поняття про дисперсні системи... Хімічна промисловість

Нафтопереробна промисловість

Фармацевтична промисловість

Виробництво парфумів Виробництво косметики

Сільське господарство Медицина

Застосування дисперсних систем

Будівництво Харчова промисловість

Виробництво паперу Лакофарбова промисловість

Побут

Охорона природи

Виробництво пластмас, сажі

Рис. 9. Схема застосування дисперсних систем

У сільському господарстві з використанням дисперсних систем виго товляють композиційні добрива, що ефективно діють на ріст, розвиток і врожайність сільськогосподарських культур. На використанні властивостей різних суспензій та емульсій ґрунту ється виробництво цементу, гіпсу, бетону, будівельних композиційних матеріалів, вітражного та рубінового скла. Зміною дисперсності покра щують якість багатьох матеріалів. У харчовій галузі промисловості, використовуючи дисперсні сис теми, випікають хліб, виробляють сир, масло, сметану й інші молочні продукти, желатин, креми, газовану воду та фруктові напої. У фармацевтичній промисловості виробляють значну кількість лікарських препаратів у формі тонких суспензій або емульсій, мазей, паст, кремів, активованого вугілля, косметичного молочка. У природоохоронній індустрії дисперсні системи застосовують для очищення природних і стічних вод, повітря, а також інших заходів. У побуті — це вапняний розчин для побілки, водоемульсійні фарби, крохмальний клейстер, конторський клей, дезодоранти, шампуні, зубні пасти, мийні засоби тощо. Значення дисперсних систем для життєдіяльності людини досить вагоме. Зазначимо, що тіло людини містить різні гелі, золі й емульсії; кров і лімфа складаються із золей, макромолекул та емульсій. В організмі людини колоїди виявляють здатність зв’язувати великі кількості води й адсорбувати різноманітні речовини в процесах обміну речовин і травлення. Широку сферу застосування мають істинні розчини. Їх використовують у шкільних хімічних лабораторіях під час вивчення властивостей речовин. Приготування їжі, догляд за рослинами, боротьба зі шкідниками рослин і тварин та їхнє лікування — усе це сфери застосування істинних розчинів. 21

Тема 1. Розчини

Цікаво знати

• У фармацевтичній промисловості використовують гелеві препарати як ефективний засіб місцевої дії для знеболювання в разі запальних уражень суглобів і м’яких тканин, що розміщені навколо них, при незначних травмах або судинних пошкодженнях. Гелева основа сприяє проникненню активної речовини в найглибші тканини, викликає додатковий охолоджувальний ефект, безпечна для шкіри, гігієнічна. Гель здатний утворювати на поверхні шкіри суцільну плівку, під якою діючі речовини добре всмоктуються крізь шкіру та проникають в осередок запалення. • Під час промислового синтезу каучуку академік С. Лебедєв використав каталізатор у колоїдно-дисперсному стані для отримання натрійдивінілового каучуку зі спирту. Каталізатор був розроблений А. Думанським — одним із засновників колоїдної хімії. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Дисперсні системи — фізико-хімічні системи, що складаються з двох або більше речовин, одна з яких у подрібненому стані (дисперсна фаза) рівномірно розподілена серед частинок іншої (дисперсійне середовище). За розмірами частинок дисперсні системи поділяють на грубодисперсні системи, колоїдні й істинні розчини. До грубодисперсних систем належать суспензії, емульсії й аерозолі. • Суспензії — системи, у яких частинки твердої речовини рівномірно розподілені між молекулами рідини (води). • Емульсії — системи, у яких дисперсною фазою та дисперсійним середовищем є рідини, що не змішуються. • Аерозолі — системи, у яких дисперсійним середовищем є гази. • Колоїдні розчини — високодисперсні системи, у яких розмір частинок становить 1–100 нм, а колоїдне середовище є рідиною. Розрізняють золі — рідкі колоїдні розчини та гелі — желатиноподібні драглисті маси. • Істинні розчини — системи, у яких молекули або йони розчиненої речовини рівномірно розподіляються між молекулами розчинника. Це гомогенні системи з високою стійкістю розчинів. Вони однорідні, прозорі, не розшаровуються. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Наведіть приклади дисперсних систем, які трапляються в природі та побуті. 2. Увідповідніть назви груп дисперсних систем і розміри їхніх частинок. Дисперсна система Розміри частинок А грубодисперсні системи 1 1–100 нм Б колоїдні розчини 2 < 1 нм В істинні розчини 3 > 100 нм 4 1–200 нм

§ 5. Будова молекули води, поняття про водневий зв’язок

3. Увідповідніть назви груп дисперсних систем і приклади систем, що до них належать. Дисперсні системи Приклади систем А грубодисперсні системи Б колоїдні розчини В істинні розчини

1 молекулярні, йонні 2 суспензії, емульсії 3 золі, гелі 4 емульсії, золі

4. Увідповідніть назви грубодисперсних систем і приклади систем, що до них належать. Грубодисперсна система Приклад системи А суспензія Б емульсія В аерозоль

1 2 3 4

майонез розчин цукру у воді зубна паста туман

5. Увідповідніть назви дисперсних систем і приклади таких систем. Дисперсна система Приклад системи А золь Б гель В істинний розчин Г суспензія

1 2 3 4 5

сік із м’якоттю молоко водний розчин натрій хлориду алюміній гідроксид кисіль

6. Позначте дві властивості істинних розчинів. А розмір частинок становить 1–100 нм Б розмір частинок — менше за 1 нм В прозорі, не можна розділити механічним способом Г каламутні, колоїдні частинки осідають 7. Назвіть не менше шести галузей застосування дисперсних систем. ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Виготовте в домашніх умовах колоїдні розчини (желе, кисіль, крохмаль для підкрохмалення білизни, холодець тощо), використавши потрібні для цього речовини. Опишіть послідовність ваших дій.

§ 5. Будова молекули води, поняття про водневий зв’язок Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• • • •

знати будову молекули води; формулювати визначення понять «водневий зв’язок», «диполь»; розуміти, чому вода є хорошим розчинником багатьох речовин; пояснювати роль води в житті живих організмів, будову молекули води з погляду електронної теорії будови атома; • обґрунтовувати унікальну здатність води розчиняти речовини; • висловлювати судження про значення розчинів у природі та житті людини.

Тема 1. Розчини

Пригадайте, що вам відомо про поширення води в природі, її склад, властивість як розчинника.

Поширення води в природі. На нашій планеті вода є однією з найпоши реніших речовин, яка за звичайних умов перебуває в рідкому стані та заповнює всі впадини земної поверхні. Вода — це моря, океани, річки й озера, що займають майже 71 % від площі земної поверхні. Вода — це створені людиною штучні водойми, зокрема ставки, водосховища й канали. Якщо припустити, що земна поверхня не має впадин і гір, то вся вода нашої планети вкрила б її шаром завтовшки 4 км. Вона є у складі гірських порід і мінералів, міститься в земній корі як підземні води тощо. Порівняно з великими загальними запасами води на планеті запаси прісної води є незначними. Частка прісної води на Землі становить 2,5–3 %. Унаслідок танення льодовиків полярного й гірського похо дження відбувається часткове поповнення запасів прісної води. Однак нині запаси прісної води викликають занепокоєння в людства. Через недбале ставлення людини до природи у воду потрапляють різні хімічні речовини, відходи нафтохімічних і целюлозно-паперових підприємств. Отже, природна прісна вода не завжди є чистою, а прісна вода льодови ків та айсбергів практично непридатна для використання. Важливо зазначити, що вода — основа життя на Землі. Вона міс титься в складі всіх живих організмів, зокрема й організму людини. Тому для підтримки життєдіяльності свого організму кожній людині необхідно щодобово вживати певний об’єм чистої води. Зробіть дослідження про вміст води в організмі людини, організмах різних тварин і рослин. Сформулюйте висновок про значення води.

Завдяки колообігу в природі загальна кількість води не змінюється, проте внаслідок господарської діяльності людини запаси прісної води змен шуються. Тому життєво необхідною потребою та обов’язком кожної людини є збереження чистоти води й запобігання забрудненню водних ресурсів. Наведіть приклади способів економічного використання води в побуті.

Вода в природних умовах перебуває ще у двох агрегатних станах: твер дому та газоподібному. З курсу географії вам відомо, що на полюсах земної кулі частина запасів прісної води сконцентрована в льодовиках і на верши нах гір у твердому стані. У газоподібному стані вода міститься в атмосфері. Перетворити воду на пару можна в побутових і лабораторних умовах. Назвіть умови, за яких вода перетворюється на лід і пару.

Будова молекули води. Під час вивчення будови речовини ви ознайо милися з кристалічною структурою води, і тепер вам відомо, що вода у твердому стані має молекулярні кристалічні ґратки. Молекула води Н2О містить у своєму складі два атоми Гідрогену й один атом Оксигену, які з’єднані між собою ковалентним полярним зв’язком. 24

§ 5. Будова молекули води, поняття про водневий зв’язок

Будову зовнішнього енергетичного рівня атома Оксигену відображають електронною формулою 2s22p4, відповідно до якої із шести електронів атома 2 спарені електрони перебувають у 2s-орбіталі, а в р-орбіталях — 2 спарені та 2 неспарені. Два неспа рені валентні електрони в р-орбіталях атома Оксигену утворюють дві спільні пари електронів з електронами двох атомів Гідрогену (рис. 10). Відомо, що р-орбіталі орієнтуються в просторі у двох взаємно перпендикулярних площинах під кутом 90°. Але під час утворення ковалентного полярного зв’язку ядра атомів Гідрогену, які мають одноймен ний заряд, частково відштовхуються. Кут між орбіталями, що утворили зв’язок, збільшується до 105°, а тому молекула води має кутову будову (рис. 11). Атом Оксигену, як атом більш електроне гативного елемента, зміщує до себе електронну густину хімічного зв’язку. Тому атом Оксигену набуває частковий негативний заряд δ — (читають «дельта мінус»). Відповідно, атоми Гідрогену — частковий позитивний заряд δ+ (читають «дельта плюс»). Отже, у молекулі води на різних її кінцях (полюсах) є різнойменні заряди. Таку частинку називають диполем (рис. 12). Саме тому у вузлах кристалічних ґраток води молекули строго орієнтовані одна до одної сво їми полюсами. На рисунку 12 зображено масш табну модель молекули води, де позначено част кові заряди на полюсах молекули. Розгляньте модель молекули води й поясніть, чому – Оксиген має заряд 2δ , а Гідроген — заряд δ+.

Рис. 10. Схема утво рення спільних пар електронів у молекулі води

δ–

δ+

Рис. 11. Кутова будова молекули води +

2δ–

Hδ → p

Hδ

Рис. 12. Масштабна модель будови моле кули води з утворенням диполя

Водневий зв’язок. Вам відомо, що молекули речовин утворюються внаслідок виникнення ковалентного зв’язку між однаковими або різ ними атомами неметалічних елементів. Проте між окремими молеку лами також може утворюватися зв’язок, якщо молекули полярні. Утворення такого зв’язку пов’язане з тим, що в атомі Оксигену є ще дві неподільні пари електронів (див. рис. 10), які посилюють його елек тронну густину. Це дає змогу взаємодіяти з іншими молекулами чи йонами. Тому між атомом Оксигену, що міститься в одній молекулі води, та атомами Гідрогену іншої молекули виникає взаємодія. Водневий зв’язок — це електростатична взаємодія між молекулами внаслідок притягання атома Гідрогену однієї молекули й атома одного з найбільш електронегативних елементів (F, O, N) іншої молекули. 25

Тема 1. Розчини

Водневий зв’язок є міжмолекулярним і значно слабшим за ковалент ний. Такий зв’язок може утворюватися між молекулами гідроген фто риду HF, амоніаку NH3, води H2O. Завдяки утворенню водневого зв’язку речовини асоціюють у рідинах, утворюючи димери (дві молекули: H2F2) або цілі агрегати молекул (рис. 13).

Рис. 13. Модель асоційованих молекул води (а) і схема утворення водневих зв’язків між молекулами води (б)

Водневий зв’язок між молекулами називають міжмолекулярним. Однак водневий зв’язок може виникати всередині молекул, тобто між атомами тієї самої молекули. Такий зв’язок називають внутрішньомолекулярним. Він існує не тільки в неорганічних речовинах, а й у моле кулах органічних речовин, які мають високі відносні молекулярні маси: білків, нуклеїнових кислот і полімерів. Речовини, у яких наявні внутрішньомолекулярні водневі зв’язки, дещо відрізняються від тих, яким властиво утворювати міжмолекулярні зв’язки. Зокрема, вони краще розчиняються в органічних розчинниках, більш леткі. Водневий зв’язок легко утворюється й так само легко руйнується, що важливо для біологічних процесів, які відбуваються в живих організмах і є необхідними для їх функціонування. Водневий зв’язок ви вивчаєте для того, щоб зрозуміти механізми про цесів розчинення, електролітичної дисоціації, окисно-відновних реакцій. Отже, завдяки своїй унікальній будові молекула води здатна утворю вати агрегати молекул унаслідок виникнення водневих зв’язків між моле кулами полярних і йонами йонних сполук. Утворення водневих зв’язків пояснює підвищення температури кипіння води та її властивість розчи няти інші речовини з утворенням розчинів. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Вода — унікальна речовина, одна з найпоширеніших у природі. Займає майже 71 % від площі земної поверхні; міститься в складі багатьох мінералів і гірських порід, а також у земній корі як підземні води тощо. Вода заповнює створені людиною водойми: водосховища, моря, ставки. • Властивості води зумовлені унікальною будовою її молекули. Ковалентні полярні зв’язки між атомами Гідрогену й атомом Оксигену в молекулі розміщуються під кутом 105°. Унаслідок цього молекула стає полярною, утворюється диполь. • Диполь — частинка, на різних кінцях (полюсах) якої є різнойменні часткові заряди.

§ 6. Розчин та його компоненти...

• Водневий зв’язок — електростатична взаємодія між молекулами внаслідок притягання атома Гідрогену однієї молекули й атома одного з найбільш електронегативних елементів (F, O, N) іншої молекули. • Водневий зв’язок між молекулами називають міжмолекулярним, а зв’язок між атомами (або групами атомів) однієї й тієї самої молекули — внутрішньомолекулярним. • Те, що молекула води є диполем, сприяє процесу розчинення речовин у воді з утворенням розчинів. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть поширення води в природі та її важливість для життя на Землі. Яка біологічна роль води? 2. Поясніть будову молекули води з погляду електронної будови атомів, які її утворюють. 3. Обґрунтуйте вплив водневого зв’язку на фізичні властивості речовин. 4. Доповніть висловлювання так, щоб вони стали завершеними.

Між атомами Оксигену й Гідрогену в молекулі води існують ... полярні ... . Молекула води має ... будову. Диполь — це частинка, на різних кінцях (полюсах) якої є ... часткові ... . Водневий зв’язок може бути ... і ... . Цікаво знати

• Діаліз — очищення колоїдних розчинів і високомолекулярних речовин від розчинених у них низькомолекулярних сполук за допомогою напівпроникної мембрани. Під час діалізу молекули низькомолекулярної речовини проникають крізь мембрану, а колоїдні частинки залишаються. Діаліз застосовують для очищення колоїдних розчинів від домішок, у процесі виготовлення лікарських препаратів. • Гемодіаліз — метод очищення крові хворих на гостру й хронічну ниркову недостатність. У процесі гемодіалізу відбувається видалення з організму токсичних речовин, нормалізується водний та електролітичний баланс.

§ 6. Розчин та його компоненти. РОЗЧИНЕННЯ ЯК ФІЗИКО-ХІМІЧНИЙ ПРОЦЕС Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• формулювати визначення понять «розчин», «розчинник», «розчинена речовина», «гідрати», «гідратація»; • визначати склад розчину; • наводити приклади істинних розчинів і розчинників; • розуміти суть процесу розчинення, його фізичну та хімічну природу; • пояснювати процес розчинення речовин і його фізико-хімічну природу; залежність розчинності від площі поверхні зіткнення розчиненої речо вини та хімічної природи розчинника й розчиненої речовини; • висловлювати судження про значення розчинів у природі та житті людини.

Тема 1. Розчини

Розчини в житті людини. Упродовж життя людина постійно використовує розчини багатьох речовин у всіх галузях своєї діяльності. Найчастіше для виготовлення розчинів як розчинник застосовують воду. Однак природна вода, що заповнює западини земної поверхні, теж існує як розчини багатьох речовин, що є в складі ґрунтів, гірських порід, ґрунтових вод тощо. Загальновідомо, що морська вода дуже солона на смак. Це свідчить про те, що вона є розчином багатьох солей. Організм людини приблизно на 75 % складається з води, тому без її надходження він дуже швидко виснажується, і людина вмирає. Основними розчинами, що містяться в людському організмі, є плазма крові та лімфа, які на 90 % складаються з води. Рослини засвоюють поживні речовини з розчинів, що надходять із ґрунту. Клітинний сік рослин накопичується у вакуолях і складається з води, у якій розчинені різні солі, а саме: хлориди Калію, Натрію та Феруму, нітрати Калію і Натрію, магній сульфат та інші речовини. У клітинному соку в розчиненому стані наявні глюкоза, фруктоза й орга нічні речовини, зокрема кислоти й розчинні білки. З використанням розчинів тісно пов’язане приготування їжі, виго товлення лікарських препаратів, виробництво лаків, фарб, пластмас, синтетичних волокон, оброблення дерев для захисту від шкідників, удобрювання сільськогосподарських угідь. Виготовлення істинних розчинів у побутових умовах відбувається під час підсолоджування чаю, підсолювання перших страв, засолювання огірків, томатів, кабачків та інших овочів, варіння компотів тощо. Пригадайте з курсів природознавства та фізики явище дифузії.

Розчини. Спостерігати процес утворення розчину можна за допомогою явища дифузії, якщо використати забарвлені розчинні у воді сполуки. Як приклад, виконаємо демонстраційний дослід 1. Д о с л і д 1. Розчинення мідного купоросу. Наллємо в хімічну склянку воду об’ємом 500 мл. Насиплемо невелику кількість мідного купоросу (сіль синього кольору) у марлевий мішечок і прив’яжемо його до вмонтованої в штатив палички так, щоб сіль опустилася у воду. Спостерігаємо, що відбувається в склянці (рис. 14). Отже, навколо мішечка утворюється розчин синього кольору, і за поступовим поширенням його у воді спостерігаємо процес дифузії. Явище дифузії дуже ефектно демонструє дослід, зображений на рисунку 15. Пояснимо докладніше. Якщо марлевий рулон опустити одним кінцем у розчин амоній дихромату (оранжевого забарвлення), а другий кінець рулону помістити в порожню склянку й так само зану рити інший марлевий рулон у розчин купрум(ІІ) сульфату (синього забарвлення), то марля поступово просочиться розчинами й у середній склянці збиратиметься розчин, який матиме зелене забарвлення. 28

§ 6. Розчин та його компоненти...

Рис. 14. Розчинення мідного купоросу

Рис. 15. Явище дифузії в рідинах

Поясніть, звідки й чому з’явилося зелене забарвлення розчину в склянці, що розміщена посередині.

Що ж таке розчин і який його склад? Розчин — це гомогенна (однорідна) система, що складається з двох або більше компонентів. Будь-який розчин складається з розчинника й розчиненої речовини — компонентів розчину. Схематично склад розчину показано на рисунку 16. РОЗЧИН

Розчинник

Розчинена речовина

Рис. 16. Схема складу розчину

Розчинник — це компонент розчину, який перебуває в такому самому агрегатному стані, що й розчин. Найчастіше розчинниками є рідини: вода, спирт, бензин, бензен, ацетон. Розчинена речовина може бути газом, рідиною або твердою речови ною. Сам розчин може перебувати в будь-якому агрегатному стані. Залежно від того, які речовини — молекулярні чи йонні — розчинені в розчиннику, між молекулами розчинника можуть рівномірно розмі щуватися молекули (рис. 17, а) або йони (рис. 17, б).

Йон Хлору

Молекула сахарози

Йон Натрію

Рис. 17. Розчини сахарози (цукру) у воді (а); натрій хлориду (кухонної солі) у воді (б)

Тема 1. Розчини

Наведіть приклади розчинів, у яких розчинено речовини в різних агрегатних станах.

Необхідно зазначити, що є розчини, у яких розчинені не одна, а кілька речовин (морська та мінеральні води, фруктові напої, маринади тощо). Фізико-хімічна суть процесу розчинення. З’ясуємо, у чому полягає суть процесу розчинення. Ви вже спостерігали, як розчиняються у воді мідний купорос, кухонна сіль і цукор, тому відразу скажете, що це від бувається внаслідок дифузії. Тобто частинки розчинюваної речовини, зіткнувшись із молекулами води або іншого розчинника, поширю ються між ними. Одночасно зменшується маса речовин, які розчиня ються. На рисунку 17 (с. 29) зображено, що кристали цукру (сахарози) і кухонної солі (натрій хлориду) руйнуються і молекули та йони хао тично рухаються між молекулами розчинника. З’ясуємо, що може пришвидшити розчинення речовин. Д о с л і д 2 . Візьмемо дві хімічні склянки й наллємо воду однакових об’ємів. У першу склянку покладемо грудочку цукру, у другу — таку ж грудочку, яку попередньо подрібнемо, щоб утворився цукор-пісок. Спостерігаємо, як розчиняється цукор в обох склянках. У склянці з подрібненим цукром розчинення відбувається значно швидше. Отже, робимо висновок, що руйнування кристалів цукру зале жить від площі поверхні зіткнення розчинника та розчинюваної речовини. Що більша площа поверхні зіткнення, то швидше відбува ється дифузія. Збільшити площу поверхні зіткнення можна, якщо розчин перемішати. Дослідники процесів розчинення, зокрема шведський фізико-хімік С. Арреніус, вважали, що між розчинником і розчиненою речовиною немає жодної взаємодії, тобто розчинення характеризували як фізичний процес. Однак Д. Менделєєв, вивчаючи процес розчинення речо вин, запропонував хімічну теорію розчинів. Згідно із цією теорією, розчин розглядають не як механічну суміш розчинника й розчиненої речовини, а як хімічну взаємодію між ними. Під час розчинення речовин спостерігають два процеси: руйнування структури розчинюваної речовини до молекул або йонів і взаємодію утво рених частинок із частинками розчинника (якщо це вода — з молекулами води). Взаємодію частинок речовини з молекулами води називають гідратацією. Продуктами гідратації є гідратовані йони або молекули. Розглянемо, як відбувається розчинення речовин із різною криста лічною структурою на прикладі найпоширеніших харчових продук тів — цукру (сахарози) і кухонної солі (натрій хлориду). Цукор (сахароза) є речовиною молекулярної будови. Молекули цукру містять у своєму складі атоми із зарядами δ+ і δ–, що й зумовлює притягування молекул води протилежними полюсами й утворення вод невого зв’язку між молекулами в розчині. Унаслідок такої взаємодії та 30

§ 6. Розчин та його компоненти...

руху молекул води молекули цукру відокремлюються від кристалів. Отже, відбувається руйнування структури кристала. Другий процес пов’язаний з утворенням гідратованих молекул цукру та рівномірним поширенням і розподілом їх між молекулами розчинника (води). Для розчинення йонних сполук, зокрема кухонної солі (натрій хло риду), теж характерне руйнування структури кристала й утворення гідратованих йонів. Дипольні молекули води притягуються до різно йменно заряджених йонів натрій хлориду так: до позитивно зарядже ного йона Натрію — негативним полюсом, а до негативно зарядженого йона Хлору — позитивним полюсом. Унаслідок взаємного притягання зв’язки між йонами в кристалі руйнуються і йони поширюються між молекулами води. Отже, у розчині утворюються гідратовані катіони Натрію та аніони Хлору (рис. 18).

Рис. 18. Схема процесу розчинення кристалів натрій хлориду у воді

Ураховуючи те, що під час розчинення утворюються гідратовані моле кули або йони, розчин містить не тільки розчинник і розчинену речовину, а й продукти їх взаємодії. Тому схему складу розчину, показану на рисунку 16 (с. 29), потрібно змінити так, як зображено на рисунку 19. РОЗЧИН

Розчинник

Гідратовані молекули або йони

Рис. 19. Схема складу розчину

Оскільки під час розчинення речовин відбувається не тільки меха нічне поширення структурних частинок розчиненої речовини між моле кулами розчинника (дифузія), а й взаємодія між ними, що підтверджує процес гідратації з утворенням гідратованих молекул або йонів, то дове дено (Д. Менделєєв), що розчинення — це фізико-хімічний процес. Тому правильним буде доповнене визначення поняття «розчин». Розчин — це однорідна (гомогенна) система, що складається з двох або більше компонентів і продуктів їх взаємодії. 31

Тема 1. Розчини

Підтвердженням фізико-хімічної теорії розчинів є теплові явища, що відбуваються під час розчинення. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Розчини мають велике практичне значення в житті людини та відіграють важливу роль у природі, різних галузях промисловості й побуті. • Компонентами розчину є розчинник і розчинена речовина. Розчинник — компонент розчину, який перебуває в такому самому агрегатному стані, що й розчин. Розчинена речовина може бути газом, рідиною або перебувати у твердому стані. • Розчин може перебувати в будь-якому агрегатному стані. • Розчинення речовин супроводжується такими процесами: 1) руйнуванням структури розчинюваної речовини до молекул або йонів; 2) взаємодією утворених частинок із частинками розчинника. • Взаємодію частинок речовини з молекулами води під час утворення водного розчину називають гідратацією. Продуктами гідратації є гідратовані молекули або йони. • Під час розчинення у воді речовин із ковалентним полярним зв’язком (або полярними групами атомів) між їхніми молекулами й молекулами води утворюються водневі зв’язки в розчині. • Розчин — однорідна (гомогенна) система, що складається з двох або більше компонентів і продуктів їх взаємодії. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення понять «розчин», «розчинник», «розчинена речовина». 2. Поясніть на прикладі явище дифузії у рідинах і газах. 3. Охарактеризуйте фізико-хімічну суть процесу розчинення. 4. Наведіть приклади істинних розчинів, які використовують у різних галузях господарства і в побуті. 5. Доповніть висловлювання так, щоб вони стали завершеними.

Розчин — це …. система, що складається з ... або більше … і … . Компонентами розчину є ... і ... . До розчинників належать ... , … , … . Найпоширеніший розчинник — це … . Гідратація — це взаємодія частинок речовини з молекулами ... . 6. У воді об’ємом 120 мл розчинили цукор масою 40 г. Обчисліть масову частку цукру в утвореному розчині. Цікаво знати

• У домашній аптечці зберігають чимало розчинів: нашатирний спирт (водний розчин амоніаку), який використовують для виведення зі стану непритомності; йод (спиртовий розчин з масовою часткою йоду 5 %) — як антисептичний засіб; свинцевий цукор (розчин плюмбум(ІІ) ацетату у воді) — як компрес під час забоїв; водний розчин із масовою часткою гідроген пероксиду 3 % — як протимікробний знеболювальний та кровоспинний засіб; розчин борної кислоти у воді — для закапування очей, а борний спирт (спиртовий розчин із масовою часткою боратної кислоти 3 %) — для лікування запалення вух (отиту).

§ 7.Розчинність речовин, її залежність від різних чинників...

§ 7. Розчинність речовин, її залежність від різних чинників. НАСИЧЕНІ Й НЕНАСИЧЕНІ, КОНЦЕНТРОВАНІ Й РОЗВЕДЕНІ РОЗЧИНИ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• формулювати визначення поняття «розчинність»; • знати класифікацію речовин за розчинністю; чинники, що впливають на розчинність речовин; • пояснювати вплив різних чинників на розчинність речовин; • уміти визначати розчинні, малорозчинні й нерозчинні речовини за таблицею розчинності; розчинність речовин за кривою розчинності за різних температур; • характеризувати насичені, ненасичені, концентровані й розведені роз чини; розчинність твердих речовин, рідин і газів залежно від впливу тем ператури, тиску, природи речовини й розчинника, агрегатного стану.

Розчинність речовин. Важливість розчинів у живій і неживій природі важко переоцінити. За їхньою участю відбувається обмін речовин в організмах людини, тварин і рослин. Їх широко застосовують у різних галузях промисло вості, техніці, у хімічних лабораторіях, сільському господарстві й побуті. Вивчаючи хімію в попередніх класах, ви виконували лабораторні досліди та практичні роботи з використанням розчинів неорганічних речовин. Тому важливо знати, що таке розчинність і як вона залежить від різних чинників. Розчинність — це властивість речовин розчинятися у воді або будь-якому іншому розчиннику. Вода є універсальним розчинником завдяки будові та здатності утворювати водневі зв’язки не тільки між сво їми молекулами, а й з молекулами інших речовин. У воді розчиняються речовини, що перебувають у різ них агрегатних станах: твердому (рис. 20), рідкому й газоподібному. За розчинністю у воді речовини поділяють на роз чинні, малорозчинні й нерозчинні (рис. 21). Такий поділ ґрунтується на тому, яка маса речовини розчиняється в певному розчиннику. Наприклад, якщо у воді масою 100 г розчиняється понад 1 г речовини, то вважають, що це розчинна речовина; якщо ж розчиняється менше ніж 1 г — малорозчинна, а якщо менше 0,01 г — нерозчинна. РЕЧОВИНИ Розчинні

Малорозчинні

Нерозчинні

Рис. 20. Розчинення кристалів калій перман ганату у воді Рис. 21. Схема класифікації речовин за роз чинністю у воді

Тема 1. Розчини

Отже, сформулюємо уточнене визначення розчинності. Розчинність — це маса розчиненої речовини, яка за певних умов (температури, тиску) може розчинитися в розчиннику масою 100 г. До твердих розчинних у воді речовин належать такі солі, як хлориди й нітрати. З інших розчинними є всі солі Натрію, Калію та амонію, наве дені в таблиці розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1, с. 223). Розчинними у воді є луги. Однак у певній масі води (чи іншого розчинника) може розчинятися не безмежна маса речовини, а певна її порція. Так, експериментально встановлено, що у воді масою 100 г за кімнатної температури (приблизно 20 °С) може розчинитися натрій хлорид масою не більше ніж 36 г. За такої ж температури калій нітрату розчиниться 35 г і приблизно така ж порція калій хлориду. У воді можуть розчинятися рідини. Деякі з них розчиняються в будь-яких пропорціях (наприклад, сульфатна, нітратна й оцтова кислоти, етанол). Здатність розчинятися у воді виявляють і газоподібні речовини. Їх роз чинність є дуже різною. Вам уже відомо, що такі безоксигенові кислоти, як хлоридна й сульфідна, отримують розчиненням у воді відповідно гідроген хлориду й гідроген сульфіду. Розчинним є амоніак, розчинність якого за температури +20 °С і тиску 101,3 кПа досить висока: 700 об’ємів амоніаку розчиняється в 1 об’ємі води. До малорозчинних речовин належать гідроксиди Кальцію та Магнію, арґентум(І) сульфат, гази кисень, азот і карбон(ІІ) оксид. Наведіть приклади нерозчинних речовин, користуючись таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1).

Необхідно зазначити, що абсолютно нерозчинних речовин немає. Навіть метали золото та срібло мають здатність у дуже незначних кіль костях розчинятися у воді. Катіони Ауруму й Арґентуму, потрапляючи у воду, спричиняють її бактерицидну дію. Чинники, що впливають на розчинність речовин. Ви вже переконалися, що розчинність речовин є дуже різною. Вона залежить від багатьох чинників, а саме: природи розчиненої речовини й самого розчинника, температури, тиску (для газів), агрегатного стану розчиненої речовини. Вивчаючи роз чинність речовин, дослідники виявили певні закономірності. 1. Залежність розчинності речовин від їхньої природи та природи розчинника, тобто від хімічної будови й виду зв’язку Речовини з ковалентним полярним зв’язком добре розчиняються в речовинах, подібних до себе. Наприклад, розчинення амоніаку у воді. Так само розчиняються йонні сполуки, тобто вони добре розчинні в по лярних розчинниках. Зокрема, натрій гідроксид і натрій хлорид роз 34

§ 7. Розчинність речовин, її залежність від різних чинників ...

чиняються у воді чи іншому полярному розчиннику. Для неполярних сполук характерно розчинятися в неполярних розчинниках. Прикла дом є розчинення рідкого азоту в рідкому кисні. Отже, сформулюємо правило: подібне розчиняється в подібному. 2. Залежність розчинності речовин від температури Щоб з’ясувати, як температура впливає на розчинність речовин, виконаємо дослід. Д о с л і д . Покладемо у дві склянки по однаковій грудочці цукру. Наллємо в першу склянку холодну, а в другу — гарячу воду масою по 150 г. Спостерігаємо, що відбувається в склянках. У першій склянці цукор розчиняється повільно, а в другій, із гарячою водою, — значно швидше. Отже, з підвищенням температури розчинність твердих речовин у воді збільшується. Розчин, у якому за певної температури й тиску розчинена речо вина більше не розчиняється, називають насиченим. Залежність розчинності твердих речовин від температури відображають криві розчинності (рис. 22). Так, із підвищенням температури розчинність деяких солей збільшується (KClO3, KNO3, Pb(NO3)2). Однак є солі, розчин ність яких збільшується несуттєво (KCl, NaCl) або зменшується (Cr2(SO4)3). Сформулюйте самостійно визначення ненасиченого розчину.

Розчинність речовин, г солі в 100 г води

Зрозуміло, що в ненасиченому розчині речовини менше, ніж у насиче ному, тож у ньому можна розчинити додаткову порцію речовини. Доливши розчинник у насичений розчин, легко отримаємо ненасичений розчин.

Температура, °С Рис. 22. Криві розчинності

Тема 1. Розчини

За підвищеної температури в певній масі розчинника можна розчи нити більшу порцію речовини. Під час повільного охолодження такого розчину утворюється пересичений розчин, який є дуже нестійким: за незначного струшування або додавання кристалика солі надлишок роз чиненої речовини у вигляді кристалів осідає на дні. 3. Залежність розчинності від агрегатного стану розчиненої речовини У воді розчиняються не тільки тверді речовини, а й рідини та гази. Наприклад, чимало рідин (етанол, оцтова кислота, гліцерол) добре роз чиняються у воді й змішуються з нею в будь-яких пропорціях. Тиск на розчинність рідин не впливає. 4. Залежність розчинності газів від температури й тиску Розчинність газів залежить від температури, тиску та хімічної природи самого газу. Розчинення газів у воді супроводжується виділенням тепла, тому з підвищенням температури їх розчинність зменшується, а зі зниженням — збільшується. Вам уже відомо, що за кімнатної температури у воді добре розчиняються такі гази, як гідроген хлорид, амоніак тощо. Тиск на розчинність газів впливає істотно: з підвищенням тиску роз чинність газів збільшується. Кількісний склад розчину. Кількісний склад розчину виражають різ ними способами. Вам уже відомий один із них — це масова частка роз чиненої речовини ω (омега). Є й інші способи, але їх в курсі хімії осно вної школи не вивчають. Пригадайте, що називають масовою часткою речовини в розчині та як її обчислюють.

Залежно від вмісту розчиненої речовини розрізняють концентровані й розведені розчини. Концентрований розчин — це розчин, у якому міститься багато роз чиненої речовини, що перевищує вміст розчинника. Для розведеного роз чину характерний малий вміст розчиненої речовини, тобто в ньому міс титься більше розчинника. Залежно від того, розчинна чи малорозчинна речовина, концентровані розчини розчиненої речовини можуть бути ненасиченими, а розведені розчини малорозчинної речовини — насиченими. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Розчинність — маса розчиненої речовини, яка за певних умов (температури, тиску) може розчинитися в розчиннику масою 100 г. • За розчинністю у воді речовини поділяють на розчинні, малорозчинні, нерозчинні. Визначити, якою з них є певна речовина, можна за таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1). • Розчинність залежить від таких чинників: природи розчиненої речовини й розчинника, температури, тиску (для газів), агрегатного стану розчиненої речовини. • Розчинність твердих речовин збільшується з підвищенням температури. • Тиск на розчинність рідин не впливає.

§ 8. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин...

• Розчинність газів зменшується з підвищенням температури й збільшується з підвищенням тиску. • Насичений розчин — розчин, у якому за певної температури й тиску розчинена речовина більше не розчиняється. Якщо ж у розчині розчиняється додаткова порція речовини, то такий розчин є ненасиченим. • За вмістом розчиненої речовини розрізняють концентровані й розведені розчини. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Виокремте з поданого переліку формули розчинних, малорозчинних і нерозчинних речовин: КОН, HgI2, Mg3(PO4)2, AgNO3, Fe(OH)3, K2CO3, AgCl, BaCO3, H2SO4, CaSO3, H2SiO3, Cu(OH)2, Na2SO4, Ba(OH)2, користуючись таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1). 2. Визначте, як збільшується розчинність калій нітрату з підвищенням температури на кожні 10 °С в діапазоні (0–50) °С, користуючись відповідною кривою розчинності (рис. 22, с. 35). 3. Поясніть розчинення речовин залежно від: 1) природи розчинника й розчиненої речовини; 2) температури — для твердих речовин; 3) температури й тиску — для газів; 4) температури й тиску — для рідин. 4. Обчисліть масу розчиненої речовини та масу води, що містяться в розчині масою 250 г із масовою часткою натрій нітрату 20 %. 5. До розчину масою 120 г із масовою часткою калій гідроксиду 0,2 долили розчин масою 80 г із масовою часткою цього ж лугу 10 %. Обчисліть масову частку речовин в утвореному розчині.

§ 8. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин. КРИСТАЛОГІДРАТИ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати, що розчинення речовин супроводжується тепловими явищами, зокрема виділенням або поглинанням енергії; поняття «кристалогі драти»; • формулювати визначення поняття «кристалогідрати» та називати їх; • спостерігати демонстраційні досліди й аналізувати отримані результати; • обчислювати масову частку та масу розчиненої речовини в розчині.

Теплові явища під час розчинення речовин. Розглянувши природу процесу розчинення (§ 6), ви з’ясували, що між компонентами розчину відбувається хімічна взаємодія. Підтвердженням того, що розчинення — це фізико-хіміч ний процес, є теплові явища, які супроводжують розчинення речовин. Вам уже відомо, що під впливом молекул води як диполів руйну ються зв’язки між молекулами речовини (якщо вона має молекулярну будову) або йонами (якщо речовина йонної структури). На руйнування зв’язків у процесі розчинення витрачається енергія. Наступним етапом є гідратація, тобто взаємодія молекул чи йонів із молекулами води. Цей процес супроводжується виділенням певної кількості енергії. Якщо на 37

Тема 1. Розчини

руйнування зв’язків витрачається менше енергії, ніж її виділяється під час взаємодії між частинками речовини й розчинника, то виділяється тепло, і розчин нагрівається. Якщо ж на руйнування зв’язків витрача ється більше енергії, ніж її виділяється під час гідратації, то відбува ється поглинання енергії, і розчин охолоджується. Щоб упевнитися в цьому, виконаємо демонстраційний дослід 1. Д о с л і д 1. Розчинення безводного кальцій хлориду у воді. Кальцій хлорид — це сіль, білий порошок, без запаху. Візьмемо певну порцію речовини (наприклад, 10 г) і воду об’ємом 50 мл. Виміряємо темпера туру води до початку розчинення та виготовимо розчин. Як показано на рисунку 23, попередня температура води становила +20 °С, а після розчинення кальцій хлориду температура підвищилася до +30 °С. Отже, розчинення безводного кальцій хлориду супроводжу ється виділенням тепла. +20 °C +30 °C

CaCl2

Розчин

Вода

Рис. 23. Розчинення безводного кальцій хлориду у воді

Виділення тепла спостерігається під час розчинення спирту, концен трованої сульфатної кислоти й багатьох твердих речовин у воді. Це пере конливо свідчить про те, що розчинення — це не тільки фізичний, а й хімічний процес. Іншим доказом цього є факт, що об’єми розчинів здебіль шого не відповідають сумі об’ємів його компонентів (розчинника й розчи неної речовини). Під час розчинення газів тепло переважно виділяється. Тепер виконаємо дослід 2 і спостерігатимемо за процесом розчи нення амоній нітрату у воді. Д о с л і д 2. Розчинення амоній нітрату NH4NO3 у воді. Як і в досліді 1, наллємо на дно хімічної склянки воду такого самого об’єму й зану римо спиртовий термометр. Додамо білий порошок амоній нітрату й перемішаємо розчин (рис. 24). За позначкою термометра бачимо, що тем пература розчину знизилася. Якщо видозмінити цей дослід і поставити склянку на змочений водою картон, то тепла поглинається стільки, що склянка примерзає. Отже, під час розчинення амоній нітрату тепло поглинається. Доведено, що розчин охолоджується приблизно до –8 °С. Отже, можна зробити висновок, що процес розчинення супрово джується тепловими явищами, які незаперечно підтверджують хімічну взаємодію між молекулами або йонами розчиненої речовини й молеку лами розчинника. 38

§ 8. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин... NH4NO3

H2O

Рис. 24. Розчинення амоній нітрату

Кристалогідрати. Проаналізувавши таблицю розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1), розуміємо, що значна кількість кислот, солей та луги розчиняються у воді, утворюючи розчини. А чи можна виокремити розчинену речовину з розчину? Пригадайте з курсу хімії 7 класу способи розділення сумішей та визначте, який із них можна застосувати для виділення речовини з розчину.

Вивчаючи способи розділення сумішей, ви ознайомилися з очищен ням кухонної солі. Після її розчинення та фільтрування розчину потрібно було випарити воду. Отже, розділити водний розчин можна за допомогою випарювання. Однак під час випарювання багатьох водних розчинів твердих речо вин утворюються кристали, що містять певну кількість молекул води. Такі речовини називають кристалогідратами. Воду, яка є у складі кристалогідрату, називають кристалізаційною. Розглянемо склад досить поширеного кристалогідрату — мідного купоросу, формула якого — CuSO4 · 5H2O. Хімічна назва — купрум(ІІ) сульфат пентагідрат, де «пента» означає «п’ять». Це число вказує на те, що одна формульна одиниця цього кристалогідрату містить 5 молекул води (рис. 25, а). Під час нагрівання кристалізаційна вода випарову ється й утворюється безводний купрум(ІІ) сульфат, але вже не синього, а білого кольору (рис. 25, б). У природі такий процес відбувається за підвищення температури та низької вологості повітря.

а б Рис. 25. Купрум(ІІ) сульфат пентагідрат (а) і безводна сіль купрум(ІІ) сульфат (б)

Тема 1. Розчини

Процес утворення кристалогідратів та їхнє перетворення на без водні кристали є оберненим, тому за високої вологості багато безвод них солей сполучаються з молекулами води, що містяться в повітрі, перетворюючись знову на кристалогідрати. Часто цей процес спостері гають за зміною забарвлення речовин. На рисунку 26 зображено кристали кристалогідрату кобальт(ІІ) хло риду гексагідрату СоCl2 · 6H2O (рис. 26, а) і безводної солі кобальт(ІІ) хлориду (рис. 26, б). Зневоднення кристалогідрату супроводжується зміною кольору речовини.

Рис. 26. Кобальт(ІІ) хлорид гексагідрат (а) і безводна сіль кобальт(ІІ) хлорид (б)

Чимало кристалогідратів мають практичне значення, їх застосовують у будівництві, медицині, сільському господарстві й хімічній промисло вості. До них належать мідний та залізний FeSO4 · 7H2O купороси, гіпс СаSO4 · 2H2O, кристалічна сода Na2CO3 · 10H2O, глауберова сіль Na2SO4 · 10H2O, гірка сіль MgSO4 · 7H2O тощо. Розглянемо практичне застосування кристалогідратів. Мідний купорос — купрум(ІІ) сульфат пентагідрат, речовина блакит ного кольору. У сільському господарстві широко застосовують бордоську рідину (розчин із масовою часткою купрум(ІІ) сульфату 1–3 % й зависі кальцій гідроксиду) для протруювання зерна й боротьби зі шкідниками плодових дерев і кущів, а її розчин із масовою часткою 0,2 % — для оброблення насіння томатів перед посівом. У будівництві розчином мідного купоросу обробляють поверхні, ушкоджені цвіллю, профілактично покривають стіни та стелі перед тим, як їх білити, для запобігання появі грибкової плісняви. Окрім того, ним протруюють деревину, застосовують під час вичинення шкур. Також мідний купорос використовують у меди цині, а в хімічних лабораторіях — для одержання інших солей Купруму. Залізний купорос — ферум(ІІ) сульфат гептагідрат, утворює бла китно-зелені кристали. У сільському господарстві його, як і мідний купорос, застосовують для боротьби зі шкідниками та хворобами рос лин, для протруювання деревини, виробництва фарб. Гіпс — кальцій сульфат дигідрат, прозорий, безбарвний, м’який мінерал. Під час нагрівання частина кристалізаційної води випарову ється та утворюється алебастр — кальцій сульфат моногідрат, мінерал складу 2СаSO4 · H2O або СаSO4 · 0,5H2O. Гіпс застосовують у будівництві як в’яжучий матеріал, у процесі виробництва цементу, добрив. 40

§ 8. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин...

У медицині — для фіксації кісток під час переломів (гіпсові пов’язки). Скульптори використовують гіпс для створення гіпсових оригіналів скульптурних композицій, макетів тощо. Кристалічна сода — натрій карбонат декагідрат, біла кристалічна речовина. Її застосовують у побуті, а також у виробництві мийних засобів. Глауберова сіль (названа на честь німецького хіміка та лікаря Й. Глаубера, який уперше її одержав у лабораторії) — натрій сульфат декагідрат, прозорі безбарвні кристали, гіркі на смак. Її використо вують у медицині як проносний засіб. Природний мінерал цієї солі називають мірабілітом. Гірка сіль — магній сульфат гептагідрат, мінерал, добре розчинний у воді, гірко-солоний на смак. Набув широке застосування у фармако логії та медицині, хімічній промисловості, у виробництві цукру. Ви ознайомилися з найпоширенішими кристалогідратами. Перелік ними не обмежується, і всі вони мають певне призначення та викорис тання. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Процес розчинення — фізико-хімічний процес, який супроводжують теплові явища, що відбуваються внаслідок гідратації молекул або йонів у розчині. • Тепло виділяється і розчин нагрівається, якщо на руйнування зв’язків витрачається менше енергії, ніж її виділяється під час взаємодії між частинками речовини та розчинника. • Тепло поглинається і розчин охолоджується, якщо на руйнування зв’язків витрачається більше енергії, ніж її виділяється під час гідратації. • Речовини, що містять певну кількість молекул води, називають кристалогідратами. Воду, що є в складі кристалогідрату, називають кристалізаційною. • До найпоширеніших кристалогідратів належать мідний CuSO4 · 5H2O і залізний FeSO4 · 7H2O купороси, гіпс СаSO4 · 2H2O, кристалічна сода Na2CO3 · 10H2O, глауберова сіль Na2SO4 · 10H2O, гірка сіль MgSO4 · 7H2O та ін. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть процеси, що відбуваються під час розчинення безводного кальцій хлориду й амоній нітрату. 2. Охарактеризуйте склад кристалогідратів і наведіть приклади. 3. Поясніть застосування найпоширеніших кристалогідратів. 4. Обчисліть масову частку натрій сульфату в глауберовій солі Na2SO4 • 10H2O. 5. У воді масою 150 г розчинили кальцій хлорид масою 65,7 г. Обчисліть масову частку кальцій хлориду в утвореному розчині. 6. Перемалюйте кросворд у зошит і розв’яжіть його. У виділеному стовпці отримаєте загальну назву кристалогідратів, утворених сульфатами. 1. Речовини, що надають кислого смаку овочам і фруктам. 2. Солі сульфатної кислоти.

Тема 1. Розчини

3. 4. 5. 6.

Хімічний елемент із протонним числом +29. Властивість речовин розчинятися у воді або будь-якому розчиннику. Речовини, що містять у своєму складі певну кількість молекул води. Назва дощів, у яких містяться продукти взаємодії води з оксидами Сульфуру та Нітрогену. 7. Кристалогідрат, який використовують у медицині. 1 2 3 4 5 6 7 Цікаво знати

• Калій перманганат КMnO4 — речовина, відома вам тим, що, термічно розкладаючи її кристали, у лабораторних умовах одержують кисень. Цю речовину ще називають марганцівка — добре розчинні у воді кристали темно-фіолетового кольору. Її водні розчини використовують у медицині як антисептичний та кровоспинний засіб: для промивання ран — розчин із масовою часткою калій перманганату 0,1–0,5 %, у разі опіків — 2–5 %, під час ангіни та стоматитів — полощуть горло і рот розчином із масовою часткою калій перманганату 0,01–0,1 %.

§ 9. Електролітична дисоціація. ЕЛЕКТРОЛІТИ Й НЕЕЛЕКТРОЛІТИ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• розрізняти речовини, що належать до електролітів і неелектролітів; • формулювати визначення понять «електролітична дисоціація», «елек троліти», «неелектроліти»; • наводити приклади електролітів і неелектролітів; • характеризувати електроліти за ступенем дисоціації; • пояснювати суть процесу електролітичної дисоціації, вплив різних чинників на розчинність речовин; • висловлювати судження про здатність розчинів проводити або не про водити електричний струм залежно від хімічної природи розчиненої речовини.

Електроліти й неелектроліти. Вивчаючи розчини та розчинення речо вин, ви, мабуть, звернули увагу, що речовини розчиняються неодна ково. Це залежить від хімічної будови речовини й характеру розчин 42

§ 9. Електролітична дисоціація...

ника. Якщо розчиняються речовини моле кулярної будови, то в розчині наявні моле кули цих речовин, а під час розчинення йонних сполук — позитивно й негативно заряджені йони. Англійські вчені Г. Деві та М. Фарадей, досліджуючи властивості розчинів, випро бували їхню здатність проводити електрич ний струм. Вони встановили, що є речо Рис. 27. Прилад для дослі вини, розчини або розплави яких прово дження електропровідності речовин та їхніх розчинів дять електричний струм, і такі, розчини яких його не проводять. Щоб підтвердити ці дослідження, виконаємо демонстраційні досліди в лабораторних умовах. Для демонстрації використаємо при лад, зображений на рисунку 27. Він складається з двох вугільних елек тродів, з’єднаних дротами з електричною лампочкою та штепсельною вилкою, і хімічної склянки, у яку поміщають сухі речовини або їх роз чини. Дослідимо електропровідність таких речовин: кристалічних натрій хлориду й цукру; дистильованої води; розчинів натрій хлориду, цукру й натрій гідроксиду; хлоридної кислоти. Д о с л і д 1. Наллємо в склянку дистильовану воду, зануримо в неї вугільні електроди й замкнемо коло, увімкнувши вилку в електроме режу. Лампочка не світиться. Це свідчить про те, що дистильована вода не проводить електричний струм. Д о с л і д 2. Насиплемо на дно двох хімічних склянок сухі речовини: у першу — натрій хлорид, у другу — цукор. Знову зануримо почергово електроди в ці речовини й випробуємо їх на електропровідність. Лампочка в жодному з випадків не світиться. Отже, ні дистильована вода, ні сухі натрій хлорид і цукор не прово дять електричний струм. Д о с л і д 3. Використаємо склянку з натрій хлоридом і доллємо в нього дистильовану воду. Отримаємо розчин солі. Зануримо в розчин електроди й увімкнемо вилку в електромережу. Лампочка яскраво світиться. Це означає, що розчин натрій хлориду проводить електричний струм. Так само проводять струм і розчини інших солей. Очевидно, що під час розчинення йонних сполук, якими є солі, у розчині містяться йони, тобто заряджені частинки. Пригадайте з курсу фізики, що є провідниками електричного струму в металах.

У розчинах зарядженими частинками є йони, їх рух у розчині й забезпечує проходження електричного струму. Вам уже відомо, що до йонних сполук також належать основи, зокрема добре розчинні у воді тверді сполуки — луги. Для підтвердження цього дослідимо на електропровідність розчин натрій гідроксиду. 43

Тема 1. Розчини

Д о с л і д 4. Наллємо в хімічну склянку розчин натрій гідроксиду й повторимо дослідження, як у досліді 3. Лампочка яскраво світиться. Д о с л і д 5. У склянку із сухим цукром доллємо дистильовану воду, зануримо електроди в розчин. Увімкнемо вилку в електромережу. Лампочка не світиться. Це вказує на те, що в розчині цукру у воді від сутні заряджені частинки. Отже, дослідники електропровідності розчинів (Г. Деві та М. Фарадей) класифікували речовини на дві групи: електроліти й неелектроліти (рис. 28). РЕЧОВИНИ

Електроліти

Електроліти — речовини, водні розчини яких або розплави проводять електричний струм.

Неелектроліти

Рис. 28. Схема класифікації речовин за електропровідністю розчинів

Сформулюйте самостійно визначення неелектролітів.

Наприклад, до неелектролітів належать цукор, гліцерол, спирт, глю коза, ацетон. Це сполуки, у яких ковалентні зв’язки слабо поляризовані. А чи є електролітами кислоти? Адже у вузлах їхніх кристалічних ґраток розміщені полярні молекули. Д о с л і д 6. Наллємо в хімічну склянку хлоридну кислоту й зануримо вугільні електроди. Після ввімкнення електричного струму лампочка яскраво світиться. Отже, кислоти, там само як солі й основи, є електролітами. Постає запитання, що є причиною електропровідності розчинів. Електролітична дисоціація. Вам уже відомо, що під час розчинення йон них сполук кристали під дією полярних молекул води руйнуються, а йони, що утворюють сполуку, поширюються між молекулами води. Механізм роз чинення під дією молекул води й гідратацію йонів ви вивчали в § 6. Унаслідок гідратації позитивно й негативно заряджені йони поширюються між моле кулами води до повного руйнування кристалічної ґратки (рис. 29). Розпад електроліту на йони під час розчинення у воді (або роз плавлення) називають електролітичною дисоціацією. Розглянувши рисунок 29, можна дійти висновку, що дипольні моле кули води з негативно зарядженими полюсами притягуються до пози тивно зарядженого йона Натрію Na+, а з позитивно зарядженими — до негативно зарядженого йона Хлору Cl–. Відбувається гідратація, і йони Натрію та Хлору стають гідратованими. 44

§ 9. Електролітична дисоціація...

Рис. 29. Схема дисоціації й утворення гідратованих йонів Натрію та Хлору

Дисоціацію йонних сполук записують за допомогою рівнянь, у яких гідратацію йонів не враховують. Наприклад, електролітичну дисоціа цію натрій хлориду скорочено зображають так: Na+Cl– = Na+ + Cl–. Повернемося до досліду 6 і з’ясуємо, чому кислоти, будучи ковалент ними сполуками, проводять електричний струм, тобто є електролітами. Щоб довести це, розглянемо механізм дисоціації кислот на прикладі дисоціації хлоридної кислоти, яка є розчином гідроген хлориду у воді. Відомо, що кислоти — ковалентні полярні сполуки. Чистий (сухий) гід роген хлорид — газ, який не проводить електричний струм, тобто він не містить заряджені частинки, хоча його молекули є диполями. Однак під час розчинення відбувається взаємодія між дипольними молекулами гідроген хлориду та води. Її суть полягає в тому, що до позитивно зарядженого полюса молекули гідроген хлориду молекули води притягуються своїми негатив ними полюсами, а до негативно зарядженого — позитивними. Це зумовлює поляризацію молекули, і спільна електронна пара ковалентного зв’язку повністю зміщується до атома Хлору. Такий процес називають йонізацією. Атом Гідрогену, втративши електрон, який утворив спільну електронну пару, перетворюється на йон Гідрогену Н+. Так само атом Хлору, приєднавши електрон, стає негативно зарядженим йоном Хлору Cl–. У розчині наявні позитивно й негативно заряджені йони, що є носіями електричного струму. Рівняння реакції дисоціації хлоридної кислоти має такий вигляд: → H+ + Cl–. HCl → Послідовність процесу йонізації гідроген хлориду зображено на рисунку 30. Поясніть самостійно, що означають у схемі (рис. 30) послідовно зображені процеси, які позначені цифрами 1–6 і літерами а, б, в, г. 1 4 2 3 6 5

а б в г Рис. 30. Схема йонізації гідроген хлориду з утворенням гідратованих йонів Гідрогену та Хлору (у молекулах води знак «+» означає δ+, а знак «–» означає δ–)

Тема 1. Розчини

Отже, можна зробити висновок, що електролітами є речовини з йон ним і ковалентним полярним хімічними зв’язками. Засновником теорії електролітичної дисоціації є шведський учений С. А. Арреніус. Сванте Август Арреніус (1859–1927) — видатний шведський фізик і хімік, автор теорії електролітичної дисоціації (1887 р.). У 1903 р. відзначений Нобелівською премією з хімії «як факт визнання особливого значення його теорії електролітичної дисоціації для розвитку хімії». Сформулював основні положення хімічної кінетики, висунув теорію виникнення життя на Землі (теорія панспермії). Академік Стокгольмської академії наук, почесний член інших академій наук. Ученому належать праці з біології, астрономії та астрофізики. З 1905 р. працював директором Нобелівського інституту в Стокгольмі.

Теорію електролітичної дисоціації, зокрема хімічний характер взає модії між розчинником і розчиненою речовиною, розвинули фізико-хі мік І. Каблуков та український хімік, академік В. Кістяківський. Ці вчені довели, що дисоціація — це не тільки фізичний, а й хімічний про цес. Зокрема, І. Каблуков увів у хімічну науку поняття «гідратація» (якщо розчинник не вода, то цей процес називають сольватація), а В. Кістяківський довів наявність у водних розчинах гідратованих йонів. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Залежно від хімічної природи речовини поділяють на електроліти й неелектроліти. • Електроліти — речовини, водні розчини яких (або розплави) проводять електричний струм. • Неелектроліти — речовини, водні розчини яких (або розплави) не проводять електричний струм. • Електролітична дисоціація — розпад електроліту на йони під час розчинення у воді (або розплавлення). • Йонізація — утворення електрично заряджених частинок (вільних електронів і йонів) з електрично нейтральних частинок середовища. • Засновником теорії електролітичної дисоціації був шведський фізико-хімік С. Арреніус; у подальшому вона була розвинена вченими І. Каблуковим і В. Кістяківським. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть, на які групи поділяють речовини за ознакою електропровідності їх розчинів. 2. Сформулюйте визначення понять «електроліти», «неелектроліти», «електролітична дисоціація».

§ 10. Електролітична дисоціація кислот... 3. Визначте, користуючись таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1, с. 223), які з речовин, записаних формулами, здатні дисоціювати у водних розчинах: а) КОН; б) H2SO4; в) Ag3PO4; г) AlCl3; ґ) Cu(OH)2; д) ZnBr2; е) HgS; є) FeSO4; ж) Ba(NO3)2. 4. Укажіть вид хімічного зв’язку, що є характерним для неелектролітів. А ковалентний полярний Б ковалентний неполярний В йонний Г водневий 5. Укажіть види хімічних зв’язків, характерні для електролітів. А ковалентний полярний Б ковалентний неполярний В йонний Г металічний Цікаво знати

• Теорія електролітичної дисоціації була застосована в лікарській практиці ще 1902 р. Розпад електролітів на йони та їхнє переміщення під дією постійного електричного струму використовують як фізіотерапевтичний метод лікування — електрофорез. Це введення лікарських препаратів крізь неушкоджену шкіру або слизові оболонки, коли одночасно діють гальванічний струм і лікарський препарат.

§ 10. ЕЛЕКТРОЛІТИЧНА ДИСОЦІАЦІЯ КИСЛОТ, ОСНОВ І СОЛЕЙ У ВОДНИХ РОЗЧИНАХ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• формулювати визначення понять «кислоти», «основи», «солі» відповідно до електролітичної дисоціації; • розуміти поняття «ступінчаста дисоціація»; • розрізняти катіони й аніони, утворені кислотами, основами та солями; • складати рівняння електролітичної дисоціації кислот, лугів і солей; • робити висновки про дисоціацію кислот, основ і солей у воді; • формувати здатність до безпечного поводження з речовинами; • виявляти катіони Гідрогену та гідроксид-аніони в розчинах.

З’ясуємо, чи виявляють спільні ознаки водні роз чини, утворені кислотами, основами та солями як пред ставниками основних класів неорганічних речовин. Електролітична дисоціація кислот. Вам уже відомо, як відбувається дисоціація хлоридної кислоти, а також механізм розчинення гідроген хлориду у воді (рис. 31). У хлоридній кислоті, тобто водному розчині гід роген хлориду, наявні 2 види йонів: позитивно заря джені катіони Гідрогену Н+ і негативно заряджені аніони Хлору Cl–. А чи так само дисоціюють кислоти, які, на від міну від хлоридної кислоти, мають у своєму складі кілька атомів Гідрогену та складні кислотні залишки?

Рис. 31. Дисоціація гідроген хлориду у водному розчині

Тема 1. Розчини

Дисоціація нітратної кислоти відбувається з утво ренням катіона Гідрогену та нітрат-аніона, що відо бражає рівняння дисоціації: → H+ + NO –. HNO3 → 3 У складі молекули сульфатної кислоти, на відміну від хлоридної та нітратної, наявні два атоми Гідрогену. Дослідники довели, що електролітична дисоціація сульфатної кислоти відбувається ступінчасто. Це озна чає, що у водному розчині спочатку відщеплюється від Рис. 32. Дисоціація молекули один йон Гідрогену, утворюючи складний сульфатної кислоти аніон HSO–, який продовжує дисоціювати на другий йон 4 у водному розчині Гідрогену та сульфат-аніон SO42–(рис. 32). За допомогою рівнянь цей процес записують так: → H+ + HSO – — І ступінь; H SO → 2

→ H+ + SO 2–— ІІ ступінь. HSO4– → 4 Отже, дисоціація сульфатної кислоти ступінчаста. Вона відбувається повніше за першим ступенем, ніж за другим. Складіть самостійно рівняння ступінчастої дисоціації ортофосфатної кислоти на І і ІІ ступенях.

Спільною для всіх кислот під час дисоціації є наявність катіонів Гідрогену Н+. Отже, у визначенні кислот упускають наявність проміж них аніонів кислотних залишків, оскільки вони різні за складом. Кислоти — це електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоціюють з утворенням катіонів лише одного виду — гідрато ваних катіонів Гідрогену. Однак процес дисоціації кислот є зворотним. Різнойменно заряджені йони, які утворюються в розчині, знову сполучаються в молекули вна слідок електростатичного притягання. Тому в рівнянні дисоціації кис лот ставлять знак зворотності. Наприклад: → H+ + Cl–. HCl → Записуючи рівняння електролітичної дисоціації, необхідно пам’я тати правило: сума зарядів катіонів та аніонів дорівнює нулю. Електролітична дисоціація основ Пригадайте визначення основ і вкажіть, які катіони й аніони входять до їхнього складу.

Серед основ водні розчини утворюють луги. Нерозчинні основи дисоціюють тільки під час розплавлення. Оскільки в складі лугів є катіони 48

§ 10. Електролітична дисоціація кислот...

металічних елементів і гідроксид-аніони, то саме такі йони утворюються внаслідок дисоціації (рис. 33). Наприклад, запишемо рівняння дисоціації калій і кальцій гідроксидів: КОН = К+ + ОН–; Са(ОН)2 = Са2+ + 2ОН–. Як бачимо, згідно з рівняннями, у процесі дисоці ації лугів однаковими є гідратовані гідроксид-аніони за наявності різних катіонів. Для лугів характерна повна дисоціація, оскільки вони належать до йонних сполук.

Рис. 33. Дисоціація натрій гідроксиду у водному розчині

Основи — це електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоцію-ють з утворенням аніонів лише одного виду — гідратова них гідроксид-аніонів. У розчинах кислот та основ катіони Гідрогену Н+ і гідроксид-іони ОН виявляють за зміною забарвлення індикаторів (рис. 34). –

Рис. 34. Зміна забарвлення індикаторів у кислотному й лужному середовищах Прокоментуйте самостійно рисунок 34.

Це допоможе успішно виконати лабораторний дослід 1. 49

Тема 1. Розчини

Лабораторний дослід 1

Виявлення йонів Гідрогену та гідроксид-іонів у розчинах Повторіть правила безпеки під час роботи з кислотами й лугами та суворо дотримуйтеся їх. Пригадайте, як кислоти та луги діють на індикатори. З а в д а н н я 1. Виявіть катіони Гідрогену в хлоридній і розчині суль фатної кислот, користуючись індикаторами: лакмусом, метиловим оран жевим, фенолфталеїном та універсальним індикатором. Зробіть відпо відні висновки. З а в д а н н я 2. Виявіть гідроксид-аніони в розчинах натрій та каль цій гідроксидів, користуючись індикаторами: лакмусом, метиловим оранжевим, фенолфталеїном, універсальним індикатором. Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті. Сформулюйте відповідні висновки. Речовина

Лакмус

Зміна забарвлення індикаторів Метиловий Універсальний Фенолфталеїн оранжевий індикатор

Кислоти Хлоридна Сульфатна Луги Натрій гідроксид Кальцій гідроксид

Електролітична дисоціація солей Пригадайте визначення солей і вкажіть, які катіони й аніони вони містять у своєму складі.

Солі — йонні сполуки, тому під час розчинення у воді вони повністю дисоціюють на йони. Ви вже спостерігали електропровідність розчину AgNO3 натрій хлориду, де носіями електричного струму є позитивно й негативно заряджені йони. У водному розчині арґентум(І) нітрат утворює два види йонів: катіони Арґентуму(І) Ag+ і нітрат- аніони NO–3 (рис. 35). Дисоціацію натрій броміду, магній сульфату, Ag+ алюміній хлориду відображають такі рівняння: NaBr = Na+ + Br–; 2– MgSO4 = Mg2+ + SO4 ; – NO3 AlCl3 = Al3+ + 3Cl–. Рис. 35. Дисоціація арґентум(І) нітрату у водному розчині

Правило сума зарядів катіонів та аніонів дорівнює нулю діє як для кислот, так і для основ і солей.

§ 10. Електролітична дисоціація кислот...

Отже, у процесі дисоціації йонних сполук — лугів і солей — у водних розчинах утворюються ті катіони й аніони, що є в складі їхніх формуль них одиниць. Кислоти, як полярні молекулярні сполуки, дисоціюють й одночасно можуть знову сполучатися (асоціювати) у молекули. Тому визначення солей з урахуванням положень теорії електролітич ної дисоціації подамо так. Солі — це електроліти, які у водних розчинах дисоціюють на гідра товані катіони металічних елементів та аніони кислотних залишків. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Електролітична дисоціація у водних розчинах (розплавах) властива кислотам, лугам (основам) і солям. Унаслідок дисоціації утворюються йони, що характеризують кожний із цих класів речовин. • Кислоти — електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоціюють з утворенням катіонів лише одного виду — гідратованих катіонів Гідрогену. • Під час дисоціації кислот одночасно відбувається протилежний процес — асоціація, тобто з’єднання різнойменно заряджених йонів у молекули внаслідок дії електростатичних сил притягання. • Основи — електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоціюють з утворенням аніонів лише одного виду — гідратованих гідроксид-іонів. • Солі — електроліти, які у водних розчинах (та/або розплавах) дисоціюють з утворенням гідратованих катіонів металічних елементів та аніонів кислотних залишків. • Правило сума зарядів катіонів та аніонів дорівнює нулю діє для всіх електролітів під час складання рівнянь дисоціації. • Катіони Гідрогену та гідроксид-аніони виявляють за допомогою індикаторів. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть йони, що утворюються під час розчинення у воді речовин, поданих формулами: а) Fe(NO3)3, H3PO4, Ba(OH)2; б) Fe2(SO4)3, LiOH, H2SO4; в) H2SO3, KOH, Ca(NO3)2.

→ H+ + HS–; HS– → → H+ + S2–; 2. Прочитайте рівняння дисоціації та поясніть їх: а) H2S → – – + 2+ б) NaOH = Na + OH ; в) Zn(NO3)2 = Zn + 2NO3.

3. Складіть формули сполук за назвами йонів, що утворюються під час їхньої дисоціації, і назвіть їх: а) катіон Кальцію та нітрат-аніон, катіон Плюмбуму(ІІ) і хлорид-аніон, катіон Гідрогену й ортофосфат-аніон; б) катіон Алюмінію та сульфатаніон, катіон Гідрогену та йодид-аніон, катіон Барію та гідроксид-аніон. 4. Складіть рівняння дисоціації речовин, поданих формулами, і назвіть утворені йони: а) Na2S, LiOH, HBr; б) НI, Mg(NO3)2, KOH. 5. Складіть формули електролітів і рівняння дисоціації, під час яких утворюються: а) катіон Натрію та силікат-аніон, катіон Гідрогену й ортофосфат-аніон; б) катіон Меркурій(ІІ) і нітрат-аніон, катіон Барію та гідроксид-аніон. 6. Складіть рівняння дисоціації речовин у водних розчинах і вкажіть загальну кількість катіонів та аніонів, що утворюються під час дисоціації однієї формульної одиниці речовини: а) бромідної та сульфітної кислот; б) літій і барій гідроксидів; в) ферум(ІІІ) сульфату й купрум(ІІ) хлориду.

Тема 1. Розчини

§ 11. Ступінь електролітичної дисоціації. СИЛЬНІ Й СЛАБКІ ЕЛЕКТРОЛІТИ. ПОНЯТТЯ ПРО рН РОЗЧИНУ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• формулювати визначення понять «ступінь електролітичної дисоціа ції», «сильні електроліти», «слабкі електроліти», «рН розчину»; • розрізняти сильні й слабкі електроліти; рН лужного, кислотного та ней трального середовищ; • характеризувати електроліти за ступенем дисоціації; • наводити приклади сильних і слабких електролітів; • оцінювати важливість рН розчинів для визначення якості харчової, косметичної продукції тощо.

Ступінь електролітичної дисоціації. Вивчаючи дисоціацію кислот, основ і солей, ви дізналися, що у водних розчинах вони дисоціюють на йони. Однак на прикладі ступінчастої дисоціації кислот переконалися, що одночасно із розчиненням відбувається протилежний процес — асоціація, яка полягає в сполученні різнойменно заряджених йонів з утворенням молекул. Зауважимо, що на другій або третій стадії дисоці ації кислот розпад на йони сповільнюється. Це є доказом того, що про цес дисоціації зворотний, а полярні молекулярні сполуки дисоціюють частково. Тому для кількісної характеристики процесу дисоціації вико ристовують поняття «ступінь електролітичної дисоціації». Ступінь електролітичної дисоціації — це відношення кількості молекул (формульних одиниць), що розпалися на йони, до загальної кількості молекул (формульних одиниць) розчиненої речовини. Ступінь електролітичної дисоціації позначають грецькою літерою α (читають «альфа») і так само, як масову частку, виражають у частках від одиниці або у відсотках. Ступінь електролітичної дисоціації обчислюють за формулою α=

n (дис.) n (заг.)

або α =

n (дис.) n (заг.)

· 100 % ,

де n (дис.) — кількість молекул (формульних одиниць) електроліту, що розпалися на йони; n (заг.) — загальна кількість молекул (формульних одиниць) електроліту. Ступінь електролітичної дисоціації залежить від кількох чинників: 1) природи розчинника й розчиненої речовини; 2) температури; 3) концентрації розчину. 52

§ 11. Ступінь електролітичної дисоціації...

У полярних розчинниках дисоціація відбувається швидше, а отже, що більш полярний розчинник, то більший ступінь електролітичної дисоціації. Природа (структура) електролітів теж відіграє важливу роль: йонні сполуки дисоціюють у полярному розчиннику (воді) повністю, а молекулярні — частково. З підвищенням температури ступінь дисоціації підвищується. Ступінь дисоціації обернено пропорційний концентрації розчину. Якщо ж до розчину електроліту долити розчинник (воду), то концентра ція електроліту зменшується і ступінь дисоціації підвищується. Отже, що менша концентрація, то віддаленіші йони між собою та менш імовірне утворення зв’язків між молекулами. Сильні й слабкі електроліти. За ступенем електролітичної дисоціації електроліти поділяють на сильні й слабкі. До сильних електролітів належать ті, ступінь дисоціації яких висо кий і наближається до 1, або до 100 %. Сильними електролітами є переважна більшість солей, луги, деякі безоксигенові й оксигеновмісні кислоти. Слабкі електроліти, як вам уже відомо, частково дисоціюють на йони, тому ступінь їх дисоціації низький і становить менше 3 % (рис. 36). Класифікацію електролітів за ступенем електролітичної дисоціації зо бражено на рисунку 37.

Рис. 36. Дисоціація карбонатної кислоти

Дослідники електропровідності розчинів виявили також електроліти середньої сили. Ступінь їх дисоціації коливається від 0,3 до 0,03. Це стосу ється кислот, серед яких розрізняють сильні, середньої сили та слабкі. Приклади сильних і слабких кислот наведено в схемі на рисунку 37 (с. 54). До кислот середньої сили належать HF, H2SO3, H3PO4. Поняття про рН розчину. Показник рН (читають «пе-аш») характе ризує концентрацію йонів Гідрогену в розчинах. Класифікуючи елек троліти на сильні й слабкі, дослідники електролітичної дисоціації 53

Тема 1. Розчини

ЕЛЕКТРОЛІТИ

СИЛЬНІ — електроліти, ступінь дисоціації яких високий α ≈ 1, або 100 %.

NaCl, Na2SO4, CaI2, Cu(NO3)2 і майже всі солі; NaOH, KOH, Ca(OH)2 та інші луги; НCl, H2SO4, HNO3, HBr, HI, HClO4 — кислоти.

СЛАБКІ — електроліти, ступінь дисоціації яких низький α ≈ 0,1–1 %.

Органічні кислоти: молочна, ацетилсаліцилова, оцтова, аскорбінова й ін.; неорганічні кислоти: H2CO3, H2S, H2SiO3, HClO, HNO2; гідроксиди металічних елементів (крім лугів).

Рис. 37. Схема класифікації електролітів за ступенем електролітичної дисоціації

з’ясували, що вода є слабким електролітом. Її молекули дисоціюють на йони Н+ і ОН—, які перебувають у рівновазі з недисоційованими моле кулами. Рівняння дисоціації води: → Н+ + ОН–. Н2О → Отже, кількості катіонів Гідрогену відповідає така сама кількість гідроксид-іонів. Результати дослідження дисоціації води свідчать, що за кімнатної (+20–25 °С) температури в 1 л дисоціює вода кількістю речовини 10–7 моль. Отже, у воді об’ємом 1 л містяться катіони Гідрогену й гідроксид-іони по 1·10–7 моль кожного, або 0, 000 000 1 моль. Для чистої води pH = 7. З попередніх уроків хімії вам відомо, що кислотне середовище роз чинів зумовлено кислотами, оскільки під час дисоціації вони утворю ють йони Гідрогену, а лужне середовище — лугами, які дисоціюють на гідроксид-іони. Коли ж вміст катіонів Гідрогену та гідроксид-аніонів однаковий, то вони нейтралізують один одного й середовище є нейтраль ним. Тому показник рН нейтрального середовища становить 7. Якщо до води додати кислоту, то концентрація йонів Гідрогену в розчині збільшиться, а концентрація гідроксид-іонів зменшиться. У разі доливання лугу в розчині зменшується концентрація йонів Гідрогену, але збільшується концентрація гідроксид-аніонів. Інакше кажучи, якщо в розчині переважають катіони Гідрогену, реакція стає кислотною, а якщо гідроксид-аніони — лужною. Отже, використовуючи показник рН, реакцію розчинів можна подати так: рН = 7 — середовище нейтральне, рН < 7 — середовище кислотне, рН > 7 — середовище лужне (табл. 6). 54

§ 11. Ступінь електролітичної дисоціації... Таблиця 6

Залежність зміни забарвлення індикаторів від рН розчину Індикатор Лакмус Метиловий оранжевий Фенолфталеїн

рН 0

Сильнокислотне

Слабкокислотне

Слабколужне

Сильнолужне

Не змінює забарвлення Посилюється кислотність середо вища

Посилюється лужність середовища

Проаналізувавши таблицю 6, можна зробити висновок: що менше значення рН розчину, то більша концентрація йонів Н+ і вища кислот ність. Зі збільшенням значення рН кислотність послаблюється, а ней тральність та основність середовища посилюються. Значення рН має важливе значення в природі, зокрема для біохімічних процесів в організмі людини. Цей показник використовують для оціню вання виробничих процесів у хімічній та харчовій галузях промисловості, у лабораторній практиці, сільському господарстві, для діагностування захворювань організму людини. Наприклад, значення рН крові здорової людини дорівнює 7,4 (реакція слабколужна), шлункового соку — 1,4–1,7 (реакція сильнокисла), шкіри — 5,5 (слабкокисла), сліз — 7,0 (нейтральна). Для нормального росту й розвитку рослин важливою є реакція ґрун тового розчину. Рослини погано ростуть і дають низькі врожаї на силь нокислотних або сильнолужних ґрунтах. Для зміни рН ґрунтів їх вап нують (якщо кислотні) і гіпсують (якщо лужні), тобто додають у ґрунт відповідні речовини. У харчовій галузі промисловості важливо враховувати рН середо вища під час консервування продуктів для їхнього захисту від гниліс них бактерій, плісневих грибів, збереження кольору та поліпшення смакових якостей. Наприклад, оцтову, лимонну й інші кислоти вико ристовують для зниження рН продукту консервації, що захищає його від бактерій. У побутових умовах подібні технології застосовують під час виготовлення маринадів для овочів і фруктів, м’яса й риби, а в промисловості — у виробництві майонезу та різних соусів. Для регулювання рН харчових продуктів також використовують бурштинову кислоту. Її додають, наприклад, до соків. Окрім того, бурштинову кислоту застосовують для лікування захворювань серцево-судинної, дихальної та ендокринної систем, оскільки вона ре гулює процеси дихання, серцеву й розумову діяльність. 55

Тема 1. Розчини

Показник рН регулюють такі кислоти, як молочна, винна й орто фосфатна, що набули застосування на заводах із виробництва кисломо лочних продуктів, кондитерських виробів і безалкогольних напоїв. Усі згадані вище кислоти додають до продуктів як харчові добавки з відповідними Е-числами, дотримуючись норм додавання, щоб вплив на організм людини був нешкідливим. На упаковках із рідкими косметичними засобами дуже часто вказу ють рН, який становить 5,5. Це оптимальна концентрація катіонів Гідрогену для догляду за шкірою. Отже, за ступенем електролітичної дисоціації електроліти поділяють на сильні й слабкі. Залежно від того, які йони переважають у роз чинах, середовище може бути кислотним (кон центрація йонів Н+ більша, ніж йонів ОН–) або лужним (концентрація йонів ОН– більша, ніж йонів Н+). Якщо ж концентрація йонів Н+ і ОН– однакова, то розчин нейтральний. Значення рН у лабораторіях визначають за допомогою спеці Рис. 38. Портативний ального приладу — рН-метра (рис. 38). рН-метр

Лабораторні досліди 2, 3

Установлення приблизного значення рН води, лужних кислотних розчинів (натрій гідроксиду хлоридної кислоти, харчової та косметичної продукції) за допомогою універсального індикатора Повторіть правила безпеки під час роботи з кислотами й лугами та суворо дотримуйтеся їх. Пригадайте, як кислоти й луги діють на індикатори. З а в д а н н я 1. Визначте рН дистильованої, водопровідної, фасова ної та мінеральної газованої води за допомогою універсального індика тора. З а в д а н н я 2. Визначте рН свіжого молока, кефіру, ряжанки, йогурту за допомогою універсального індикатора. З а в д а н н я 3. Визначте рН кремів для обличчя та рук, шампуню для миття волосся, які доступні вам для дослідження, за допомогою універ сального індикатора. Зіставте результати всіх трьох досліджень з даними таблиці 7 і запи шіть їх у таблицю досліджень у зошиті. Сформулюйте відповідний висновок про користь цих продуктів для організму.

§ 11. Ступінь електролітичної дисоціації... Таблиця 7

Зміна забарвлення універсального індикатора в кислотному та лужному середовищах Середовище розчину

рН

Сильнокислотне

0,0

1,0

2,0

3,0

Слабкокислотне

4,0

5,0

Нейтральне

Універсальний індикаторний папір

6,0

Слабколужне

7,0 8,0

Сильнолужне

9,0 10,0 11,0 12,0

Забарвлення

Таблиця результатів досліджень Продукція

Забарвлення універсального індикатора

Значення рН

Середовище розчину

Висновок

Дистильована вода Водопровідна вода Фасована вода Мінеральна газована вода Свіже молоко Кефір Ряжанка Йогурт Крем для обличчя Крем для рук Шампунь ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Ступінь електролітичної дисоціації — відношення кількості молекул (формульних одиниць), що розпалися на йони, до загальної кількості молекул (формульних одиниць) розчиненої речовини. Математичні вирази:

α=

n (дис.) n (заг.)

або

α=

n (дис.) n (заг.)

· 100 %

За ступенем дисоціації електроліти поділяють на сильні й слабкі.

Тема 1. Розчини

• Сильні електроліти — електроліти, ступінь дисоціації яких високий (α ≈ 1, або 100 %). • Слабкі електроліти — електроліти, ступінь дисоціації яких низький (α < 3 %). • Показник рН (читають «пе-аш») характеризує концентрацію йонів Гідрогену в розчинах. Використовуючи показник рН, реакцію розчинів можна подати так: рН = 7 — середовище нейтральне, рН < 7 — середовище кислотне, рН > 7 — середовище лужне. Показник рН має велике практичне значення в природі, у виробничих процесах хімічної, легкої та харчової галузей промисловості, у лабораторній практиці, сільському господарстві тощо. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Складіть рівняння електролітичної дисоціації речовин, поданих формулами: а) Na2SО3, NaOH, H2S, HF; б) НI, NaNO3, KOH, H3PO4; в) H2SO3, H2CO3, СrCl3, Ba(OH)2; г) Сa(OH)2, H2SO4, ZnBr2, HNO3. 2. Укажіть формули речовин, що належать до сильних електролітів: a) Al(OH)3, FeCl2, H2SO3, Ba(OH)2; б) CuS, MgSO4, NaOH, CaSO3. 3. Cкладіть формули всіх можливих речовин, під час дисоціації яких утворюються – 2– 2– такі катіони й аніони: Zn2+, SO4 , H+, S2–, CO 3 , Ba2+, NO 3 , OH–. Класифікуйте їх на сильні й слабкі електроліти. 4. Із 30 молекул сульфідної кислоти не продисоціювали 26. До яких електролітів — сильних або слабких — належить ця кислота? Поясніть чому. 5. Визначте за допомогою універсального індикатора стан здоров’я власного організму, дослідивши проби своєї слини впродовж дня, якщо рН слини (за нормою) має становити 6,4–6,8. 6. Безводний кальцій хлорид використовують для очищення від вологи багатьох органічних рідин. Обчисліть масу безводної солі та кристалізаційної води в кристалогідраті масою 153,3 г, якщо його формула — CaCl2 · 6H2O. Цікаво знати

• Серед оксигеновмісних кислот найсильнішою є перхлоратна HClO 4. Вона добре дисоціює у воді та певних органічних розчинниках. Найслабшою кислотою є ортоборатна Н 3ВО 3, яка дисоціює дуже слабко. Тому виявити йони Гідрогену в розчині цієї кислоти за допомогою індикаторів практично неможливо.

§ 12. Реакції обміну між електролітами в розчинах...

§ 12. Реакції обміну між електролітами в розчинах, УМОВИ ЇХ ПЕРЕБІГУ. ЙОННО-МОЛЕКУЛЯРНІ РІВНЯННЯ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• розрізняти реакції обміну, що відбуваються в розчинах електролітів, умови їх перебігу та випадки, коли вони відбуваються; • наводити приклади реакцій обміну; • пояснювати умови реакцій йонного обміну, які відбуваються в розчи нах електролітів; йонно-молекулярні рівняння; • складати рівняння реакцій йонного обміну в розчинах електролітів; • виконувати лабораторні досліди з використанням реакцій йонного обміну, які відбуваються в розчинах електролітів; • спостерігати явища, які супроводжують реакції йонного обміну, і їх ознаки; • оцінювати важливість реакцій йонного обміну, їх значення в життєді яльності організмів. Пригадайте з курсу хімії 8 класу, які реакції називають реакціями обміну.

Реакції обміну в розчинах електролітів. Вам уже відомо, що реакції обміну відбуваються між двома складними речовинами і чимало речо вин, зокрема кислоти, луги та солі, внаслідок розчинення у воді розпа даються на йони. Отже, якщо речовини реагують у розчинах, то відбува ється обмін між наявними в цих розчинах йонами. Реакції обміну, що відбуваються в розчинах електролітів, нази вають йонними. Суть реакцій обміну в розчинах електролітів полягає у видаленні пев них йонів із розчину. Тому йонні реакції на письмі відображають йон ними рівняннями, що вказують на ті йони, які взяли участь у реакції. Виконаємо демонстраційний дослід 1. Д о с л і д 1. Взаємодія лугу з кислотою (реакція нейтралізації). Наллємо в пробірку розчин натрій гідроксиду. Доллємо один за одним розчин фенолфталеїну й розчин нітратної кислоти. Пригадайте, для чого потрібно під час проведення реакцій нейтралізації до лугу доливати розчин фенолфталеїну.

Під час доливання розчину індикатора забарвлення розчину зміню ється на малинове, а після доливання кислоти розчин знебарвлюється. Це означає, що реакція відбулася. Складемо молекулярне рівняння реакції: NaOH + HNO3 = NaNO3 + H2O. Пам’ятаючи, що натрій гідроксид і нітратна кислота є сильними електролітами, запишемо їхню дисоціацію на йони: – Na+ + OH– + H+ + NO3 . 59

Тема 1. Розчини

Отже, під час змішування цих речовин у їхніх водних розчинах був саме такий набір йонів. Щоб завершити складання рівняння реакції, проаналізуємо утворені речовини. Для цього скористаємося таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1, с. 223). Сіль натрій нітрат є добре розчинною у воді й сильним електролітом. – У розчині після реакції залишаються незмінними йони Na+ і NO 3 . Отже, у реакції взяли участь йони H+ і OH–, утворивши малодисоційовані молекули води. На основі молекулярного рівняння складають повне та скорочене йонні рівняння. У повному рівнянні записують усі йони до реакції та йони й недисоційовані новоутворені сполуки. Повне йонне рівняння нейтралізації має такий вигляд: –

–

Na+ + OH– + H+ + NO 3 = Na+ +NO3 + Н2О. Скоротивши йони, які є до й після реакції, отримаємо скорочене йонне рівняння: OH– + H+ = Н2О. Отже, суть реакції нейтралізації, яка належить до реакцій обміну у водному розчині, полягає у взаємодії гідроксид-іонів з йонами Гідрогену з утворенням малодисоційованих молекул води. Очевидно, що реакції обміну в розчинах електролітів полягають у взаємодії йонів між собою. Умови перебігу реакцій обміну в розчинах електролітів. Ви вже з’ясували, що в розчинах електролітів основними реагентами є йони, на які ці електроліти розпадаються внаслідок розчинення. Це основна умова будь-якої реакції обміну, що відбувається в розчині. Ви також спостері гали, що в процесі реакції нейтралізації утворюється малодисоційована сполука — вода. Це один із трьох випадків реакцій йонного обміну, бо вода є слабким електролітом. Виконаємо демонстраційний дослід 2. Д о с л і д 2. Взаємодія арґентум(І) нітрату з натрій йодидом. У пробірку з розчином арґентум(І) нітрату доллємо краплями розчин натрій йодиду. Спостерігаємо випадання жовтого осаду. З’ясуємо, які йони взяли участь у реакції: AgNO3 + NaI = AgI↓ + NaNO3; –

–

Ag+ + NO3 + Na+ + I– = AgI↓ + Na+ + NO3. За таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1) визначаємо, що арґентум(I) йодид випав в осад, оскільки ця сіль є нерозчинною у воді. Тому в рівняннях реакцій біля AgI ставимо стрілку донизу. 60

§ 12. Реакції обміну між електролітами в розчинах ...

Суть цієї реакції полягає у взаємодії йонів Ag+ і I– з утворенням недисоційованої сполуки AgI, що випала в осад. Скорочене йонне рівняння записуємо так: Ag+ + I– = AgI↓. жовтий осад

Отже, другий випадок, коли реакції обміну в розчинах електролітів від буваються, — це утворення нерозчинної речовини, яка випадає в осад. Виконаємо демонстраційний дослід 3. Д о с л і д 3. Взаємодія калій сульфіту з хлоридною кислотою. У про бірку з розчином калій сульфіту доллємо хлоридну кислоту. Під час реак ції утворюються бульбашки, що свідчить про виділення газу (рис. 39). Складемо рівняння реакції: K2SO3 + 2HCl = 2KCl + H2SO3. Вам уже відомо, що сульфітна кислота є нестійкою, вона розпада ється на сульфур(ІV) оксид і воду. Тому рівняння реакції можна подати інакше: K2SO3 + 2HCl = 2KCl + SO2↑+ H2O. Йонні рівняння в повній та скороченій формах запишемо так: 2– – 2К+ + SO 3 + 2H+ + 2Cl = 2К+ + 2Cl– + SO2↑+ H2O; 2– 2H+ + SO = SO2↑ + H32O. Отже, реакція обміну відбулася між катіо нами Гідрогену й сульфіт-аніонами, унаслідок чого утворилися молекули сульфур(ІV) оксиду та води. Утворення і виділення газу свідчить про те, що реакція йонного обміну в розчинах електро літів відбулася. Це третій випадок, коли реакції в розчинах електролітів відбуваються. Підсумовуючи результати демонстраційних Рис. 39. Взаємодія калій сульфіту з хлоридною дослідів, робимо висновок, що основною умовою кислотою реакцій обміну є наявність у розчинах катіонів та аніонів, які реагують між собою. Реакції відбуваються у випадках, коли: 1) утворюється речовина, що є слабким електролітом; 2) утворюється нерозчинний або малорозчинний продукт реакції, який випадає в осад; 3) утворюється і виділяється газ. Складіть самостійно три рівняння реакцій йонного обміну між електролітами в розчині, коли задовольняються окремо всі три умови.

Щоб набути досвід дослідницької роботи, виконаємо лабораторні досліди 4, 5, 6. 61

Тема 1. Розчини

Лабораторний дослід 4 Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються випаданням осаду

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами, лабораторним посудом і приладдям та суворо дотримуйтеся їх. Пригадайте умову та три випадки перебігу реакцій йонного обміну. З а в д а н н я. Здійсніть і дослідіть реакції йонного обміну, що відбува ються у водних розчинах між: а) двома солями; б) сіллю та кислотою; в) сіллю та лугом. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку розчин барій хлориду об’ємом 1,5–2 мл і долийте такий самий об’єм розчину натрій силікату. Що спостері гаєте? Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реак цій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Д о с л і д 2. Налийте в пробірку розчин натрій силікату об’ємом 1,5–2 мл і долийте такий самий об’єм хлоридної кислоти. Що спостері гаєте? Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реак цій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Д о с л і д 3. Налийте в пробірку розчин купрум(ІІ) сульфату об’ємом 1,5–2 мл і долийте такий самий об’єм розчину натрій гідроксиду. Що спостерігаєте? Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті. Сформулюйте загальний висновок. Реагенти

Результати спостережень. Молекулярні та йонні рівняння

Висновок

Дослід 1 Дослід 2 Дослід 3

Загальний висновок: _________________________________ Лабораторний дослід 5 Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються виділенням газу

Дотримуйтеся правил безпеки так само, як під час виконання лабораторного досліду 2. З а в д а н н я. Здійсніть і дослідіть реакції йонного обміну, що відбува ються у водних розчинах між сіллю та кислотою, якщо: а) сіль у розчині; б) сіль у твердому стані. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку розчин натрій (калій) карбонату об’ємом 2–2,5 мл та долийте (обережно!) розчин сульфатної кислоти. Що спостерігаєте? Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рів няння реакцій. Зробіть висновки з ваших спостережень. 62

§ 12. Реакції обміну між електролітами в розчинах ...

Д о с л і д 2. Покладіть у пробірку подрібнений кальцій карбонат (крейду) і долийте розчин нітратної кислоти. Що спостерігаєте? Складіть йонномолекулярні рівняння реакцій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Зверніть увагу, що речовина взаємодіє в нерозчиненому стані, а отже, не дисоціює на йони. Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті. Сформулюйте загальний висновок. Лабораторний дослід 6 Реакції обміну між електролітами у водних розчинах, що супроводжуються утворенням води

З а в д а н н я. Здійсніть і дослідіть реакції йонного обміну, що відбу ваються між основою та кислотою, якщо: а) основа розчинна у воді; б) основа нерозчинна. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку розчин калій (натрій) гідроксиду об’ємом 1,5–2 мл і додайте кілька крапель фенолфталеїну. Долийте (обережно!) розчин сульфатної кислоти. Що спостерігаєте? Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. Зробіть висно вки з ваших спостережень. Д о с л і д 2. Налийте в пробірку розчини солі Купруму(ІІ) та лугу об’ємом по 1,5–2 мл. Унаслідок взаємодії цих речовин утворюється нерозчинна основа купрум(ІІ) гідроксид, яка випадає в осад. Долийте до цього осаду хлоридну кислоту. Що спостерігаєте? Складіть йонно-моле кулярні рівняння реакцій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Зверніть увагу, що речовина, яка реагує, є нерозчинною, а отже, не дисоціює на йони. Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті. Сформулюйте загальний висновок. Йонно-молекулярні рівняння хімічних реакцій. Проаналізувавши записи рівнянь реакцій, можна зробити висновок, що під час реакцій йонного обміну між розчинами електролітів утворюються недисоційовані речо вини та йони. Рівняння реакцій записуємо за допомогою формули, що вказує на склад формульної одиниці. Але традиційно їх називають молекулами. Сформулюємо відповідне визначення йонно-молекуляр ного рівняння реакції. Рівняння хімічних реакцій, які містять не тільки йони, а й фор мули сполук, називають йонно-молекулярними. Отже, усі записані в параграфі рівняння реакцій, окрім тих, що подані в молекулярній формі, належать до йонно-молекулярних рівнянь. 63

Тема 1. Розчини

За йонно-молекулярними рівняннями реакцій можна складати моле кулярні рівняння. Наприклад, маємо скорочене йонно-молекулярне рівняння реакції H+ + OH– = Н2О. Як вам уже відомо, воно відповідає реакції нейтралізації. Узявши два сильні електроліти — кислоту й луг, отримаємо молекулярне рівняння відповідної реакції, наприклад: Н2SO4 + 2КОН = K2SO4 + 2H2O. Так само можна записувати молекулярні рівняння реакцій, що від буваються з утворенням нерозчинної речовини чи газу. Для запису таких рівнянь важливо вміти користуватися таблицею розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1). Складіть самостійно молекулярні рівняння реакції на основі йонно-молекулярних: 2– а) Са2+ + СО3 = СаСО3↓; б) 2Н+ + СО32–= СО2↑+ Н2О.

Розглянемо ще один випадок реакції обміну. Візьмемо, наприклад, розчин кальцій нітрату й доллємо до нього розчин натрій хлориду. Запишемо молекулярне рівняння реакції: Ca(NO3)2 + 2NaCl = CaCl2 + 2NaNO3. З’ясуємо, які йони містяться в розчині до й після реакції: – Са2+ + 2NO3 + 2Na+ + 2Cl– ≠ Са2+ + 2Cl– + 2Na+ + 2NO–3 . Із йонного рівняння бачимо, що взаємодії між йонами не відбулося, а отже, і реакція йонного обміну теж не відбулася. У цьому випадку знак «=» перекреслюють. Реакції йонного обміну є біологічно важливими для існування живих організмів. Вони повсякчас відбуваються в рослинних і тваринних клітинах і в організмі людини. За їхньою участю підтримується клітинний потенціал, який проводить нервові імпульси й відіграє важливу роль у регуляції нерво вої системи. Крім того, реакції йонного обміну беруть участь в обміні речо вин, порушення якого призводить до різних захворювань. Як приклад, розглянемо порушення норми йонів Гідрогену в шлунко вому соку людини. Зі зменшенням кількості цих йонів виникає знижена кислотність, що не сприяє нормальному перетравленню їжі. Зі збільшен ням кількості йонів Гідрогену кислотність підвищується, що призводить до гастриту та виразки шлунка. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Реакції обміну, що відбуваються в розчинах електролітів, називають йонними, а записи рівнянь реакцій — йонними рівняннями хімічних реакцій. • Основною умовою реакцій йонного обміну є наявність у розчинах йонів, здатних взаємодіяти між собою. • Реакції йонного обміну відбуваються, якщо: 1) утворюються малодисоційовані речовини (вода); 2) утворюється нерозчинна речовина, яка випадає в осад; 3) утворюється і виділяється газ. • Рівняння хімічних реакцій, які містять не тільки йони, а й формули сполук, називають йонно-молекулярними.

§ 12. Реакції обміну між електролітами в розчинах ... • Реакції йонного обміну виконують біологічно важливі функції в організмах людини, рослин і тварин. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Визначте, між якими попарно взятими речовинами реакції йонного обміну відбудуться: а) ZnCl2 i AgNO3; б) KCl i HNO3; в) FeCl3 i NaOH; г) Al(NO3)3 i NaBr; ґ) K2SO4 i Ba(OH)2; д) Na2CO3 i HCl. 2. Складіть рівняння реакцій між електролітами в розчині в молекулярній, повній та скороченій йонних формах, де це можливо: а) FeCl2 + LiOH → ... ; б) Ca(NO3)2 + Na2CO3 → ... ; в) BaCl2 + K2CO3 → ... ; г) Na2SO3 + HCl → ... ; ґ) HNO3 + KOH → ... . 3. Складіть молекулярні рівняння, що відповідають поданим йонно-молекулярним: а) Zn2+ + S2– = ZnS↓; б) Fe2+ + 2OH– = Fe(OH)2 ↓; в) H+ + OH– = Н2О; г) MgCO3 + 2– + 2H+ = Mg2+ + CO2↑+ H2O; ґ) Ca2+ + CO3 = CaCO3↓; д) 2H+ + S2– = H2S↑; е) Al(OH)3 + + 3H+ = Al3+ + 3H2O. 4. Складіть молекулярні та йонно-молекулярні рівняння реакцій між попарно взятими речовинами: а) сульфатна кислота й барій гідроксид; б) калій гідроксид і ферум(ІІІ) хлорид; в) натрій сульфіт і хлоридна кислота; г) купрум(ІІ) гідроксид і нітратна кислота; ґ) барій нітрат і натрій сульфат; д) кальцій карбонат і сульфатна кислота. 5. Складіть молекулярні та йонно-молекулярні рівняння реакцій за поданими схемами. Назвіть речовини або йони, подані кольоровими літерами (А, Б+, В–): – а) А + 2H+ → Cr2+ + 2H2O; б) SO32 + 2Б+ → SO2↑ + H2O; в) Zn2+ + 2B– → Zn(OH2)↓.

Практична робота 1 Реакції йонного обміну між електролітами у водних розчинах Виконавши цю практичну роботу, ви зможете:

• закріпити вміння й набути навички самостійно виконувати досліди, що підтверджують реакції йонного обміну між електролітами у вод них розчинах; • спостерігати ознаки перебігу хімічних реакцій між електролітами у водних розчинах; • набути практичні вміння роботи з речовинами й обладнанням; • робити висновки про набуті вміння й навички.

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами, лабораторним посудом і приладдям та суворо дотримуйтеся їх. Мета роботи: закріпити на практиці знання про реакції йонного обміну між електролітами в розчинах; набути вміння самостійно вико нувати запропоновані завдання, робити відповідні висновки. Варіанти практичної роботи (І–ІІІ) подані за підвищенням склад ності завдань і відповідають різним рівням навчальних досягнень учнів. 65

Тема 1. Розчини

І варіант 1. Здійсніть реакції йонного обміну між попарно взятими електролі тами в розчинах. Укажіть ознаки, які свідчать, що реакції відбулися між: а) натрій карбонатом і нітратною кислотою; б) барій хлоридом і калій сульфатом; в) натрій гідроксидом і сульфатною кислотою. Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. 2. Одержіть нерозчинну основу реакцією обміну, нейтралізуйте її хлоридною кислотою. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонно-молекулярній формах. ІІ варіант 1. Здійсніть реакції йонного обміну між попарно взятими електролі тами в розчинах. Укажіть ознаки, які свідчать, що реакції відбулися між: а) калій сульфітом і хлоридною кислотою; б) купрум(ІІ) сульфа том і натрій гідроксидом; в) калій гідроксидом і сульфатною кислотою. Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. 2. Одержіть нерозчинну основу реакцією обміну, нейтралізуйте її сульфатною кислотою. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонно-молекулярній формах. 3. Здійсніть реакції, що відповідають йонно-молекулярним рівнян – – ням: а) Mg2+ + CO23 = MgCO3↓; б) Ва2+ + SiO23 = ВаSiO3↓. Складіть моле кулярні рівняння реакцій. ІІІ варіант 1. Здійсніть реакції йонного обміну між попарно взятими електролі тами в розчинах. Укажіть ознаки, які свідчать, що реакції відбулися між: а) калій карбонатом і хлоридною кислотою; б) натрій сульфідом і сульфатною кислотою; в) алюміній сульфатом і натрій гідроксидом; г) магній гідроксидом і сульфатною кислотою; ґ) кислотою та лугом. Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. 2. Одержіть нерозчинну основу реакцією обміну, нейтралізуйте її сульфатною кислотою. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонно-молекулярній формах. – 3. Здійсніть реакції, що відповідають схемам: а) A2+ + SO23 → ZnSO3↓; 2– 2+ 2+ б) Ва + SO4 → ВаSO4↓; в) MgСO3 + В = Mg + CO2↑+ H2O. Складіть моле кулярні рівняння реакцій. Назвіть частинки, подані кольоровими літе рами (А2+, В). Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті (див. зразок таблиці на с. 62). Сформулюйте загальний висновок. Сформулюйте висновок про те, які практичні вміння ви набули в процесі виконання практичної роботи. Зазначте, яке значення вони мають особисто для вас.

§ 13. Розв’язування задач за рівняннями реакцій...

§ 13. Розв’язування задач за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речоВИни Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• розв’язувати задачі за рівняннями реакцій з використанням розчинів з певною масовою часткою розчиненої речовини; • обчислювати масу, об’єм і кількість речовини за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини.

У 8 класі ви розв’язували задачі за рівняннями реакцій та обчислю вали масу, об’єм і кількість речовини реагентів або продуктів реакції. Розглянемо, як розв’язують задачі за рівняннями реакцій з вико ристанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини. Порівняно з попереднім типом задач вони складніші, оскільки спочатку треба обчислити маси речовин, що містяться в розчині, а потім викону вати обчислення. Наведемо способи розв’язування таких задач. 1. Обчислення маси продукту за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини З а д а ч а 1. До розчину лугу масою 34,2 г з масовою часткою барій гідроксиду 0,1 долили розчин сульфатної кислоти до повної нейтраліза ції. Обчисліть масу утвореного осаду. Відомо: Розв’язання m(р-ну Ва(ОH)2) = 34,2 г І спосіб ω(Вa(OН)2) = 0,1 1. Складаємо рівняння реакції барій гідро H2SO4 ксиду із сульфатною кислотою: m(ВaSO4) — ? 3,42 г х Ва(OH)2 + H2SO4 = ВаSO4 ↓ + 2H2O. 171 г 233 г 2. Обчислюємо молярні маси і маси 1 моль барій гідроксиду й утвореного барій сульфату, що випав в осад: М(Ва(ОН)2) = 171 г/моль; m(1 моль) = 171 г/моль ⋅ 1 моль = 171 г. М(ВаSO4) = 233 г/моль; m(1 моль) = 233 г/моль ⋅ 1 моль = 233 г. 3. Обчислюємо масу барій гідроксиду в розчині масою 34,2 г з масовою часткою речовини 0,1: m(Ва(ОН)2) = 34,2 г ⋅ 0,1 = 3,42 г. 67

Тема 1. Розчини

4. Обчислюємо масу барій сульфату за складе ною пропорцією: 3,42 г · 233 г = 4,66 г. х= 171 г Відповідь: в осад випав барій сульфат масою 4,66 г. ІІ спосіб 1. Обчислюємо масу барій гідроксиду в розчині масою 34,2 г з масовою часткою речовини 0,1: m(Ва(ОН)2) = 34,2 г · 0,1 = 3,42 г. 2. Обчислюємо, якій кількості речовини відпо відають 3,42 г барій гідроксиду: 3,42 г = 0,02 моль. n (ВaSO4) = 171 г/моль 3. Складаємо рівняння реакції барій гідроксиду із сульфатною кислотою: 0,02 моль х SO H Ва(OH)2 + 2 4 = ВаSO4 ↓ + 2H2O. 1 моль 1 моль 1 моль 4. Обчислюємо молярну масу утвореного барій сульфату, що випав в осад: М(ВаSO4) = 233 г/моль. Оскільки за рівнянням реакції кількості речо вини лугу й утвореної солі однакові, то кількість речовини ВаSO4 дорівнює кількості речовини Ва(OH)2. Тобто n(BaSO4) = 0,2 моль. 5. Обчислюємо масу 0,02 моль барій сульфату: m(ВаSO4) = 0,02 моль · 233 г/моль; m(ВаSO4) = 4,66 г. Відповідь: в осад випав барій сульфат масою 4,66 г. 2. Обчислення об’єму продукту за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини З а д а ч а 2. До розчину масою 318 г із масовою часткою натрій карбо нату 20 % долили розчин нітратної кислоти. Обчисліть об’єм газу (н. у.), що утворився і виділився внаслідок реакції. Відомо: m(р-ну Nа2CО3) = 318 г ω(Nа2CО3) = 20 %, або 0,2 HNO3 V(CO2) — ? 68

Розв’язання 1. Складаємо рівняння реакції натрій карбо нату з нітратною кислотою: 63,6 г х Na2CO3 + 2HNO3 = 2NаNO3 + Н2О + CO2↑. 106 г 22,4 л

§ 13. Розв’язування задач за рівняннями реакцій...

2. Обчислюємо маси 1 моль натрій карбонату й об’єм 1 моль карбон(ІV) оксиду: М(Na2CO3) = 106 г/моль; m(1 моль) = 106 г/моль · 1 моль = 106 г. V(CO2) = 22,4 л/моль; V(1 моль) = 22,4 л/моль · 1 моль = 22,4 л. 3. Обчислюємо масу натрій карбонату в роз чині: 318 г · 0,2 = 63,6 г. 4. Підписуємо й надписуємо дані в рівнянні реакції та обчислюємо об’єм карбон(ІV) оксиду, що утворився і виділився: х=

63,6 г · 22,4 л ; х = 13,44 л. 106 г

Відповідь: утворився і виділився газ об’ємом 13,44 л. ІІ спосіб 1. Обчислюємо масу натрій карбонату в роз чині масою 318 г із масовою часткою речовини 20 %: m(Na2CO3) = 318 г · 0,2 = 63,6 г. 2. Обчислюємо, якій кількості речовини відпо відають 63,6 г натрій карбонату: n=

63,6 г = 0,6 моль. 106 г/моль

3. Складаємо рівняння реакції натрій карбо нату з нітратною кислотою: 0,6 моль х Na2CO3 + 2HNO3 = 2NаNO3+ Н2О + CO2↑. 1 моль 1 моль 4. Згідно з рівнянням реакції, утворився карбон(ІV) оксид кількістю речовини 0,6 моль. Обчислюємо його об’єм: 22, 4 л/моль · 0,6 моль = 13,44 л. Відповідь: утворився і виділився газ об’ємом 13,44 л. 69

Тема 1. Розчини

3. Обчислення кількості речовини продукту за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини З а д а ч а 3. До розчину масою 34 г з масовою часткою арґентум(І) нітрату 0,3 долили розчин натрій хлориду до повної їх взаємодії. Обчисліть кількість речовини утвореного арґентум(І) хлориду, що випав в осад. Відомо: m(р-ну AgNО3) = 34 г ω(AgNО3) = 0,3 NaCl n(AgCl) — ?

Розв’язання 1. Обчислюємо масу арґентум(І) нітрату в роз чині масою 34 г: m(AgNО3) = 34 г · 0,3 = 10,2 г. 2. Обчислюємо, якій кількості речовини відпо відає така маса. Для цього обчислюємо молярну масу арґентум(І) нітрату: М(AgNO3) = 170 г/моль; n(AgNО3) = 10,2 г : 170 г/моль = 0,06 моль. 3. Складаємо рівняння реакції та обчислюємо кількість речовини утвореного арґентум(І) хло риду, що випав в осад: 0,06 моль х AgNО3 + NaCl = AgCl + NaNO3. 1 моль 1 моль х = 0,06 моль. Відповідь: утворився арґентум(І) хлорид кіль кістю речовини 0,06 моль. Запропонуйте інший спосіб розв’язання задачі.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. До розчину масою 95 г із масовою часткою магній хлориду 0,1 долили розчин натрій гідроксиду до повної взаємодії. Обчисліть масу утвореного магній гідроксиду. 2. До розчину масою 138 г із масовою часткою калій карбонату 20 % долили хлоридну кислоту до повної взаємодії. Обчисліть об’єм (н. у.) утвореного внаслідок реакції газу. 3. Розчин кислоти масою 196 г із масовою часткою ортофосфатної кислоти 0,25 повністю нейтралізували калій гідроксидом. Обчисліть кількість речовини води, що утворилася. 4. До розчину масою 41,6 г з масовою часткою барій хлориду 0,3 долили розчин натрій сульфату до повної взаємодії. Обчисліть маси утворених речовин.

§ 14. Виявлення в розчині гідроксид-іонів і йонів... 5. До розчину масою 36,6 г із масовою часткою натрій силікату 0,1 долили розчин нітратної кислоти до повної взаємодії. Обчисліть масу натрій нітрату й кількість речовини силікатної кислоти, що утворилися внаслідок реакції. 6. До розчину масою 58,8 г із масовою часткою сульфатної кислоти 0,15 долили розчин натрій сульфіду до повної взаємодії. Обчисліть масу натрій сульфату й об’єм (н. у.) газу, що утворилися. 7. До розчину масою 116 г із масовою часткою натрій сульфіту 0,4 долили хлоридну кислоту до повної взаємодії. Обчисліть кількість речовини натрій хлориду й об’єм (н. у.) газу, що утворилися. Назвіть газ.

§ 14. Виявлення в розчині гідроксид-іонів ТА йонів гідрогену. ЯКІСНІ РЕАКЦІЇ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати якісні реакції для виявлення аніонів у розчинах електролітів; • пояснювати якісні реакції, їхні ознаки; • наводити приклади рівнянь якісних реакцій для виявлення аніонів у розчинах: хлорид-іонів, бромід-іонів, йодид-іонів, сульфат-іонів, орто фосфат-іонів, карбонат-іонів; • виявляти в розчинах гідроксид-іони та йони Гідрогену, хлорид-іони, кар бонат-іони.

Якісні реакції та їхнє застосування досліджує аналітична хімія — наука, яка вивчає методи визначення якісного й кількісного складу речо вин. Знання про якісний аналіз і вміння практично його застосувати дають змогу виявити, які хімічні елементи, йони чи молекули є в складі дослі джуваної речовини. Застосування методів аналітичної хімії важливе для багатьох галу зей науки, техніки й виробництва. Їх широко використовують у хіміч них, біохімічних, санітарно-гігієнічних і контрольно-аналітичних лабо раторіях для визначення якості харчових продуктів, косметичної про дукції, води, чистоти повітря та хімічного складу ґрунту. У клінічних лабораторіях здійснюють аналізи крові, шлункового соку, сечі тощо для діагностування стану організму, виявлення захворювань. Речовини, які належать до електролітів, здебільшого дисоціюють з утворенням таких йонів: катіони Гідрогену й аніони кислотних залишків (кислоти); катіони металічних елементів і гідроксид-іонів (основи); катіони металічних елементів та аніони кислотних залишків (солі). Тому важливо вміти виявляти в їхньому складі катіони й аніони. Отже, навчимося виявляти найпоширеніші аніони. Виявлення в розчині гідроксид-іонів та йонів Гідрогену. Вивчаючи класи неорганічних сполук, зокрема кислоти й основи, ви дізналися, як їх можна виявити серед інших речовин за допомогою індикаторів. Окрім 71

Тема 1. Розчини

того, у § 11 пояснено, як визначити середовище розчину за допомогою індикаторів (див. табл. 6, с. 55). Виявлення хлорид-іонів у розчині. Хлорид-іони наявні в розчинах силь них електролітів, до яких належить хлоридна кислота та її солі. Проаналізувавши дані таблиці розчинності кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді (див. додаток 1), можна зробити висновок, що всі хлориди, окрім арґентум(І) і плюмбум(ІІ) хлоридів, є добре роз чинними у воді сполуками. Тому виявити хлорид-ані они в розчині можна внаслідок утворення нерозчинної речовини, яка випаде в осад. Для виявлення хлорид-аніонів у розчинах вико ристовують розчин арґентум(І) нітрату. Якщо розчин цієї речовини долити до електроліту, який містить хлорид-аніони, то утвориться нерозчинний арґентум(І) хлорид у вигляді білого сирнистого осаду (рис. 40). Рис. 40. Якісна реакція для вияв Ця нерозчинна сіль не взаємодіє з нітратною кис лення хлорид-іонів лотою. Тому є підстави стверджувати, що виявити хлорид-іони можна за допомогою арґентум(І) нітрату, який у розчині містить катіони Арґентуму Ag+. Саме вони, взаємодіючи із хлорид-ані оном, утворюють нерозчинну сіль AgCl, яка випадає в осад. Отже, реактивом для виявлення хлорид-іонів є розчини, що містять катіони Ag+. Таку реакцію називають якісною. Для підтвердження зазначеного виконаємо лабораторний дослід 7. Лабораторний дослід 7 Виявлення хлорид-іонів у розчині

Повторіть правила безпеки під час роботи з кислотами, арґентум(І) нітратом та іншими речовинами й суворо дотримуйтеся їх. З а в д а н н я. Дослідіть, чи є у складі хлоридної кислоти, натрій та барій хлоридів хлорид-іони. Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку хлоридну кислоту об’ємом 1,5–2 мл, додайте кілька крапель розчину арґентум(І) нітрату. Що спостерігаєте? Д о с л і д 2. Налийте у дві пробірки розчини натрій та барій хлоридів об’ємом по 1,5–2 мл і в кожну з них додайте по кілька крапель розчину арґентум(І) нітрату. Що спостерігаєте? Запишіть результати спостережень у таблицю в зошиті (див. зразок таблиці на с. 62). Сформулюйте загальний висновок. Пригадайте якісну реакцію для виявлення сульфатної кислоти й сульфатів.

§ 14. Виявлення в розчині гідроксид-іонів і йонів...

Виявлення сульфат-іонів у розчині. Якщо в розчин, який містить сульфат-іони, долити розчин барій гідроксиду або барій хлориду, то випадає білий осад нерозчинного барій сульфату (рис. 41), який не взаємодіє з кислотами. Отже, реактивом для виявлення сульфат-аніонів є розчини, що містять катіони Барію Ва2+. Щоб упевнитися в цьому, виконаємо лабораторний дослід 8. Лабораторний дослід 8 Виявлення сульфат-іонів у розчині

Повторіть правила безпеки під час роботи із сульфатною кислотою та суворо дотримуйтеся їх.

Рис. 41. Якісна реакція для виявлення сульфат-аніонів

З а в д а н н я. Дослідіть наявність сульфат-іонів у розчинах відпо відно сульфатної кислоти, натрій сульфату й ферум(ІІ) сульфату. Складіть молекулярні, повні та скорочені йонні рівняння реакцій. Зробіть висновки з ваших спостережень. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку розчин сульфатної кислоти об’ємом 2–2,5 мл, долийте приблизно таку саму порцію розчину барій хлориду. Що спостерігаєте? Д о с л і д 2. Налийте в пробірку розчин натрій сульфату об’ємом 2–3 мл, долийте розчин барій гідроксиду. Що спостерігаєте? Д о с л і д 3. Налийте в пробірку розчин ферум(ІІ) сульфату об’ємом 2–3 мл, долийте таку саму порцію розчину барій хлориду. Що спостерігаєте? Запишіть результати спостережень у таблицю в зошиті (див. зразок таблиці на с. 62). Сформулюйте загальний висновок. Виявлення карбонат-іонів у розчині. Карбонати — солі карбонатної кислоти, які переважно є нерозчинними у воді. Серед карбонатів розчинними є амоній карбонат (NH4)2CO3, натрій карбонат Na2CO3 і калій карбонат K2CO3. Вони здатні внаслідок дисоці – + ації утворювати катіони NH 4, Na+ і К+ та аніони CO23 . Усі карбонати, розчинні й нерозчинні у воді, реагують із кислотами. Результатом таких реакцій є нові солі й утворення нестійкої карбонатної кислоти, яка розкладається на карбон(ІV) оксид і воду. Реакція супрово джується виділенням великої кількості газу, що подібне до «закипання»: BaCO3 + 2HNO3 = Ba(NO3)2 + H2O + CO2↑; – – BaCO3 + 2H+ + 2NO3 = Ba2+ + 2NO3 + H2O + CO2↑ ; BaCO3 + 2H+ = Ba2+ + H2O + CO2↑. – Отже, реактивом для виявлення аніонів CO23 є кислоти, що містять катіони Гідрогену Н+. Складіть самостійно рівняння реакції взаємодії натрій карбонату з хлоридною кислотою.

Тема 1. Розчини

Лабораторний дослід 9 Виявлення карбонат-іонів у розчині

З а в д а н н я. Дослідіть наявність карбонат-іонів у розчинах відпо відно натрій і калій карбонатів. Складіть молекулярні, повні та скоро чені йонні рівняння реакцій, зробіть висновки з ваших спостережень. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку розчин натрій карбонату об’ємом 3 мл, дуже обережно долийте кілька крапель розчину нітратної кислоти. Що спостерігаєте? Д о с л і д 2. Налийте в пробірку розчин калій карбонату об’ємом 3 мл, долийте кілька крапель розчину сульфатної кислоти. Що спостерігаєте? Запишіть результати спостережень у таблицю в зошиті (див. зразок таблиці на с. 62). Зробіть загальний висновок про те, як можна довести наявність кар бонат-іонів у розчинах. Теоретичні знання про якісні реакції застосовують на практиці в лабо раторіях під час розв’язування експериментальних задач. Специфіка їх полягає у необхідності виконання дослідів, зокрема визначення якісного складу речовин, способів їх одержання, вивчення хімічних властивостей. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Якісний та кількісний склад речовин вивчає аналітична хімія. • Якісні реакції — реакції, за допомогою яких можна виявити катіони й аніони в складі речовини. • Йони Гідрогену й гідроксид-іони в розчинах електролітів виявляють за допомогою індикаторів. • Реактивом для виявлення хлорид-іонів є розчин солі AgNo3, що містить катіони Арґентуму Ag+. Унаслідок відповідних реакцій утворюється нерозчинна сполука арґентум(І) хлорид. • Реактивом для виявлення сульфат-іонів є розчини лугу та солей, що містять катіони Барію Ва2+. Утворюється нерозчинна сполука барій сульфат, яка не взаємодіє з нітратною кислотою. • Реактивом для виявлення карбонат-іонів у розчинах є кислоти, що містять катіони Гідрогену Н+. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Складіть молекулярні та йонні рівняння реакцій між попарно взятими речовинами: а) BaCl2 і AgNO3; б) MgI2 і AgNO3; в) CaBr2 і AgNO3; г) Na3PO4 і AgNO3 ; ґ) Ba(OH)2 і H2SO4; д) Na2CO3 і HNO3. 2. Поясніть, як виявити хлорид- і сульфат-іони в розчинах магній хлориду й алюміній сульфату. Складіть рівняння реакцій. 3. Запропонуйте спосіб розпізнавання, який передбачає використання якісних реакцій для виявлення аніонів: а) хлоридної та сульфатної кислот; б) солей хлоридної та сульфатної кислот. 4. Запропонуйте спосіб розпізнавання солей, що містять у своєму складі катіони Ag+ і Ba2+, використовуючи відповідні реактиви. Складіть молекулярні, повні та скорочені рівняння реакцій. 5. До розчину масою 51,5 г з масовою часткою натрій броміду 0,3 додали розчин арґентум(І) нітрату до повної взаємодії солей. Обчисліть масу утвореної нерозчинної речовини.

6. Унаслідок зливання розчину масою 33,2 г із масовою часткою калій йодиду 0,1 із розчином арґентум(І) нітрату утворилися дві нові солі, одна з яких нерозчинна у воді. Обчисліть маси й кількості речовин продуктів реакції. 7. До розчину масою 31,2 г із масовою часткою барій хлориду 20 % долили надлишок розчину сульфатної кислоти. Обчисліть маси й кількості речовин продуктів реакції. Назвіть нерозчинну речовину, що утворилася і випала в осад. 8. До розчину масою 162,5 г із масовою часткою ферум(ІІІ) хлориду 10 % долили розчин натрій гідроксиду. Обчисліть маси й кількості речовин продуктів реакції та назвіть нерозчинну речовину, що утворилася і випала в осад. 9. До розчину масою 212 г із масовою часткою натрій карбонату 0,3 додали нітратну кислоту з надлишком. Обчисліть маси й кількості речовин продуктів реакції.

Практична робота 2 Розв’язування експериментальних задач Виконавши цю практичну роботу, ви зможете:

• закріпити вміння й набути навички самостійно виконувати досліди, використовуючи теоретичні знання про якісні реакції для виявлення катіонів Гідрогену, гідроксид-, хлорид-, сульфат- і карбонат-іонів; • спостерігати ознаки якісних реакцій для виявлення аніонів; • пояснювати результати спостережень; • набути практичні вміння роботи з речовинами й обладнанням; • складати молекулярні та йонно-молекулярні рівняння реакцій; • робити висновки з досліджень.

Повторіть правила безпеки під час роботи з кислотами, арґентум(І) нітратом й іншими речовинами та суворо дотримуйтеся їх. Мета роботи: навчитися розпізнавати речовини, установлювати наявність аніонів за допомогою якісних реакцій; набути практичні вміння та навички роботи з речовинами. Варіанти практичної роботи (І–ІІІ) відповідають різним рівням навчальних досягнень учнів/учениць. І варіант 1. У двох пробірках під шифрами містяться хлоридна кислота й роз чин натрій гідроксиду. Визначте експериментально кожну із цих речо вин. Зробіть висновки. 2. Доведіть, що в розчині натрій броміду є аніон Брому Br–. Складіть рівняння реакції в молекулярній та йонній формах. Зробіть висновок. 3. Здійсніть якісну реакцію для виявлення карбонат-іонів. Складіть рівняння реакції в молекулярній та йонній формах. Зробіть висновок. ІІ варіант 1. У трьох пробірках під шифрами містяться розчини нітратної та сульфатної кислот і калій гідроксиду. Визначте експериментально кожну із цих речовин. Де можливо, складіть рівняння реакції в молекулярній та йонній формах. Зробіть висновки. 75

Тема 1. Розчини

2. Виявіть за допомогою якісних реакцій, у якій із пробірок наявні розчини калій хлориду й калій нітрату. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонній формах. Зробіть висновок. 3. У пробірках є хлоридна кислота й розчин натрій карбонату. Виявіть, у якій із пробірок міститься кожна з цих речовин. Здійсніть реакцію між цими речовинами. Складіть рівняння реакцій у молеку лярній та йонній формах. Зробіть висновок. ІІІ варіант 1. У трьох пробірках без написів містяться хлоридна кислота, роз чини натрій хлориду й барій гідроксиду. Визначте експериментально кожну з цих речовин. Де можливо, складіть рівняння реакцій у моле кулярній та йонній формах. Зробіть висновки. 2. Виявіть за допомогою якісних реакцій, у якій із пробірок містяться розчини натрій хлориду, натрій нітрату й натрій гідроксиду. Складіть рів няння реакцій у молекулярній та йонній формах. Зробіть висновок. 3. У пробірках містяться розчини калій карбонату, магній сульфату й нітратної кислоти. Виявіть за допомогою якісних реакцій, у якій із пробірок наявна кожна з цих речовин. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонній формах. Зробіть висновок. Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті (див. зразок таблиці на с. 62). Сформулюйте загальний висновок. Навчальний проЄкт

І. Оберіть самостійно або з допомогою вчителя (вчительки) тему навчального проєкту з тих, що подані нижче. 1. Електроліти в сучасних акумуляторах. 2. Вирощування кристалів солей. 3. Виготовлення розчинів для надання домедичної допомоги. 4. Дослідження рН ґрунтів своєї місцевості. 5. Дослідження впливу кислотності й лужності ґрунтів на розвиток рослин. 6. Дослідження рН атмосферних опадів та їх впливу на різні матеріали в довкіллі. 7. Дослідження природних об’єктів як кислотно-основних індикаторів. 8. Дослідження рН середовища мінеральних вод України. ІІ. Виконайте навчальний проєкт, скориставшись поданою нижче послідовністю роботи. 1. Визначте: • назву й тип проєкту; • керівника й учасників проєкту; • мету й завдання проєкту; • проблеми, що будуть вирішуватися в межах проєкту; • очікувані результати проєкту. 2. Сплануйте етапи реалізації проєкту (діагностико-концептуальний, організаційний, практичний). ІІІ. Презентуйте проєкт в обраній формі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

Повторюємо й узагальнюємо тему 1 «Розчини»

ПОВТОРЮЄМО Й УЗАГАЛЬНЮЄМО ТЕМУ 1 «РОЗЧИНИ»

Дисперсні системи — системи, що складаються з двох або більше речовин, де одна з них у подрібненому стані рівномірно розподілена серед частинок іншої.

Дисперсійне середовище — речовина, у якій розподілена дисперсна фаза.

Дисперсна фаза — це подрібнена речовина.

Класифікація дисперсних систем за розміром частинок

Грубодисперсні — розмір частинок понад 100 нм.

Колоїдні розчини — розмір частинок 1–100 нм.

Золі — рідкі колоїдні розчини.

Гелі — желатиноподібні драг листі маси.

Істинні розчини — розмір частинок менше за 1 нм.

Молекулярні

Йонні

Суспензії — двофазні системи, тверді частинки яких рівномірно розподілені між молекулами рідини.

Емульсії — двофазні системи, у яких дисперсною фазою та дисперсійним середовищем є рідини, що не змішуються.

Аерозолі — двофазні системи, у яких дисперсною фазою є рідина або тверда речовина, а дисперсійним середовищем — гази.

Тема 1. Розчини

Розчинність властивість речовин розчинятися у воді в будь-якому Розчинність —— властивість речовин розчинятися у воді або або в будь-якому іншомурозчиннику. розчиннику. Визначається масою розчиненої речовини, за певіншому Визначається кількісним показником — масоюяка розчиненої них умов яка може в розчиннику масою 100 г. речовини, за розчинятися певних умов може розчинятися в розчиннику масою 100 г.

КЛАСИФІКАЦІЯ РЕЧОВИН за розчинністю у воді

Розчинні

Малорозчинні

Нерозчинні

Чинники, що впливають на розчинність речовин

Природа розчинника та розчиненої речовини

Температура

Для газів

Агрегатний стан речовини

Температура

Тиск

Розчин — гомогенна система, що складається з двох або більше компонентів і продуктів їхньої взаємодії.

Процес розчинення — фізико-хімічний процес, під час якого відбувається:

руйнування структури розчиненої речовини до молекул або йонів.

взаємодія утворених частинок із частинками розчинника (у воді — це її молекули). Процес взаємодії частинок речовини з молекулами води називають гідратацією. Продуктами гідратації є гідратовані молекули або йони.

Повторюємо й узагальнюємо тему 1 «Розчини»

КЛАСИФІКАЦІЯ РЕЧОВИН ЗА ЕЛЕКТРОПРОВІДНІСТЮ РОЗЧИНІВ

Електроліти — речовини, водні розчини яких або розплави проводять електричний струм.

Неелектроліти — речовини, водні розчини яких або розплави не проводять електричний струм.

Кислоти, основи (луги), солі

Електролітична дисоціація — розпад електроліту на йони під час розчинення у воді або розплавлення.

Електролітична дисоціація кислот, основ, солей у водних розчинах

Кислоти — електроліти, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням катіонів Гідрогену: → H+ + Cl–. HCl →

Основи — електро літи, які у водних розчинах дисоціюють з утворенням гідратованих гідроксиданіонів: NaOH = Na+ + OH–.

Солі — електроліти, які у водних розчинах дисоціюють на гідратовані катіони металічних елементів та аніони кислотних залишків: NaCl = Na+ + Cl–.

Ступінь електролітичної дисоціації — відношення кількості молекул (формульних одиниць), що розпалися на йони, до загальної кількості молекул (формульних одиниць) розчиненої речовини:

α=

n (дис.) n (заг.)

або

α=

n (дис.) n (заг.)

· 100 %.

Тема 1. Розчини ЕЛЕКТРОЛІТИ

Сильні — електроліти, ступінь дисоціації яких високий: α ≈ 1, або 100 %.

NaCl, Na2SO4, CaI2, Cu(NO3)2 і майже всі солі; NaOH, KOH, Ca(OH)2 та інші луги; НCl, H2SO4, HNO3, HBr, HI, HClO4 — кислоти.

Слабкі — електроліти, ступінь дисоціації яких низький: α ≈ 0,1, або 1 %.

Органічні кислоти: молочна, оцтова, лимонна, аскорбінова та інші. Неорганічні кислоти: H2S, H2SiO3, HClO3, HNO2; гідроксиди металічних елементів (крім лугів).

Реакції обміну в розчинах електролітів називають йонними.

Умови реакцій йонного обміну Наявність у розчині йонів (різнойменно заряджених) — основна умова їх взаємодії. Реакції відбуваються, якщо: 1) утворюється вода або інша малодисоційована речовина; 2) утворюється нерозчинний або малорозчинний продукт реакції, який випадає в осад; 3) утворюється і виділяється газ.

Показник рН — величина, що характеризує концентрацію йонів Гідрогену в розчині.

рН < 7 середовище кислотне

рН = 7 середовище нейтральне

рН > 7 середовище лужне

Тема 2 § 15. Класифікація хімічних реакцій за кількістю та складом РЕАГЕНТІВ І ПРОДУКТІВ РЕАКЦІЙ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• називати ознаки класифікації хімічних реакцій; типи хімічних реак цій, класифікованих за зміною кількості та складу реагентів і продуктів реакцій; • розрізняти ознаки класифікації та типи хімічних реакцій; • класифікувати реакції за різними ознаками; • характеризувати хімічні реакції різних типів; • наводити приклади хімічних реакцій різних типів; • складати рівняння реакцій різних типів.

Ознаки класифікації та типи хімічних реакцій. У 7–8 класах ви ознайоми лися з різними типами хімічних реакцій. Вивчення теми «Хімічні реак ції» допоможе вам закріпити свої знання про реакції на основі ознак, за якими вони об’єднані в групи (рис. 42). Пригадайте, які типи хімічних реакцій вам уже відомі.

Залежно від того, які речовини взаємодіють та які утворюються вна слідок взаємодії, хімічні реакції поділяють на 4 типи: реакції сполу чення, розкладу, заміщення та обміну. ОЗНАКИ КЛАСИФІКАЦІЇ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ

Зміна кількості та складу реагентів і продуктів реакцій

Зміна ступенів окиснення елементів, що є в складі речовин

Тепловий ефект хімічних реакцій

Напрямок хімічних реакцій

Рис. 42. Ознаки класифікації хімічних реакцій

Реакції сполучення. Вам уже відомо, що в реакціях сполучення взаємо діють прості та складні речовини з утворенням однієї складної речовини. Зокрема, метали виявляють здатність реагувати з неметалами. 81

Тема 2. Хімічні реакції

Результатом таких реакцій є утворення оксидів або солей. Повторимо реакції сполучення за допомогою демонстраційних дослідів 1–3. Д о с л і д 1. Взаємодія заліза із сіркою. Змішаємо у фарфоровій чашці порошки заліза й сірки в масовому відношенні 7 : 4. Нагріємо їх на полум’ї спиртівки до початку реакції. Далі вона відбувається самовільно з виділен ням тепла. Продуктом реакції є нова речовина ферум(ІІ) сульфід (рис. 43), що t має зовсім інші властивості, ніж реагенти. Рівняння реакції: Fe + S = FeS.

Fe + S = FeS Рис. 43. Взаємодія заліза із сіркою

Рис. 44. Взаємодія сірки з киснем

Д о с л і д 2. Взаємодія сірки з киснем. Нагріємо поро шок сірки до температури займання та розмістимо його в заздалегідь підготовленій колбі з киснем. Унаслідок реакції сірка згоряє яскравим полум’ям (рис. 44). Рівняння реакції: S + O2 = SO2. Д о с л і д 3. Взаємодія кальцій оксиду з водою. Покладемо у фарфорову чашку кальцій оксид і доллємо воду. Відбувається реакція з утворенням каль цій гідроксиду. Рівняння реакції: CaO + H2O = Ca(OH)2. Усі три реакції належать до реакцій сполучення. Загальне рівняння реакції: А + В = АВ. У реакціях сполучення взаємодіють також і складні речовини. Зокрема, деякі оксиди металічних і немета лічних елементів реагують із водою. Наприклад, уна слідок взаємодії барій оксиду з водою утворюється барій гідроксид. Рівняння реакції: BaO + H2O = Ba(OH)2. За наявності кисню нітроген(IV) оксид з водою утворює нітратну кислоту. Рівняння реакції: 4NO2 + 2H2O + O2 = 4HNO3.

Сформулюйте самостійно визначення реакцій сполучення на основі рівнянь реакцій взаємодії заліза із сіркою та горіння сірки в кисні.

Реакції розкладу. Із цим типом хімічних реакцій ви ознайомилися в курсі хімії 7 класу під час вивчення теми «Добування кисню», розклада ючи гідроген пероксид H2O2 та інші речовини. Вам відомо, що за нагрі вання основи й амфотерні гідроксиди розкладаються з утворенням відпо відного оксиду та води. На оксид і воду розкладаються нестійкі кислоти. Складіть самостійно рівняння згаданих вище реакцій.

Яскравим прикладом є реакція розкладу амоній дихромату (NH4)2Cr2O7 (рис. 45), відома в хімії під назвою «хімічний вулкан» (рис. 46). Виконаємо демонстраційний дослід 4. 82

§ 15. Класифікація хімічних реакцій за кількістю та складом...

Рис. 45. Гірка амоній дихро мату

Рис. 46. Реакція розкладу амоній дихромату

Д о с л і д 4. Розклад амоній дихромату. Насиплемо на керамічну підставку (плитку) у формі гірки подрібнені кристали амоній дихро мату, який має характерне яскраво-оранжеве забарвлення (рис. 45). Посередині гірки вставимо 4–5 головок сірників і запалимо їх (замість сірників можна взяти розжарену скляну паличку). Починається реак ція, що супроводжується бурхливим розкладом солі. Гірка помітно збільшується внаслідок виділення азоту й водяної пари, утворюється темно-зелена пухка маса хром(ІІІ) оксиду. Рівняння реакції: (NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2↑ + 4H2O↑. Загальні рівняння реакцій розкладу: АВ = А + В —якщо речовина складається з двох елементів; АВС = АВ + С, АВС = А + ВС, АВС = А + В + С— якщо це складна речовина. Сформулюйте самостійно визначення реакцій розкладу.

Реакції заміщення. Назва цього типу реакцій указує на те, що внаслі док взаємодії речовин відбувається заміщення одних атомів на інші в складній речовині. Такі реакції спостерігають під час взаємодії мета лів із розчинами кислот, металів із солями. Виконаємо дослід 5, що демонструє реакцію заміщення. Д о с л і д 5. Взаємодія цинку з хлоридною кислотою. Покладемо на дно хімічної склянки цинкову пластину й доллємо хлоридну кислоту (або розчин сульфатної). Через певний час пластину покривають буль башки газу, який починає інтенсивно виділятися (рис. 47, а, с. 84). Унаслідок реакції цинк заміщує атоми Гідрогену в кислоті. Відповідно, утворюються сіль цинк хлорид і водень: Zn + 2HCl = ZnCl2 + H2↑. Опишіть самостійно реакцію, зображену на рисунку 47, б (с. 84). Складіть рівняння реакції та сформулюйте визначення цього типу реакцій.

Загальне рівняння реакції заміщення: А + ВС = АС + В. Реакції обміну. Вивчення теорії електролітичної дисоціації поглибило ваші знання про реакції обміну в розчинах електролітів, унаслідок яких відбувається обмін складовими частинами речовин (див. § 12, 14). 83

Тема 2. Хімічні реакції

Рис. 47. Реакції заміщення: а — між кислотою та цинком; б — між купрум(ІІ) сульфатом і залізом

Зрозуміло, що реакції цього типу відбуваються між двома склад ними речовинами. До них належать і відомі вам реакції для виявлення катіонів та аніонів у складі речовин. Як приклад, здійснимо якісну реакцію для виявлення сульфат-аніону. Д о с л і д 6. Взаємодія розчинів калій сульфату й барій гідроксиду. Наллємо в пробірку розчин калій або натрій сульфату об’ємом 2,5–3 мл й додамо розчин барій гідроксиду. Внаслідок реакції утворюється нероз чинний білий барій сульфат, що випадає в осад (див. рис. 41, с. 73), який не взаємодіє з кислотами. Це ознака того, що реакція відбулася. Складіть самостійно рівняння реакції в молекулярній та йонній формах. Сформулюйте визначення реакцій обміну.

Загальне рівняння реакції обміну: АВ + СD = АD + CB. Отже, за ознакою зміни кількості та складу реагентів і продуктів реакції розрізняють 4 типи реакцій: сполучення, розкладу, заміщення й обміну. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімічні реакції класифікують за кількома ознаками: 1) зміна кількості та складу реагентів і продуктів реакції; 2) зміна ступенів окиснення елементів, що є в складі речовин; 3) тепловий ефект реакції; 4) напрямок реакції. • За зміною кількості та складу реагентів і продуктів реакції розрізняють 4 типи хімічних реакцій: сполучення, розкладу, заміщення й обміну. • Загальне рівняння реакції сполучення: А + В = АВ. • Загальні рівняння реакцій розкладу: АВ = А + В — якщо речовина складається з двох елементів; АВС = АВ + С, АВС = А + ВС, АВС = А + В + С — якщо це складна речовина. • Загальне рівняння реакції заміщення: А + ВС = АС + В. • Загальне рівняння реакції обміну: АВ + СD = АD + CB. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть ознаки, за якими класифікують хімічні реакції. 2. Сформулюйте визначення реакцій: а) сполучення; б) розкладу; в) заміщення; г) обміну. 3. Допишіть праві частини молекулярних рівнянь, складіть йонно-молекулярні рівняння реакцій (де це можливо): а) KClO3 = ... ; б) Hg + O2 = ... ; в) AlCl3 + AgNO3 = ... ; г) Fe + CuSO4 = ... .

§ 16. Ступінь окиснення... 4. Допишіть праві частини молекулярних рівнянь. Складіть йонно-молекулярні рівняння реакцій (де це можливо) і вкажіть, до якого типу вони належать: а) BaO + H2O = ... ; б) ZnSO4 + NaOH = ... ; в) Li + H2O = ... ; г) Na2CO3 + HNO3 = ... ; ґ) AlBr3 + AgNO3 = ... ; д) SO3 + H2O = ... ; е) Zn + CuSO4 = ... ; є) Fe(OH)3 = ... . 5. Складіть рівняння реакцій між попарно взятими речовинами, де можливо, складіть йонно-молекулярні рівняння: а) барій нітрат і натрій сульфіт; б) алюміній та бром; в) кальцій хлорид і арґентум(І) нітрат; г) калій та вода. 6. Обчисліть об’єм водню (н. у.), що виділиться внаслідок взаємодії натрію масою 11,5 г з водою. 7. Алюміній кількістю речовини 0,25 моль повністю прореагував із сіркою. Обчисліть масу й кількість речовини продукту реакції. Назвіть утворену речовину. 8. Складіть рівняння реакцій за наведеною схемою: Ba → BaO → Ba(OH)2 → BaCO3 → → CO2 → Na2CO3. Укажіть тип кожної реакції. Обчисліть масу утвореного барій гідроксиду, якщо прореагував барій масою 27,4 г. Цікаво знати

• Реакцію взаємодії магнію з киснем фотографи використовували для створення спалаху. • Під час хімічних перетворень на виробництві часто утворюються шкідливі речовини, що потрапляють у довкілля. Це зумовило появу такої науки, як екологічна, або «зелена», хімія. Вона є філософією хімічних досліджень та інженерії, що мають на меті запровадження хіміко-технологічних процесів, які допоможуть суттєво мінімізувати використання та виробництво шкідливих для людини чи довкілля речовин. Мета «зеленої» хімії — зменшення шкідливості хімічних процесів і запобігання забрудненню довкілля вже на початку планування хімічних технологій.

§ 16. Ступінь окиснення Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• розрізняти валентність і ступінь окиснення, ступінь окиснення і валент ність елемента в простих і складних речовинах; • розуміти сучасне поняття валентності, суть поняття «ступінь окис нення»; • визначати ступені окиснення елементів у сполуках за їхніми форму лами; • складати хімічні формули бінарних сполук за ступенями окиснення елементів.

Ступінь окиснення. Вивчаючи види хімічного зв’язку в неорганічних речовинах, ви переконалися, що внаслідок хімічних реакцій атоми можуть втрачати або приєднувати електрони в одних випадках й утво рювати спільні електронні пари — в інших. Пригадайте, яка властивість елементів називається електронегативністю, як вона змінюється в періодах і групах.

Тема 2. Хімічні реакції

Як вам відомо, за електронегативністю елементів можна визна чити, до яких атомів у хімічній сполуці зміщуються або переміщу ються електрони. З поняттям «електронегативність» пов’язана ще одна характеристика атома — ступінь окиснення. Ступінь окиснення — це умовний заряд атома, якщо припус тити, що сполука містить тільки йони. Кількісно ступінь окиснення визначають за числом електронів, які віддав або приєднав атом, якщо це йонна сполука. Наприклад, у спо луці складу ZnS атом Цинку віддав 2 електрони. Ступінь окиснення Цинку — +2 (плюс два). Сульфур приєднав 2 електрони й унаслідок цього набув значення ступеня окиснення –2 (мінус два). Отже, у йонних бінарних сполуках ступінь окиснення чисельно збі гається з числовим значенням заряду йонів. Зважаючи на те, що біль шість неорганічних речовин мають немолекулярну будову, складати формули сполук доцільно за ступенем окиснення елементів. У ковалентних полярних сполуках спільна пара електронів змі щена до більш електронегативного елемента. Цей елемент набуває частковий негативний заряд. Відповідно, елемент, від якого змісти лася пара електронів, має частковий позитивний заряд. Наприклад, у молекулі води Н2О до атома Оксигену зміщуються 2 електрони від двох атомів Гідрогену. Унаслідок цього Гідроген отримує заряд «+», а Оксиген набуває умовний заряд –2. Ступені окиснення в сполуках проставляють над символами еле мента, наприклад: +2 –2

+2 –1

+1 –2

CaO,

ZnCl2,

H2S.

Проставляючи ступінь окиснення, спочатку ставлять знак «+» або «–», а потім його числове значення. Пригадайте, як позначають заряди йонів у йонних сполуках.

Дійсно, у йонних сполуках заряди йонів проставляють після сим волу елемента вгорі праворуч: спочатку пишуть числове значення, потім — відповідний знак, наприклад: Са2+, N3– . Цим позначення заряду йона та ступеня окиснення відрізняються. Валентність і ступінь окиснення. Учення про будову атомів і хімічний зв’язок допомогло розкрити й зрозуміти фізичний зміст одного з осно вних понять хімії — валентності. Валентність розглядають як здат ність атомів елементів утворювати хімічні зв’язки.

§ 16. Ступінь окиснення

Валентність — це кількість ковалентних хімічних зв’язків, якими один атом з’єднаний з іншими. Із цього визначення можна зробити висновок про те, що кількість зв’язків, які може утворювати атом, дорівнює кількості неспарених електронів, що беруть участь в утворенні спільних електронних пар. Отже, валентність можна виражати кількістю неспарених електронів, які можуть утворити спільні електронні пари. Якщо ж узяти до уваги те, що валентність вимірюють кількістю ковалентних зв'язків, то для речовин немолекулярної будови поняття «валентність» втрачає визначеність. Для них характерне тільки поняття «ступінь окиснення». Що можна сказати про ступінь окиснення в сполуках із ковалентним неполярним зв’язком? Адже в них не відбувається зміщення електронів, а електронегативність елементів, які утворюють молекули простих речовин, є однаковою. Вам уже відомо, що в таких сполуках ядра атомів рівновідда лені від спільних електронних пар, які утворюють зв’язок. Тому ступінь окиснення в простих речовинах дорівнює нулю, наприклад, в утворених неметалічними елементами Гідрогеном, Хлором, Нітрогеном та іншими: 0

Н2, Cl2, N2, Br2. Однак валентність атомів цих елементів не збігається із числовим значенням ступеня окиснення, оскільки, як уже згадувалося, валент ність визначають за кількістю електронів, що утворюють хімічний зв’язок. Тому в сполуках водню, хлору та брому валентність елемен тів дорівнює 1, в азоту — 3. Отже, можна зробити висновок: у простих речовинах, молекули яких містять два атоми, ступінь окиснення та валентність елементів неоднакові. Зазначимо, що багато елементів у сполуках виявляють змінний сту пінь окиснення. Наприклад, Сульфур у сполуках H2S, Na2S виявляє ступінь окиснення –2, бо має більшу електронегативність, ніж Гідроген і Натрій. А в сполуках SO2, SO3 Сульфур виявляє додатний ступінь окис нення, відповідно +4 і +6, бо Оксиген більш електронегативний. Найвищий ступінь окиснення елемента виявляється тоді, коли всі елек трони зовнішнього енергетичного рівня утворюють хімічні зв’язки. Ураховуючи те, що молекули — електронейтральні, сума позитивних зарядів дорівнює сумі негативних зарядів усередині однієї молекули. Визначення ступеня окиснення елемента за хімічною формулою сполуки. Ступінь окиснення елементів бінарної сполуки можна визначити за хімічною формулою. Щоб це зробити, необхідно враховувати таке: 87

Тема 2. Хімічні реакції

1) у формулах бінарних сполук зазвичай елемент із більшою електро негативністю записують на другому місці. Це означає, що спільна пара електронів зміщена до цього елемента. У разі йонних сполук електрони перемістилися до цього елемента. Отже, його ступінь окиснення завжди матиме негативний заряд, числове значення якого залежить від кіль кості зміщених або переміщених електронів; 2) сума ступенів окиснення елементів у сполуці дорівнює нулю; 3) ступінь окиснення лужних металічних елементів завжди дорів нює +1, а Гідрогену — переважно теж +1 (виняток становлять сполуки металічних елементів із Гідрогеном — гідриди, в яких його ступінь окиснення –1); 4) ступінь окиснення Оксигену дорівнює –2 (виняток — сполуки OF2, H2O2); 5) ступінь окиснення елемента в простій речовині дорівнює нулю. Зважаючи на зазначене, спробуйте визначити ступені окиснення елементів у бінарних сполуках за поданими формулами: HBr, CaO, Мn 2O 7, CH 4, NH 3, H 2S.

Складання формули сполуки за відомим ступенем окиснення елемента. Пригадайте, як складають формули бінарних сполук за валентністю атомів елементів.

Формули бінарних сполук за ступенем окиснення складають так само, як і за валентністю елементів. Розглянемо приклад. З а в д а н н я. Складіть формулу сполуки Хлору, що виявляє ступінь окиснення +7, з Оксигеном. Розв'язання 1. Запишемо символи хімічних елементів і проставимо числові зна чення їх ступенів окиснення: +7 –2

Cl O. 2. Визначимо найменше спільне кратне для чисел 7 і 2, воно стано вить 14. 3. Поділивши найменше спільне кратне на ступінь окиснення кож ного елемента, визначимо кількість атомів у складі сполуки. Проставимо їх індексами. Відповідь: формула сполуки — Cl2O7. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Ступінь окиснення — умовний заряд атома, якщо припустити, що сполука містить тільки йони. • Ступінь окиснення визначають за кількістю електронів, що віддав чи приєднав атом, якщо це йонна сполука, або кількістю зміщених електронів, якщо сполука з ковалентним полярним зв’язком.

§ 17. Окисно-відновні реакції • Валентність — кількість ковалентних хімічних зв’язків, якими атом з’єднаний з іншими атомами. • У простих речовинах, молекули яких містять два атоми, ступінь окиснення та валентність елементів різні. • За хімічною формулою бінарної сполуки визначають ступінь окиснення елемента, а за ступенем окиснення складають формули бінарних сполук. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення поняття «ступінь окиснення». 2. Поясніть, як визначити ступінь окиснення елементів у йонних і ковалентних сполуках. 3. Обчисліть ступені окиснення елементів у сполуках, записаних формулами: а) AgCl, CO2, Cu2S, NO2, Al2O3; б) FeCl3, NO, Ag2S, Cr2O3, P2O5; в) CaBr2, Mn2O3, Na2O, N2O3, CO; г) NH3, CrO3, K2O, Mn2O7, N2O. 4. Складіть формули бінарних сполук за ступенями окиснення елементів, що утворені: а) Калієм і Хлором; б) Магнієм і Сульфуром; в) Натрієм й Оксигеном; г) Літієм і Нітрогеном; ґ) Барієм і Бромом; д) Алюмінієм й Оксигеном; е) Карбоном і Гідрогеном; є) Магнієм і Нітрогеном. 5. Обчисліть ступінь окиснення елементів у кислотах, записаних формулами, знаючи, що Гідроген має ступінь окиснення +1, а Оксиген –2: H3PO4, H2SO4, HNO3, HClO4, HPO3, H2CO3, H2SO3, H2MnO4. 6. Фосфор у сполуці з Бромом виявляє вищий додатний ступінь окиснення. Напишіть формулу цієї сполуки та назвіть її. Обчисліть її масу кількістю речовини 0,45 моль та густину випарів за гелієм.

§ 17. Окисно-відновні реакції. ПРОЦЕСИ ОКИСНЕННЯ ТА ВІДНОВЛЕННЯ, ОКИСНИКИ й ВІДНОВНИКИ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати й розуміти суть понять «окисно-відновні реакції», «процес окис нення», «процес відновлення», «окисник», «відновник», «електронний баланс»; • розрізняти окисно-відновні реакції та реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення; • характеризувати процеси окиснення та відновлення, роль окисно-від новних процесів у довкіллі; • складати рівняння найпростіших окисно-відновних реакцій на основі електронного балансу; • висловлювати судження про значення окисно-відновних реакцій. Пригадайте, що таке ступінь окиснення елемента та як його визначають за хімічними формулами речовин.

За ознакою зміни ступенів окиснення елементів, що містяться в складі речовин, реакції поділяють на окисно-відновні й такі, що від буваються без зміни ступеня окиснення. 89

Тема 2. Хімічні реакції

Реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення елементів. Серед реакцій, які ви вивчали, трапляються такі, що відбуваються без зміни ступеня окиснення хімічних елементів і з його зміною. Розглянемо кожний із цих типів реакцій. Наприклад, вам уже відома реакція розкладу нерозчинної у воді основи купрум(ІІ) гідро ксиду. З’ясуємо, які ступені окиснення елементів у реагентах і про дуктах реакції. Ви пам’ятаєте, що ступені окиснення записують над символами елементів і, на відміну від зарядів йонів, спочатку ставлять знак «+» або «–», а потім його числове значення +2, –2: +2 –2 +1

+2 –2

+1 –2

Сu(OH)2 = CuO + H2O. У запропонованому рівнянні реакції ступені окиснення кожного еле мента до й після реакції не змінилися. Розглянемо інший приклад — реакцію обміну між електролітами в роз чині і визначимо ступені окиснення елементів: +3 –1

+1 +5 –2

+1 –1

+3 +5 –2

AlI 3 + 3AgNO3 = 3AgI↓ + Al(NO3)3. У цій реакції ступені окиснення елементів також не змінюються. Окисно-відновні реакції. Зауважимо, що не всі реакції розкладу від буваються без зміни ступенів окиснення. Розглянемо реакцію розкладу води під дією постійного електричного струму (рис. 48). Запишемо рівняння реакції: ел. струм

2H2O = 2Н2↑ + О2↑. Проставимо ступені окиснення елементів: +1 –2

2H2O = 2Н2↑+ О2↑. Унаслідок цієї реакції утворюються два гази: кисень і водень. Вам відомо, що ступінь окиснення елементів у простих речовинах дорівнює нулю. Отже, реакція розкладу води відбувається зі зміною ступенів окиснення елементів. Анод

Аніоннообмінна мембрана

Катод

Рис. 48. Розклад води під дією постійного електричного струму

§ 17. Окисно-відновні реакції...

Наведемо ще один приклад: 0

+1 +6 –2

+2 +6 –2

Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑. Унаслідок цієї реакції ступені окиснення елементів Феруму й Гідрогену змінилися. Хімічні реакції, що відбуваються зі зміною ступенів окиснення еле ментів реагентів і продуктів реакції, називають окисно-відновними. Що ж є причиною зміни ступенів окиснення елементів під час окисно-відновних реакцій? Така зміна відбувається внаслідок переходу електронів від одних частинок атома до інших або зміщення електро нної густини між атомами реагентів реакції. В окисно-відновних реакціях одночасно відбуваються два взаємопов’язані процеси: окиснення та відновлення. Окиснення — це процес, під час якого частинки реагентів реакції віддають електрони. Відновлення — процес приєднання електронів частинками реагентів. Розглянемо ці процеси на прикладі реакції взаємодії алюмінію з хлором: 0

+3 –1

Al + Cl2 → AlCl3. Внаслідок реакції ступінь окиснення Алюмінію змінився з 0 до +3, тобто атом Алюмінію віддав 3 електрони. Цей процес записують таким електронним рівнянням: 0

Al – 3ē → Al. Отже, відбувся процес окиснення. Ці 3 електрони перейшли до Хлору, де кожний атом приєднав по одному з них, і Хлор набув ступінь окиснення –1. Отже, згідно з електронним рівнянням 0

–1

Cl2 + 2ē → 2Сl, відбувся процес відновлення (молекула Хлору приймає 2 електрони). Важливо зазначити, що процес окиснення завжди супроводжується процесом відновлення. Атоми, молекули чи йони, які віддають елек трони, називають відновниками. Атоми, молекули або йони, які приєд нують електрони, називають окисниками. Оскільки під час окисно-відновних реакцій відбуваються 2 процеси одночасно, кількість електронів, що віддає відновник, завжди дорівнює кількості електронів, які приєднує окисник. Ураховуючи це правило, у реакції між алюмінієм і хлором необхідно дібрати коефіцієнти. 91

Тема 2. Хімічні реакції

Метод електронного балансу. Цей метод застосовують для добору кое фіцієнтів в окисно-відновних реакціях. Щоб скласти рівняння реакції на основі електронного балансу, після запису молекулярного рівняння треба записати електронні рівняння. 1. Повторюємо їхній запис: 0

Al – 3ē → Al 0

2 6

–1

Cl2 + 2ē → 2Сl 2

2. Проводимо вертикальну риску й виписуємо за нею кількість елек тронів, що віддали й приєднали атоми Алюмінію та Хлору. 3. Визначаємо найменше спільне кратне для чисел 3 і 2. Це число 6, яке записуємо за другою вертикальною рискою посередині. 4. Ділимо найменше спільне кратне почергово на 3 і 2 й записуємо результат за третьою рискою в рядках, що стосуються елементів Алюмінію та Хлору. Ці числа відповідають коефіцієнтам. У молекуляр ному рівнянні перед алюмінієм (відновником) ставимо коефіцієнт 2, а перед хлором (окисником) — 3. Добираємо коефіцієнт для алюміній хлориду. Він становить 2. Правильно записане рівняння: 2Al + 3Cl2 = 2AlCl3. Розглянемо ще один приклад окисно-відновної реакції та складемо електронний баланс: –2

–2

H2S + O2 → SO2 + H2O; –2

S – 6ē → S 0

2 12

–2

O2 + 4ē → 2O

Біля гідроген сульфіду (відновника) ставимо коефіцієнт 2, а біля кисню (окисника) — 3. У правій частині молекулярного рівняння поставимо коефіцієнти так, щоб їхнє числове значення відповідало кількості атомів у лівій частині рівняння. Отже, рівняння окисно-відновної реакції має такий вигляд: 2H2S + 3O2 = 2SO2 + 2H2O. Відновниками в окисно-відновних реакціях є атоми металічних еле ментів (Na, K, Mg, Zn, Al), неметали (Н2, С), йони безоксигенових кислот Cl–, Br–, I–, а також йони металічних елементів із нижчими ступенями окиснення: +2

Fe, Cr, Cu. 92

§ 17. Окисно-відновні реакції...

До окисників належать кисень, хлор, бром, йод, сірка, нітратна й сульфатна кислоти тощо. Значення окисно-відновних реакцій. Окисно-відновні реакції мають важливе значення у природі, техніці та житті людини. З курсу біології вам відомо, що вивільнення кисню в атмосферу та підтримування його постійного вмісту в ній відбуваються внаслідок процесу фотосинтезу (рис. 49). Його суть полягає в тому, що з вуглекислого газу й води під дією світла утворюються глюкоза (органічна речовина) і кисень. Рівняння реакції: 6СО2 + 6Н2О = С6Н12О6 + 6О2↑.

Рис. 49. Схема процесу фотосинтезу

Завдяки окисно-відновним процесам ми диха ємо. Унаслідок цих процесів в організмах людини, рослин і тварин від бувається обмін речовин. За їх участю перетравлюється їжа. Окисно-відновні процеси відбуваютья в атмосфері під час грози. Кисень за високих температур взаємодіє з азотом з утворенням нітро ген(ІІ) оксиду, який окиснюється до нітроген(ІV) оксиду. Ці реакції належать до окисно-відновних і відбуваються за такими схемами: N2 + O2 → NO;

NO + O2 → NO2.

Перетворіть схеми на рівняння реакцій, дібравши коефіцієнти методом електронного балансу.

Більшість процесів у природі відбуваються завдяки окисно-відновним реакціям. Це, зокрема, іржавіння заліза за наявності кисню та вологи; окис нення інших металів — алюмінію, міді й цинку; процеси бродіння; гниття органічних решток; колообіги кисню, азоту й води; самоочищення водойм; виверження вулканів; утворення в земній корі корисних копалин і мінералів. Опишіть, де використовують окисно-відновні реакції в побуті.

Окисно-відновні процеси застосовують у промисловості для відновлення металів із руд (рис. 50), виплавлення чавуну та сталі, виробництва мінераль них добрив, барвників, гормонів росту рослин. У фармацевтичній промисло вості окисно-відновні процеси застосовують під час синтезу лікарських пре паратів, а в хімічній — для одержання хлоридної, сульфатної, нітратної та інших кислот, лугів, амоніаку, лужних металів і галогенів. Поглибити свої знання про окисно-відновні реакції та їхню користь для людини ви зможете, вивчаючи органічні сполуки. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• За зміною ступеня окиснення елементів реагентів реакції поділяють на реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення, та окисно-відновні реакції.

Тема 2. Хімічні реакції

Окиснення +2 –2

3СО

+3 –2

Fe2O3

+4 –2

3CO2 + 2Fe

Відновлення Відновник

Окисник 6ē

1. Віддає електрони. 2. Ступінь окиснення підвищується. 3. Окиснюється.

1. Приєднує електрони. 2. Ступінь окиснення знижується. 3. Відновлюється.

+2 +4

С – 2ē → С

Відновник

+3 0

Fe + 3ē → Fe

Окисник

+2 +3 +4 0

3CO + Fe2O3 = 3CO2 + 2Fe

Завдання Складіть рівняння окисно-відновних реакцій: 1) Al + FeO → ... ; 2) Сr2O3 + Al → ... ; 3) CuO + H2 → ... ; 4) Mn + FeO → ... ; 5) P + FeO → ... . Доберіть в інтернеті інформацію про їх застосування.

Рис. 50. Схема окисно-відновної реакції • Хімічні реакції, що відбуваються зі зміною ступенів окиснення елементів реагентів і продуктів реакції, називають окисно-відновними. • Ступінь окиснення елементів змінюється внаслідок переходу електронів від одних частинок в інші або перерозподілу електронної густини між атомами реагентів у реакції. • Окиснення — процес, під час якого частинки реагентів реакції віддають електрони. • Відновлення — процес приєднання електронів частинками реагентів. • Атоми, молекули чи йони, які віддають електрони, називають відновниками. Атоми, молекули або йони, які приєднують електрони, називають окисниками. • Кількість електронів, що віддає відновник, завжди дорівнює кількості електронів, які приєднує окисник. • Метод електронного балансу використовують для добору коефіцієнтів в окисно-відновних реакціях. • Окисно-відновні процеси мають важливе значення в природі, практичне застосування в побуті та багатьох виробництвах (наприклад, металургії). ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Уставте пропущені слова, щоб висловлювання стало завершеним.

Реакції, які відбуваються зі зміною ... ... , називають ... . Елемент, який ... електрони і ... , є відновником. Елемент, який ... електрони і ... , є окисником. Метод, за допомогою якого добирають коефіцієнти для окисно-відновних реакцій, називають ... . 94

§ 18. Екзотермічні й ендотермічні реакції... 2. Окисно-відновні реакції відображають наведені нижче схеми. А Zn + O2 → Б BaO + H2O → В CaO + HCl → Г Mg + HCl → 3. Зазначте в наведених схемах ступені окиснення елементів до й після реакції та встановіть, який елемент окиснився, а який відновився: а) Al + НСl → AlCl3 + + H2↑; б) Mg + Br2 → MgBr2; в) KClO3 → KCl + O2↑; г) Cr + Cl2 → CrCl3; ґ) Zn + H2SO4 → → ZnSO4 + H2↑; д) Ca + H2O → Ca(OH)2 + H2↑. 4. Допишіть рівняння реакцій і класифікуйте їх на окисно-відновні й такі, що відбуваються без зміни ступенів окиснення: а) Na2O + Н2O → ... ; б) H2O2 → ... ; в) Mg + H3PO4 → ... ; г) Fe + Cl2 → ... ; ґ) ZnO + HNO3 → ... ; д) Ba + H2O → ... . 5. Допишіть рівняння реакцій. Доберіть коефіцієнти методом електронного балансу, укажіть окисник і відновник: а) Al + F2 → ... ; б) Fe + HBr → ... ; в) K + H2O → → ... ; г) Mg + HCl → ... ; ґ) Zn + H2SO4 → ... ; д) Na + H2O → ... ; е) CuO + H2 → ... ; є) P + O2 → ... . 6. Охарактеризуйте процеси, що відбуваються, користуючись схемами. Складіть рівняння відповідних реакцій. Доберіть коефіцієнти методом електронного балансу: –2

а) S → S; б) Fe → Fe; в) Ca → Ca; г) S → S; ґ) Al → Al; д) C → C. 7. Допишіть пропущені продукти реакцій. Доберіть коефіцієнти методом електронного балансу, укажіть окисник і відновник: а) РH3 + O2 → Р2O5 + ... ; б) Fe + + HCl → ... + H2; в) Na + H2O → NaOH + ... ; г) HgO → Hg + ... ; ґ) SO2 + O2 → ... ; д) Ba + H2O → Ba(OH)2 + ... . 8. Складіть рівняння реакцій за наведеною схемою: Zn → ZnO → Zn(NO3)2 → → Zn(OH)2 → ZnO → Zn. Укажіть тип кожної реакції, виокремте серед них окисно-відновні. Обчисліть масу цинк нітрату, якщо прореагував цинк масою 19,5 г. 9. До розчину масою 117 г із масовою часткою натрій хлориду 0,1 долили розчин арґентум(І) нітрату до повної взаємодії. Обчисліть масу й кількість утвореної нерозчинної речовини, що випала в осад. Назвіть продукти реакції.

§ 18. Екзотермічні й ендотермічні реакції. ТЕРМОХІМІЧНЕ РІВНЯННЯ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати й розуміти суть понять «тепловий ефект хімічної реакції», «екзо термічні реакції», «ендотермічні реакції», «термохімічне рівняння»; • розрізняти екзо- й ендотермічні реакції; • характеризувати хімічні реакції за тепловим ефектом; • складати екзо- й ендотермічні рівняння; • висловлювати судження про роль термохімічних реакцій у житті людини. Пригадайте, які зовнішні ефекти характерні для хімічної реакції.

Тепловий ефект хімічної реакції. Вам уже відомо, що хімічні перетво рення одних речовин на інші супроводжуються певними явищами, які 95

Тема 2. Хімічні реакції

називають ознаками хімічних реакцій. Однією з основних ознак є тепло вий ефект реакції, що виявляється виділенням або поглинанням енергії. За тепловим ефектом реакції поділяють на екзо- й ендотермічні (рис. 51). ТЕПЛОВИЙ ЕФЕКТ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ

Екзотермічні — реакції, що відбуваються з виділенням тепла.

Ендотермічні — реакції, що відбуваються з поглинанням тепла.

Рис. 51. Схема класифікації хімічних реакцій за тепловим ефектом

З’ясуємо, чому в одних випадках тепло виділяється, а в інших — поглинається. Під час хімічних перетворень відбувається руйнування одних хімічних зв’язків та утворення інших. Тому тепловий ефект хіміч ної реакції визначають за різницею енергії зв’язків, що утворилися, і тих, що зруйнувалися. Чи дійсно в хімічних зв’язках речовин до реакції акумулюється енер гія? Щоб відповісти на це запитання, виконаємо демонстраційні досліди. Д о с л і д 1. Взаємодія кальцій оксиду з водою. Здійснимо реакцію, відому під назвою «гасіння вапна». Покладемо на дно фарфорової чашки кілька шматочків кальцій оксиду й доллємо (обережно!) воду. Спостерігаємо бурхливу реакцію — «заки пання» суміші з виділенням великої кількості тепла (рис. 52). Це екзотермічна реакція: СаО + Н2О = Са(ОН)2. До екзотермічних належать реакції горіння дере Рис. 52. Взаємодія кальцій оксиду з водою вини, природного газу, вугілля, магнію, порошку заліза, розчинення сульфатної кислоти, нейтраліза ція кислот лугами, взаємодія металів із сіркою тощо. З курсу фізики вам відомо, що для кожної речовини характерний певний запас енергії, що утворюється внаслідок хаотичного руху структурних час тинок цієї речовини (молекул, атомів, йонів тощо). Це внутрішня енергія. У процесі хімічних реакцій внутрішня енергія змінюється внаслідок перебудови речовин і супроводжується або виділенням, або поглинанням тепла. Під час реакцій горіння, окрім тепла, виділяється і світлова енергія. На уроках хімії в попередніх класах ви вже здійснювали хімічні перетво рення, які відбувалися за нагрівання реагентів реакції. До них належать багато реакцій розкладу, розчинення амоній хлориду у воді, взаємодія азоту з киснем, одержання кисню з гідроген пероксиду, калій перманганату тощо. Однак тоді ви не звертали уваги на те, виділяється чи поглинається теплова енергія. Д о с л і д 2. Розклад купрум(ІІ) гідроксиду. Нагріємо (обережно!) на полум’ї спиртівки синій осад купрум(ІІ) гідроксиду, одержаний унаслі 96

§ 18. Екзотермічні й ендотермічні реакції...

док реакції обміну. За кілька хвилин спостерігаємо утворення чорного осаду. Це продукт реакції купрум(ІІ) оксид. Реакція відбувається тільки за нагрівання, тобто з поглинанням тепла. Це ендотермічна реакція. Складіть самостійно рівняння реакції розкладу купрум(ІІ) гідроксиду.

Тепловим ефектом реакції називають кількість тепла, що виді ляється або поглинається під час хімічної реакції. Тепло, яке виділяється або поглинається, визначають за різницею між внутрішньою енергією реагентів і продуктів реакції (рис. 53). Її позначають ∆Н (читають «дельта-аш»). Одиницею вимірювання тепла є джоуль (Дж) або кілоджоуль (кДж). СaO + H2O = Ca(OH)2 реагенти

продукти

Сu(OH)2 = CuO + H2O реагенти

продукти

Ереаг. > Епрод.; ∆Н < 0

Ереаг. < Епрод.; ∆Н > 0

Реакція екзотермічна

Реакція ендотермічна

Рис. 53. Теплові ефекти екзо- й ендотермічної реакцій

Термохімічне рівняння. Кількість тепла, що виділяється або поглина ється під час хімічної реакції, зазначають у рівняннях реакції. Наприклад, реакцію горіння метану в кисні відображає таке рів няння: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О; ∆Н = –890 кДж. Хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект реакції, називають термохімічним. Термохімічне рівняння горіння вуглецю: С + О2 = СО2; ∆Н = –393 кДж. Обидві реакції — екзотермічні, бо енергія виділяється назовні. Розклад кальцій карбонату відбувається за високих температур. Тому енергія надходить іззовні. Цю ендотермічну реакцію відображає таке рівняння: t СаСО3 = СаО + Н2О; ∆Н = +180 кДж. Термохімічне рівняння розкладу меркурій(ІІ) оксиду: 2HgO = 2Hg + О2; ∆Н = +180 кДж. 97

Тема 2. Хімічні реакції

Як бачимо, кількість тепла, що поглинулася під час розкладу каль цій карбонату й меркурій(ІІ) оксиду, — однакова. Проте в реакції роз кладу кальцій карбонату поглинулося 180 кДж тепла з розрахунку на 1 моль, а в реакції розкладу меркурій(ІІ) оксиду — на 2 моль реагенту. Отже, тепловий ефект реакції відповідає тій кількості речовини, яка реагує за рівнянням реакції. Значення термохімічних реакцій. Екзотермічні реакції відіграють важ ливу роль у процесах виробництва сульфатної кислоти, виплавлення чавуну та сталі, відновлення металів алюмотермічним способом. У побуто вих умовах їх використовують для обігрівання приміщень, приготування їжі, у хімічних лабораторіях для створення умов реакцій. Завдяки екзо термічним реакціям організми людини та тварин підтримують постійну температуру тіла. Ендотермічні реакції також мають практичне значення. Їх застосо вують для виробництва багатьох неорганічних речовин, виробництва негашеного вапна, виготовлення лікарських препаратів тощо. Термохімічні рівняння використують для обчислень під час вироб ничих процесів. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• • • •

За тепловим ефектом реакції поділяють на екзо- й ендотермічні. Екзотермічні — реакції, під час яких виділяється тепло. Ендотермічні — реакції, під час яких поглинається тепло. Екзотермічна реакція відбувається, якщо енергія реагентів є більшою за енергію утворення продуктів реакції. • Ендотермічна реакція відбувається, якщо енергія реагентів є меншою від енергії утворення продуктів реакції. • Тепловим ефектом реакції називають кількість тепла, що виділяється або поглинається під час хімічної реакції. • Хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект реакції, називають термохімічним. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Сформулюйте визначення екзо- й ендотермічних реакцій. 2. Позначте екзотермічні реакції серед запропонованих. А S + O2 = SO2; ∆Н = –297 кДж Б H2 + I2 = 2HI; ∆Н = +52 кДж В 2NH3 = N2 + 3H2; ∆Н = –92,4 кДж Г 3Fe + 2O2 = Fe3O4; ∆Н = –1117 кДж 3. Позначте реакцію заміщення, що належить до ендотермічних. А MnO2 + 2C = Mn + 2CO; ∆Н = +293 кДж Б 2CO + O2 = 2CO2; ∆Н = –282 кДж В SiO2 + 2Mg = Si + 2MgO; ∆Н = –392 кДж Г H2O + C = CO + H2; ∆Н = –132 кДж 4. Перетворіть схеми реакцій на рівняння, поставивши коефіцієнти, і вкажіть, до якого типу належить кожна з них: а) Zn + HCl → ... ; б) Al2O3 + H2SO4 → ... ; t в) CaO + CO2 → ... ; г) K + H2O → ... ; ґ) SO3 + H2O → ... ; д) H2O2 → ... ; е) CaCl2 + H3PO4 → t → ... ; є) KClO3 → ... .

§ 19. Швидкість хімічної реакції... 5. Перетворіть схеми реакцій на рівняння і класифікуйте їх на окисно-відновні й такі, що відбуваються без зміни ступеня окиснення. Позначте окисник і відновник в окисно-відновних реакціях: а) K2O + H2O → ... ; б) Zn + Cl2 → ... ; в) H2 + t ... ; ґ) SO2 + O2 → ... ; д) AlCl3 + NaOH → ... . + Br2 → ... ; г) CaCO3 → 6. Обчисліть маси й об’єми водню та кисню (н. у.), що утворюються внаслідок електролізу води кількістю речовини 15 моль. 7. Мідь кількістю речовини 2,5 моль окиснилася, унаслідок чого утворився купрум(ІІ) оксид масою 140 г. Обчисліть масову частку міді, що окиснилася, й об’єм кисню (н. у.), що прореагував. 8. До розчину масою 98 г із масовою часткою сульфатної кислоти 0,15 додали цинк із надлишком. Обчисліть масу утвореної солі й об’єм газу (н. у), що утворився. 9. У розчин масою 240 г із масовою часткою купрум(ІІ) сульфату 0,1 занурили залізний цвях. Обчисліть масу новоутвореної солі та масу й кількість речовини міді, що відновилася після закінчення реакції. Назвіть окисник і відновник.

§ 19. Швидкість хімічної реакції, ЗАЛЕЖНІСТЬ ШВИДКОСТІ РЕАКЦІЇ ВІД РІЗНИХ ЧИННИКІВ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати й розуміти суть поняття «швидкість хімічної реакції»; • характеризувати вплив різних чинників на швидкість хімічної реак ції; • пояснювати залежність швидкості хімічної реакції від різних чинників; • спостерігати взаємодію металів різної активності з хлоридною кисло тою; залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагентів і температури; • робити висновки про вплив різних чинників на швидкість хімічної реакції.

Швидкість хімічних реакцій. Спостерігаючи хімічні реакції, ви переко налися, що вони відбуваються з різною швидкістю. Наприклад, іржа віння заліза, окиснення міді до купрум(ІІ) оксиду, утворення гірських порід і їх руйнування — це тривалі процеси, а горіння дров чи свічки відбувається впродовж кількох годин. Більшість реакцій, які ви здій снюєте в лабораторії, — миттєві. Знання про швидкість хімічних реакцій відіграє важливу роль у житті людини, адже вона може керувати перетвореннями речовин, при скорюючи потрібні й сповільнюючи некорисні для неї. На великих підприємствах значну увагу приділяють економічній ефективності виробництва. Для розрахунків використовують вчення про швидкість хімічних реакцій та механізм їх перебігу, назва якого — хімічна кінетика. Швидкість хімічних реакцій визначають зміною концентрації реагенту або продукту реакції за одиницю часу в одиниці об’єму (рис. 54). 99

Тема 2. Хімічні реакції

Час

Реагенти

Продукти реакції

Рис. 54. Схема зміни концентрації реагентів за певний проміжок часу

Чинники, від яких залежить швидкість хімічної реакції. Упродовж вивчення курсу хімії ви переконалися в тому, що для здійснення хімічної реакції потрібно забезпечити зіткнення частинок реагентів. Щоб утворилися про дукти реакції, здебільшого потрібна енергія, яка забезпечує руйнування хімічних зв’язків у молекулах речовин, що реагують, й утворення відпо відних зв’язків у молекулах продуктів реакції. Цю енергію надають нагрі ванням речовин, значним їх опроміненням і додаванням каталізатора. 1. Залежність швидкості хімічної реакції від природи реагентів Хімічна активність, тобто природа речовин, що реагують, значною мірою впливає на перебіг реак ції. Перевіримо це, досліджуючи взаємодію металів із хлоридною кислотою (рис. 55). Д о с л і д 1. Взаємодія цинку, магнію та заліза з Mg Zn хлоридною кислотою. Покладемо на дно трьох про бірок однакові порції магнію, цинку та заліза. а б Доллємо у пробірки однакові об’єми хлоридної кис Рис. 55. Взаємодія лоти. Через кілька секунд спостерігаємо виникнення цинку (а) і магнію (б) бульбашок, що свідчить про утворення і виділення з хлоридною кислотою водню. За інтенсивністю виділення бульбашок можна визначити швидкість реакцій. Згідно з результатами дослідження, найшвидше реагує магній, потім — цинк, а найповільніше — залізо. Отже, швидкість хімічної реакції залежить від активності металу. Складіть самостійно рівняння реакцій і розгляньте їх з погляду окисно-відновних. Зробіть висновок про окисник і відновник.

2. Залежність швидкості хімічної реакції від концентрації реагентів

Д о с л і д 2. Взаємодія цинку, магнію та заліза з розведеною хлоридною кислотою. Видозмінимо дослід 1. До однакових порцій магнію, цинку й заліза доллємо хлоридну кислоту, розведену наполовину водою. Це означає, що кон центрація кислоти вдвічі менша. Спостерігаємо виділення меншої кількості бульбашок утвореного водню, реакція відбувається значно повільніше. Від чого це залежить? Очевидно, що зі зменшенням концентрації хлоридної кислоти кількість йонів H+ у розчині зменшилася вдвічі. 100

§ 19. Швидкість хімічної реакції...

Тому частота зіткнень між металом та йонами H+ зменшилася. Якщо ж концентрацію хлоридної кислоти збільшити, то відповідно збіль шиться і частота зіткнень. На рисунку 56 зображено процес горіння вуглецю в атмосфері повітря та в чистому кисні. Порівняйте результати горіння та поясніть самостійно, чому в кисні горіння відбувається інтенсивніше.

У разі, коли реагентами є гази, швидкість реакції залежить від тиску. Що більше стис кають газову суміш, то менші віддалі між молекулами газів, тобто концентрація реа гентів збільшується. Тому збільшується і час тота зіткнень молекул (рис. 57). Отже, швидкість хімічної реакції прямо а б пропорційна до концентрації реагентів. Рис. 56. Горіння вуглецю в 3. Залежність швидкості хімічної реакції від атмосфері повітря (а) і в площі поверхні контакту реагентів чистому кисні (б) Швидкість хімічної реакції також зале жить від ступеня подрібнення речовини. Що P1 P2 більше подрібнена речовина, то більша ймо вірність установлення контакту між реаген тами. Виконаємо ще один дослід. Д о с л і д 3. Взаємодія кальцій карбонату з розчином сульфатної кислоти. Покладемо у дві про бірки однакові порції кальцій карбонату (крейди): у першу пробірку — шматком, у другу — подріб нену. Доллємо однакові об’єми розчину сульфатної кислоти. Спостерігаємо, що в першій пробірці реак Рис. 57. Залежність ція відбувається значно повільніше, ніж у другій. швидкості хімічної реак ції від тиску 4. Залежність швидкості хімічної реакції від температури Вивчаючи хімічні реакції, ви вже ознайомилися з деякими чинниками впливу на них. Що ж відбувається за нагрівання реагентів? Наприклад, у природних умовах окиснення міді відбувається дуже повільно. Однак якщо нагріти мідну дротину на полум’ї спиртівки, то вона швидко окисню ється і на її поверхні утворюється чорний наліт купрум(ІІ) оксиду. Отже, швидкість хімічної реакції збільшується під час нагрівання речо вин. Чим це пояснити? Очевидно, що з надходженням тепла ззовні час тинки речовини стають активнішими й частота їх зіткнень збільшується. 5. Залежність швидкості хімічної реакції від наявності каталізатора Пригадайте, які речовини називають каталізаторами та яка їхня функція в хімічних реакціях.

101

Тема 2. Хімічні реакції

Пришвидшити хімічні реакції можна за допомогою каталізаторів. У більшості виробництв застосовують каталізатори, які пришвидшують реакції, щоб зменшити затрати праці й енергоресурсів, тобто підвищити еко номічну ефективність процесів. Одержуючи кисень у лабораторних умовах із гідроген пероксиду, ви як каталізатор використовували манган(ІV) оксид. Одним із принципів «зеленої» хімії є використання ефективних каталізаторів. Ефективність каталізатора полягає в зміні умов здій снення реакцій. Лабораторний дослід 10 Вплив концентрації та температури на швидкість реакції цинку з хлоридною кислотою

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами й суворо дотримуйтеся їх. З а в д а н н я 1. Дослідіть вплив площі поверхні контакту реагентів на швидкість хімічної реакції. Д о с л і д 1. Покладіть в одну пробірку гранулу цинку, а в другу — таку саму масу порошку. До кожної з пробірок долийте хлоридну кис лоту однакового об’єму. Опишіть свої спостереження. Зробіть висновок. З а в д а н н я 2. Дослідіть вплив концентрації реагентів на швидкість хімічної реакції. Д о с л і д 2. Покладіть у дві пробірки по гранулі цинку. Долийте хло ридну кислоту різної концентрації: у першу пробірку — нерозведену, у другу — наполовину розведену водою. Опишіть свої спостереження. Зробіть висновок. З а в д а н н я 3. Дослідіть вплив температури на швидкість хімічної реакції. Д о с л і д 3. Покладіть у дві пробірки по гранулі цинку. Долийте хлоридну кислоту так, щоб вона вкрила поверхню цинку. Нагрійте одну з пробірок, а другу залиште для порівняння. Опишіть свої спосте реження. Зробіть висновок. Запишіть результати спостережень у таблицю в зошиті. Зробіть загальний висновок. Реагенти

Результати спостережень. Рівняння окисно-відновної реакції

Висновок

Дослід 1 Дослід 2 Дослід 3

Загальний висновок: ______________________________________. 102

§ 19. Швидкість хімічної реакції... ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімічна кінетика — учення про швидкість і механізм хімічних реакцій. • Швидкість хімічних реакцій визначають за зміною концентрації реагенту або продукту реакції за одиницю часу в одиниці об’єму. • Швидкість хімічної реакції залежить від таких чинників: 1) природи речовин, що реагують; 2) концентрації реагентів; 3) площі поверхні контакту реагентів; 4) температури; 5) наявності каталізатора. • Усі зазначені чинники впливають на збільшення частоти зіткнень між частинками речовин, а отже, пришвидшують хімічні реакції. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть, як ви розумієте поняття «швидкість хімічної реакції». 2. Наведіть приклади реакцій, що відбуваються з різною швидкістю за певний проміжок часу. 3. Назвіть чинники, які впливають на швидкість хімічної реакції. 4. Позначте два чинники, що вплинуть на швидкість хімічної реакції, яка відбуватиметься за схемою KClO3 → KCl + O2↑. А температура Б тиск В каталізатор Г площа поверхні контакту реагентів 5. Укажіть, між якими речовинами швидкість хімічної реакції залежить від тиску. А взаємодія міді з киснем Б взаємодія розчинів сульфатної кислоти й барій гідроксиду В взаємодія кальцій карбонату з хлоридною кислотою Г взаємодія водню з азотом 6. Укажіть, у якій із пробірок (І чи ІІ) і чому реакція відбуватиметься швидше, якщо до однакових порцій натрій сульфіту долити по 2 мл хлоридної кислоти, розведеної так: І — 1 : 4; ІІ — 1 : 8. А у І, бо концентрація кислоти менша Б у ІІ, бо концентрація кислоти більша В у І, бо концентрація кислоти більша Г у ІІ, бо концентрація кислоти менша 7. Укажіть, у якій із пробірок (І чи ІІ), що містять однакові порції порошків цинку й заліза та до яких долито розчин сульфатної кислоти однакової концентрації об’ємом по 2 мл, реакція відбуватиметься повільніше й чому. А у ІІ, бо залізо менш активне, ніж цинк Б у ІІ, бо залізо активніше за цинк В у І, бо цинк активніший за залізо Г у І, бо залізо активніше за цинк 8. До розчину масою 252 г з масовою часткою натрій сульфіту 10 % долили хлоридну кислоту в надлишку. Обчисліть масу утвореної солі й об’єм газу (н. у.), що утворився. Назвіть газ. 9. У розчин масою 376 г із масовою часткою купрум(ІІ) нітрату 0,25 занурили магнієву пластину. Обчисліть масу утвореної солі та масу й кількість речовини металу, що відновився.

103

Тема 2. Хімічні реакції

§ 20. Оборотні й необоротні реакції Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• • • •

формулювати визначення понять «пряма реакція», «оборотна реакція»; розрізняти оборотні й необоротні реакції; наводити приклади оборотних і необоротних реакцій; складати рівняння оборотних реакцій.

Пригадайте умови, за яких хімічні реакції відбуваються.

Оборотні й необоротні реакції. За напрямком реакції поділяють на оборотні й необоротні. Під час вивчення електролітичної дисоціації ви ознайомилися з реакціями електролітів у розчинах, які завершуються повним перетворенням реагентів на продукти реакцій. До них належать реакції, що відбуваються з утворенням нерозчинної речовини, яка випадає в осад, утворенням і виді ленням газу, утворенням води або іншої малодисоційованої речовини. Усі попередні реакції взаємодії металів із кислотами, кислот із лугами, металів із неметалами, які ви вивчали, є необоротними, оскільки з отриманих продуктів реакції не можна одержати реагенти. Про такі реакції кажуть, що вони відбуваються в одному напрямку. Необоротними називають хімічні реакції, що відбуваються в одному напрямку й завершуються повним перетворенням реаген тів на продукти реакції. Виконаємо кілька демонстраційних дослідів. Д о с л і д 1. Взаємодія натрій карбонату з розчином сульфатної кислоти. Насиплемо в пробірку порошок натрій карбонату й доллємо роз чин сульфатної кислоти. Рівняння реакції: Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O. Реакція припиниться тоді, коли один із реагентів прореагує повністю. Одержати натрій карбонат і сульфатну кислоту з утворених продук тів практично неможливо. Отже, ця реакція необоротна, бо під час взаємодії речовин забезпечу ються дві умови: утворився і виділився газ та утворилися молекули мало дисоційованої води. Д о с л і д 2. Реакція розкладу амоній хлориду. Насиплемо кристали амоній хлориду NH4Cl масою 2,5–3 г у велику пробірку. Закриємо отвір пробірки корком із скловати й нагріватимемо вміст пробірки. Що спостерігаємо? Амоній хлорид розкладається з утворенням амо ніаку та гідроген хлориду. Згодом у верхній частині пробірки збира ється густий дим, що свідчить про взаємодію утворених продуктів між собою. Продуктом реакції є сіль амоній хлорид. Отже, у пробірці одночасно відбуваються дві реакції: пряма — роз клад амоній хлориду та зворотна — утворення амоній хлориду (рис. 58). 104

§ 20. Оборотні й необоротні реакції

→ NH + HCl NH4Cl → 3

Зворотна реакція

NH3 + HCl → NH4Cl

NH4Cl → NH3 + HCl

Пряма реакція

Розклад амоній хлориду

Рис. 58. Схема прямої та зворотної реакцій розкладу й утворення амоній хлориду

Хімічні реакції, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямках (прямому й зворотному), називають оборотними. У рівняннях оборотних реакцій замість знака «=» ставлять дві стрілки, спрямовані в протилежних напрямках «». Оборотною є також реакція взаємодії водню з йодом. На рисунку 59 зображено утворення молекул гідроген йодиду — це пряма реакція (рис. 59, а) та розклад утвореного продукту реакції на водень і йод — зворотна реакція (рис. 59, б). Вивчаючи кристалогідрати, ви ознайомилися з оборотною реакцією, яка відбувається під час сильного нагрівання мідного купоросу. Утворюється безводна сіль купрум(ІІ) сульфат. Зневоднюючись, криста логідрат змінює синє забарвлення, а утворена безводна сіль має білий колір. Але якщо до неї додати кілька крапель води, то забарвлення змі ниться на попереднє. Складемо рівняння прямої та зворотної реакцій: → CuSO + 5H O. CuSO4 · 5H2O → 4 2

Рис. 59. Схема прямої (а) і зворотної (б) реакцій утворення та розкладу гідроген йодиду

105

Тема 2. Хімічні реакції

Оборотні реакції відбуваються в природі. Під час грози температура в зоні електричного розряду становить 3000–4000 °С, унаслідок чого з кисню, що міститься в повітрі, утворюється озон. Однак озон є нестій кою речовиною і частково розкладається на кисень. Ці процеси відо бражає таке рівняння: → 2O . 3O2 → 3 ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімічні реакції, що відбуваються в одному напрямку й завершуються повним перетворенням реагентів на продукти реакції, називають необоротними. • Хімічні реакції, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямках, називають оборотними. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть чинник, який узято за основу класифікації хімічних реакцій на оборотні й необоротні. 2. Сформулюйте визначення реакцій: а) необоротних; б) оборотних. 3. Наведіть приклади реакцій: а) необоротних; б) оборотних. 4. Укажіть, які з поданих реакцій є необоротними. А N2 + 3H2 = 2NH3 Б K2SO3 + H2SO4 = K2SO4 + SO2↑ + H2O В 2H2O = O2 + 2H2 Г Ba(OH)2 + H2SO4 = BaSO4↓ + 2H2O 5. Перетворіть схеми реакцій на рівняння, дібравши коефіцієнти, і вкажіть оборотні реакції: а) BaO + H2SO4 → ... ; б) Al(OH)3 + HCl → ... ; в) N2 + H2 → ... ; г) K2SO3 + HCl → ... ; t ... . ґ) H2O → ... ; д) HgO → 6. Під час взаємодії барій нітрату з натрій карбонатом утворився барій карбонат масою 59,1 г. Обчисліть маси реагентів. 7. Натрій карбонат повністю прореагував із розчином кислоти масою 98 г, у якому масова частка сульфатної кислоти 0,3. Обчисліть маси утворених солі та води й об’єм (н. у.) утвореного карбон(IV) оксиду. 8. Під час кип’ятіння води в чайнику з’являється карбонатна плівка, яка поступово стає товстішою. Запропонуйте доступний спосіб очищення чайника від кальцій та магній карбонатів із використанням реакцій обміну. Складіть рівняння реакцій та вкажіть тип реакції щодо їх напрямку. Поясніть, чому економічно невигідно кип’ятити воду в чайнику з накипом. 9. Вивчаючи реакції йонного обміну, ви спостерігали, що відбувається: 1) зміна забарвлення суміші, утвореної розчинами лугу та фенолфталеїну; 2) утворення нерозчинної речовини, що випадає в осад; 3) утворення і виділення газу. Підберіть розчини речовин так, щоб реакції супроводжували явища, які безпечно спостерігати. Складіть рівняння реакцій у молекулярній та йонній формах.

106

§ 20. Оборотні й необоротні реакції 10. Перемалюйте кросворд у зошит і розв’яжіть його. У виділеному стовпці отримайте назву одного з типів хімічних реакцій. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Реакції, що відбуваються в одному напрямку до перетворення речовин реагентів на продукти реакції. Процес приєднання електронів. Реакція, що відбувається з виділенням тепла. Назва елемента, що приєднує електрони в окисно-відновних реакціях. Чинник, який впливає на швидкість хімічної реакції. Назва типу реакції, що відбувається між простою та складною речовинами. Реакція розкладу купрум(ІІ) гідроксиду. Реакція між двома складними речовинами.

1 2 3 4 5 6 7 8

Практична робота 3 Вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій Виконавши цю практичну роботу, ви зможете:

• закріпити вміння й набути навички самостійно виконувати досліди, які демонструють залежність швидкості хімічних реакцій від різних чинни ків, зокрема: природи речовин-реагентів, концентрації реагентів, площі поверхні контакту реагентів, температури й наявності каталізатора; • спостерігати швидкість хімічних реакцій; • пояснювати результати спостережень; • набути практичні вміння роботи з речовинами й обладнанням; • робити висновки з досліджень.

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами й суворо дотримуйтеся їх. Мета роботи: закріпити на практиці теоретичні знання про вплив різних чинників на швидкість хімічних реакцій; удосконалити навички спостерігати й пояснювати результати досліджень. Варіанти практичної роботи (І–ІІІ) подані за підвищенням склад ності завдань і відповідають різним рівням навчальних досягнень учнів/ учениць. 107

Тема 2. Хімічні реакції

І варіант 1. Помістіть на дно двох пробірок однакові порції порошків цинку й міді. Долийте хлоридну кислоту однакової концентрації та об’єму. Спостерігайте за змінами в пробірках. Де можливо, складіть рівняння реакції. Зробіть висновки. 2. До двох пробірок, що містять однакові порції магнію, долийте: у першу пробірку — хлоридну кислоту, у другу — такий самий об’єм хлоридної кислоти, розведеної наполовину водою. Здійсніть спостере ження. Складіть рівняння реакції. Зробіть висновок. 3. Закрутіть мідну дротинку в спіраль і нагрійте на полум’ї спир тівки до зміни забарвлення. Порівняйте з дротиною, яку не нагрівали. Поясніть зміни. Складіть рівняння реакцій. ІІ варіант 1. Помістіть на дно трьох пробірок однакові порції порошків магнію, заліза й міді. Долийте розчин сульфатної кислоти однакової концентра ції та об’єму. Спостерігайте за змінами в пробірках. Зробіть висновки. 2. До двох пробірок, що містять однакові порції порошку цинку, долийте: у першу пробірку — хлоридну кислоту, у другу — такий самий об’єм хлоридної кислоти, розведеної наполовину водою. Здійсніть спо стереження. Складіть рівняння реакції. Зробіть висновок. 3. Покладіть у дві пробірки однакові порції кальцій карбонату (крейди): у першу пробірку — шматком, у другу — подрібненого. Долийте однакові об’єми розчину сульфатної кислоти. Зробіть висновок про швидкість, з якою реакція відбувається. Складіть рівняння реакції. 4. Покладіть у дві пробірки по невеликому залізному цвяху й долийте хлоридної кислоти так, щоб покрити поверхню цвяхів. Нагрійте вміст однієї пробірки. Порівняйте швидкість, з якою реакція відбувається в кожній із пробірок. Зробіть висновок. ІІІ варіант 1. Помістіть на дно чотирьох пробірок однакові порції порошків маг нію, цинку, заліза й міді. Долийте розчин сульфатної кислоти однакової концентрації та об’єму. Спостерігайте за змінами в пробірках. Де мож ливо, складіть рівняння реакції. Зробіть висновки. 2. До двох пробірок, що містять однакові порції порошку заліза, долийте: у першу пробірку — хлоридну кислоту, у другу — такий самий об’єм хлоридної кислоти, розведеної наполовину водою. Здійсніть спо стереження. Складіть рівняння реакції. Зробіть висновок. 3. Покладіть у дві пробірки однакові порції магній карбонату: у першу пробірку — шматком, у другу — подрібненого. Долийте одна кові об’єми розчину нітратної кислоти. Зробіть висновок про швидкість реакцій. Складіть рівняння реакції. 4. Покладіть у дві пробірки по гранулі цинку й долийте хлоридну кислоту так, щоб покрити поверхню цвяхів. Нагрійте вміст однієї про 108

§ 20. Оборотні й необоротні реакції

бірки. Порівняйте швидкість, з якою реакція відбувається в кожній із пробірок. Зробіть висновок. 5. Пригадайте реакцію одержання кисню з гідроген пероксиду. Опишіть, як впливає каталізатор на швидкість реакції. Підтвердьте від повідь рівнянням реакції. Зробіть висновок. Цікаво знати

• Досліджуючи поновлювані джерела енергії, учені пропонують нові розробки, у яких чимало уваги приділяють сонячній енергії. Один із таких процесів — прототип фотосинтезу. Для досягнення результату використовують церій(IV) оксид, що виявляє природну здатність не тільки поглинати, а й виділяти кисень, залежно від того, нагрівається він чи охолоджується. Швейцарські дослідники використали кварцове скло з малою щільністю, у якому зосереджується сонячне світло, і спрямували його на церій(IV) оксид, який помістили в резервуар із водою та карбон(ІV) оксидом (вуглекислим газом). У результаті реакції отримали водень і карбон(ІІ) оксид, які змішуються й утворюють паливо. Продукти синтезу можна вільно зберігати й транспортувати. Характерною особливістю синтезу є те, що рідкісноземельний метал церій, який використовують, найчастіше трапляється в природі. Тому він матеріально вигідний та економний для масового виробництва палива. Навчальний проєкт

І. Оберіть самостійно або з допомогою вчителя (учительки) тему навчального проєкту з тих, що наведені нижче. 1. Ендотермічні реакції на службі людини. 2. Екзотермічні реакції в життєдіяльності живих організмів. ІІ. Виконайте проєкт з обраної теми. ІІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

109

Тема 2. Хімічні реакції

ПОВТОРЮЄМО Й УЗАГАЛЬНЮЄМО ТЕМУ 2 «ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ» ОЗНАКИ КЛАСИФІКАЦІЇ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ

Зміна кількості та складу реагентів і продуктів реакції

Зміна ступенів окиснення елементів, що містяться в складі речовин

Тепловий ефект хімічних реакцій

Напрямок хімічних реакцій

Класифікація хімічних реакцій за зміною кількості та складу реагентів і продуктів реакції Тип

Визначення

Реакції Реакції, у результаті яких сполучення із двох або кількох речовин утворюється одна нова складна речовина. Реакції розкладу

Реакції, у результаті яких з однієї складної речовини утворюються дві або більше нових речовин.

Приклад

Загальне рівняння

Fe + S = FeS; 2CO + O2 = 2CO2

А + В = АВ

СаСО3 = СаО + + СО2↑; 2H2O2 = 2H2O + O2↑

АВ = А + В

Реакції заміщення

Реакції між простою та склад 2Al + 3H2SO4 = ною речовинами, під час яких = Al2(SO4)3 + 3H2↑ атоми простої речовини замі щують один з елементів у складній речовині.

А + ВС = = АС + В

Реакції обміну

Реакції між двома складними ZnCl2 + 2NaOH = = Zn(OH)2↓ + 2NaCl речовинами, під час яких вони обмінюються своїми складовими частинами.

АВ + СD = = АD + CB

КЛАСИФІКАЦІЯ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ ЗА ЗМІНОЮ СТУПЕНЯ ОКИСНЕННЯ ЕЛЕМЕНТІВ, ЩО МІСТЯТЬСЯ В СКЛАДІ РЕЧОВИН

Реакції, що відбуваються без зміни ступеня окиснення елементів.

110

Окисно-відновні — реакції, що відбуваються зі зміною ступеня окиснення елементів.

Повторюємо й узагальнюємо тему 2 «Хімічні реакції»

ОКИСНО-ВІДНОВНІ ПРОЦЕСИ

Окиснення +2 –2

3СО

+4 –2

+3 –2

Fe2O3

Окисник

Відновник

3CO2↑ + 2Fe

Відновлення

6ē 1. Віддає електрони. 2. Ступінь окиснення підвищується. 3. Окиснюється.

+2 +4

С – 2ē → С

1. Приєднує електрони. 2. Ступінь окиснення знижується. 3. Відновлюється.

Відновник

+3 0

Fe + 3ē → Fe

Окисник

+2 +3 +4 0

3CO + Fe2O3 = 3CO2↑ + 2Fe

ОКИСНЕННЯ — процес віддавання електронів.

ВІДНОВЛЕННЯ — процес приєднання електронів.

Кількість електронів, що віддає відновник, завжди дорівнює кіль кості електронів, які приєднує окисник.

111

Тема 2. Хімічні реакції

Добір коефіцієнтів за допомогою електронного балансу 0

Cu + HNO3 → Cu(NO3)2 + NO↑ + H2O 0

Cu – 2ē → Cu +5

N + 3ē → N

3 — відновник

2 — окисник

3Cu + 8HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 2NO↑ + 4H2O

ХІМІЧНІ РЕАКЦІЇ

Необоротні — реакції, що відбуваються в одному напрямку до повного перетворення реагентів на продукти реакції: AgNO3 + HCl = AgCl↓ + HNO3;

Оборотні — реакції, що за однакових умов відбуваються у двох протилежних напрямках:

→ 2NH ; N2 + 3H2 → 3

→ CaO + CO ↑. CaCO3 → 2

HBr + NaOH = NaBr + H2O; Na2CO3 + 2HNO3 = 2NaNO3 + + CO2↑ + H2O.

Швидкість хімічної реакції — зміна концентрації реа генту або продукту реакції за одиницю часу в одиниці об’єму. Залежить від: 1) природи речовин, що реагують; 2) концентрації реагентів; 3) площі поверхні контакту реагентів; 4) температури; 5) наявності каталізатора.

112

Повторюємо й узагальнюємо тему 2 «Хімічні реакції»

ТЕПЛОВИЙ ЕФЕКТ ХІМІЧНОЇ РЕАКЦІЇ

Екзотермічні — реакції, що відбуваються з виділенням тепла.

Ендотермічні — реакції, що відбуваються з поглинанням тепла.

Тепловий ефект хімічної реакції — кількість тепла, що виділя ється або поглинається під час реакції.

S + O2 = SO2 Реагенти

Продукти реакції

t 2HgO = 2Hg + O2↑ Реагент

Продукти реакції

Ереаг. > Епрод.; ∆Н < 0

Ереаг. < Епрод.; ∆Н > 0

Реакція екзотермічна

Реакція ендотермічна

Хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект хімічної реакції, називають термохімічним.

С + О2 = СО2; ∆Н = –393 кДж Реакція екзотермічна

t CaCO3 → CaO + СО2↑; ∆Н = +180 кДж Реакція ендотермічна

113

Тема 3 § 21. Особливості органічних сполук. Елементи-органогени Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати спільні й відмінні ознаки органічних і неорганічних речовин; • розрізняти органічні та неорганічні речовини; основний та збуджений стан атома; • характеризувати склад органічних сполук, особливості будови атома Карбону, утворення ковалентного зв’язку в органічних сполуках; • порівнювати органічні та неорганічні речовини за складом.

Поняття про органічні речовини. Органічні речовини вивчає окрема галузь хімії — органічна хімія. Назва цих речовин тепер, на початку ХХІ ст., не зовсім відповідає дійсності, оскільки органічні речовини не є тільки продуктом живих організмів, як вважали хіміки-дослідники на початку ХІХ ст. Власне, терміни «органічні речовини» й «органічна хімія» вперше запропонував шведський хімік Є. Я. Берцеліус, який ствер джував, що органічні речовини поза організмами існувати не можуть. На початку ХІХ ст. стрімкого розвитку набули медицина, виробництво барвників і вибухових речовин, переробка нафти й виробництво тканин. Учені вирішили дослідити склад і властивості органічних речовин. З’ясувалося, що у складі органічних речовин міститься невелика кіль кість елементів, зокрема Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Сульфур і Фосфор. Це дало поштовх до синтезу органічних речовин у лабораторних умовах. У 1924 р. з неорганічних сполук було синтезовано щавлеву кис лоту (Ф. Велер), а в 1928 р. — сечовину. Також синтезували оцтову кис лоту, жири й вуглеводи. Отже, цими синтезами було спростовано твер дження про те, що органічні речовини є суто продуктом живих організмів. На основі зазначених досліджень у середині ХІХ ст. було сформульо вано нове визначення органічних речовин. Органічні речовини — це сполуки Карбону, а органічна хімія — хімія сполук Карбону. Нині працює ціла індустрія із синтезу органічних речовин, разом із природними їх нараховують понад 30 млн. Однак назва «органічні речо вини» збереглася; до них належать сполуки Карбону, крім оксидів, кар бонатної кислоти та її сполук. 114

§ 21. Особливості органічних сполук.Елементи-органогени

У повсякденному житті ми користуємося предметами, виготовле ними з органічних речовин. Щоденно вживаємо їжу, яка містить вуг леводи, білки, жири й вітаміни. Переробкою багатьох речовин орга нічного походження виробляють значну кількість штучних і синте тичних речовин. Спільні й відмінні ознаки органічних і неорганічних речовин. Уважно озна йомившись із даними таблиці 8 і проаналізувавши наведену інформа цію, ви отримаєте чітке уявлення про спільні й відмінні ознаки органіч них і неорганічних речовин. Таблиця 8

Спільні й відмінні ознаки органічних і неорганічних речовин Органічні речовини

Неорганічні речовини

Відмінні ознаки органічних і неорганічних речовин 1. Здебільшого містять 6 елементів: Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, у меншій кількості — Фосфор і Сульфур.

1. У їх складі міститься багато елемен тів періодичної системи хімічних еле ментів.

2. Валентність Карбону в органічних

2. Валентність Карбону в сполуках — II,

сполуках — тільки IV.

IV.

3. Вид хімічного зв’язку — ковалент ний (іноді йонний).

3. Вид хімічного зв’язку — ковалент ний, йонний, металічний.

4. Кристалічні ґратки — переважно

4. Кристалічні ґратки — переважно атомні та йонні, тому мають високі тем ператури плавлення та кипіння. Меншою мірою — молекулярні.

молекулярні, мають низькі темпера тури плавлення та кипіння. 5. Усі горять з утворенням вуглекис лого газу й води, екзотермічні реакції.

5. Реакції горіння характерні для неба гатьох речовин. Відбуваються екзо- й ендотермічні реакції.

6. Майже нерозчинні у воді.

6. Чимало речовин добре розчиняються у воді.

7. Реакції між речовинами відбува ються повільно, можуть мати кілька напрямків.

7. Більшість реакцій відбувається мит тєво з утворенням нерозчинної речо вини, яка випадає в осад, утворенням і виділенням газу, утворенням води або іншої малодисоційованої речовини.

8. У рівняннях реакцій між реагентами 8. У рівняннях реакцій між реагентами

та продуктами реакцій ставлять стрілку та продуктами реакцій ставлять «→». знак «=».

115

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Продовження табл. 8

Спільні ознаки органічних і неорганічних речовин 1. Неорганічні й органічні речовини мають склад, будову та властивості, що обґрунтовані однаковими законами й теоріями. 2. Серед органічних речовин є розчинні у воді сполуки. У водних розчинах деякі

з них дисоціюють на йони, тобто є електролітами. 3. Взаємоперетворення неорганічних й органічних речовин (вищезгадані син тези) виявляється в процесі колообігів елементів-органогенів, речовин; це явище свідчить про єдність усієї природи.

Елементи-органогени. До органогенів належать елементи, які відігра ють надзвичайно велику роль у живих організмах і становлять основу органічних сполук. Це — елементи Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Сульфур і Фосфор. Коротко охарактеризуємо кожний із них. Карбон — елемент, що є основою всіх органічних речовин. Тому не випадково органічну хімію називають хімією сполук Карбону. Особливість цього елемента в органічних сполуках полягає в тому, що його атоми: 1) виявляють чотиривалентність; 2) сполучаються між собою від повідно до їхньої валентності; 3) виявляють здатність сполучатися між собою з утворенням ланцюгів різної будови (прямі, розгалужені, циклічні) та складу (насичені, ненасичені). Чотиривалентність атомів Карбону зумовлена тим, що в процесі хімічних реакцій один електрон 2s-орбіталі, поглинувши певну порцію енергії, переміщується у вільну р-орбіталь. Таким чином атом Карбону переходить у збуджений стан. Відповідно, на зовнішньому енергетич ному рівні атома Карбону є 4 неспарені електрони, за допомогою яких він утворює ковалентні зв’язки з іншими атомами. Будову атома Карбону в збудженому стані показано на рисунку 60. p

С n=2

Рис. 60. Графічне відображення зовнішнього енергетичного рівня атома Карбону в збудженому стані

Механізм утворення хімічних зв’язків між атомами Карбону й інших елементів ви вивчатимете поступово, засвоюючи інформацію про вуглеводні й інші органічні сполуки. Гідроген в органічних речовинах бере участь в утворенні зв’язків з атомами Карбону, Оксигену й більшості інших елементів-органогенів. Одновалентний. Є в складі вуглеводнів, спиртів, карбонових кислот, жирів, вуглеводів, полімерів та ін., різних функціональних груп. 116

§ 21. Особливості органічних сполук.Елементи-органогени

Оксиген — елемент, що є невід’ємною складовою багатьох оксиге новмісних органічних сполук (спиртів, етерів, естерів, альдегідів, кар бонових і нуклеїнових кислот), зокрема їхніх функціональних груп: гідроксильної —ОН, карбонільної —СНО, карбоксильної —СООН тощо. Нітроген — елемент, що міститься в складі нітрогеновмісних орга нічних речовин: амінів й амінокислот, які утворюють білкові молекули, нуклеїнових кислот і вітамінів. Сульфур міститься в деяких амінокислотах (цистеїн, метіонін). Під час утворення білкових молекул між його окремими ділянками встанов люються дисульфідні зв’язки, що забезпечує третинну структуру. Фосфор — елемент, менш поширений у складі органічних речовин. Але його роль незамінна, оскільки він утворює нуклеотиди й нуклеїнові кислоти. Ці хімічні елементи надходять в організм з їжею, засвоюються та активно функціонують як учасники й регулятори біохімічних процесів. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Органічні речовини — сполуки Карбону, які вивчає органічна хімія. • Органічні речовини є продуктами хімічних перетворень у живих організмах і синтезу в лабораторних умовах і промисловості. • Різкої межі між органічними та неорганічними речовинами немає, вони взаємоперетворюються, хоча в багатьох випадках мають відмінності. • Органічним сполукам властиві такі ознаки: вони містять у своєму складі малу кількість хімічних елементів, хоча таких сполук більше 20 млн. Це ковалентні сполуки з молекулярними кристалічними ґратками; горять з утворенням вуглекислого газу й води; більшість із них нерозчинні у воді. • Атом Карбону в органічних сполуках перебуває в збудженому стані, унаслідок чого є чотиривалентним. • Елементи-органогени відіграють надзвичайно важливу роль у живих організмах і є основою органічних сполук. Це Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Сульфур, Фосфор. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть походження назви науки «органічна хімія» і чи відповідає вона сучасним уявленням про органічні речовини. 2. Охарактеризуйте відмінні й спільні ознаки органічних і неорганічних сполук. 3. Поясніть, чому атом Карбону в органічних сполуках чотиривалентний. 4. Наведіть приклади органічних речовин природного походження та синтетичних. 5. Назвіть елементи, що міститься в складі органічних речовин.

117

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

§ 22. Метан як представник насичених вуглеводнів Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати молекулярну та структурну формули метану; • пояснювати склад і будову молекули метану, утворення хімічних зв’язків, фізичні властивості; • характеризувати хімічні властивості метану; • складати моделі молекули метану (кулестержневу й масштабну) і пояс нювати їх; • обґрунтовувати застосування метану та вплив продуктів його пере робки на довкілля.

Склад молекули метану. З курсу неорганічної хімії вам відомо, що неметалічні елементи мають здатність утворювати леткі сполуки з Гідрогеном. Визначте склад леткої сполуки Карбону з Гідрогеном, скориставшись періодичною системою хімічних елементів (див. перший форзац).

Отже, молекула метану містить один атом Карбону й чотири атоми Гідрогену. Хімічна формула — СН4. З § 21 вам відомо, що атом Карбону, утворюючи сполуку, перебуває в збудженому стані. Саме тому він може утворити чотири ковалентні зв’язки з чотирма атомами Гідрогену. На основі молекулярної формули метану можна скласти електронну, позначивши пари електронів, що утворюють ковалентні зв’язки, крапками: H H C H H

Якщо замінити крапки на риски, отримаємо структурну формулу метану: —

—

H—C—H H

Зі структурними формулами ви ознайомилися в курсі хімії 8 класу. Вони показують послідовність розміщення атомів у молекулах, але не дають справжніх уявлень про їх орієнтацію в просторі. Для того щоб уявити розміщення атомів у молекулах речовин, використовують метод моделювання. 118

§ 22. Метан як представник насичених вуглеводнів

Метод моделювання та його значення. Там, де неможливо спостерігати будову речовини або явище, застосовують метод моделювання. У науко вому розумінні моделювання є одним із методів пізнання навколишнього світу, а модель — замінником, аналогом об’єкта, який до певної міри від творює його особливості. Вам добре відомі знакові моделі, якими ви повсяк час користуєтеся, зокрема: символи хімічних елементів, формули хімічних речовин і рівняння, що відображають взаємодію речовин, — реакцію. В органічній хімії ви ознайомитеся з матеріальними моделями. Це моделі молекул органіч них речовин. Вони дають змогу чіткіше уявити будову молекул у тривимірному просторі. Для моделювання в умовах шкільного кабінету використовують кулестержневі та масштабні моделі молекул. Кулестержневу модель конструю ють за допомогою кульок і стержнів, які ви можете самостійно виготовити. У масштабних моделях розміри атомів і зв’язки передаються точніше. Моделі будови органічних Рис. 61. Розташування речовин можна зробити із пластиліну (кульки) і орбіталей у просторі сірників (стержні). Щоб виготовити модель молекули метану, необхідно з’ясувати, як утворюються ковалентні зв’язки між атомом Карбону й атомами Гідрогену. Будова молекули метану. Досліджуючи будову вуг леводнів, учені довели, що молекула метану має форму тетраедра. У центрі тетраедра розміщений атом Карбону, сполучений ковалентними зв’язками з ато мами Гідрогену, що розташовуються у вершинах тетраедра. Кут між зв’язками становить 109,5° (рис. 61). Ковалентні зв’язки утворюються чотирма неспареними електронами атома Карбону й елек тронами чотирьох атомів Гідрогену. Якщо вико ристати кульки й стержні, то будова молекули метану матиме такий вигляд, як зображено на рисунку 62. Це кулестержнева модель молекули. Масштабну модель зображено на рисунку 63. Отже, молекула метану має форму правильної трикутної піраміди. Усі валентні електрони атома Карбону взяли участь в утворенні хімічних зв’язків. Можна зробити висновок, що метан є насиченим вуглеводнем.

Рис. 62. Кулестержнева модель молекули метану

Рис. 63. Масштабна модель молекули метану

Виготовте самостійно кулестержневу й масштабну моделі молекули метану, дотримуючись тетраедричної форми молекули.

119

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Фізичні властивості метану та поширення в Метан — це газ, що становить 75–98 % об’ємних часток природного газу. Він не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за пові тря, малорозчинний у воді. Метан міститься в складі природного газу, супутніх нафтових газів, є в пластах кам’яного вугілля. Метан часто нази вають болотним газом, тому що він утворюється Рис. 64. Альтернативні на дні болотистих річок та озер унаслідок роз джерела енергії кладання та бродіння рослинних решток. Однак запаси природного газу із часом вичерпуються і не відновлюються. Тому вчені шукають альтернативні джерела енергії. В Україні до них нале жать метаногідрати, що містяться в метаногідратних покладах шельфів Чорного й Азовського морів. Їх скупчення виявлено на глибині від 300 до 2000 м поблизу берегів. Ці поклади мають вигляд сірого льоду, у порожни нах якого є метан. Сировиною слугували відмерлі рослини, рештки тварин них організмів, які потрапляють у води рік, морів та океанів. До альтернативних джерел енергії належить і біогаз. Він утворю ється внаслідок мікробіологічного розкладу біомаси чи біовідходів. Біогаз містить у своєму складі 55–75 % метану. природі.

Поясніть, які альтернативні джерела енергії зображено на рисунку 64.

Важливо знати, що метан потрапляє в атмосферу внаслідок госпо дарської діяльності людини. Разом із вуглекислим газом він спричиняє парниковий ефект. Пригадайте, якої шкоди завдає парниковий ефект, та охарактеризуйте відомі вам заходи щодо запобігання цьому явищу.

Хімічні властивості метану. Вивчаючи ознаки відмінності органічних і неорганічних речовин, ви дізналися, що всі органічні сполуки горять. Унаслідок горіння метану утворюється карбон(ІV) оксид і вода. Рівняння реакції повного окиснення (рис. 65): СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О.

Рис. 65. Схема реакції горіння метану

120

§ 22. Метан як представник насичених вуглеводнів

Продукти горіння вказують на те, що метан складається з Карбону та Гідрогену. Щоб довести це, виконаємо два досліди. Д о с л і д 1. Запалимо метан і над полум’ям потримаємо холодний предмет. На його поверхні утворюються крапельки води. Д о с л і д 2. Сполоснемо скляний циліндр вапняною водою та потри маємо, як і в першому досліді, над запаленим газом. Через деякий час на стінках склянки починає утворюватися нерозчинна сполука білого кольору, що свідчить про наявність вуглекислого газу. Отже, під час горіння відбувається окиснення Карбону й Гідрогену, що містяться в складі молекули метану. Досліди є яскравим підтвер дженням якісного складу метану. Ураховуючи класифікацію реакцій за тепловим ефектом, визнача ємо, що ця реакція екзотермічна, тобто відбувається з виділенням вели кої кількості тепла. Складіть самостійно термохімічне рівняння реакції, якщо її тепловий ефект становить +890 кДж/моль.

За нестачі кисню метан окиснюється частково й замість вуглекис лого газу утворюється вуглець або карбон(ІІ) оксид. Карбон(ІІ) оксид інакше називають чадним газом. Він згубно діє на організм людини. Це треба пам’ятати під час використання палива в печах чи газових пли тах. Рівняння реакцій: СН4 + О2 = С + 2Н2О або 2СН4 + 3О2 = 2СО + 4Н2О. У суміші з киснем у відношенні 1 : 2, а з повітрям 1 : 5 метан вибухонебезпечний. Вибухи метану відбуваються в копальнях кам’яного вугілля, можуть статися і в житлових приміщеннях, якщо необережно поводитися з газом. Працюючи в лабораторіях, а також у побуті необхідно дотримуватися правил безпеки. За наявності запаху (до природного газу спеціально дода ють запашні речовини з неприємним запахом) треба добре провітрити приміщення, а в разі потреби — викликати аварійну службу газу «104». Пригадайте, які реакції називають реакціями заміщення.

Метан як насичений вуглеводень у реакціях заміщення взаємодіє з гало генами. Типовою є реакція хлорування, що відбувається за яскравого освіт лення суміші метану з хлором або підвищеної температури (+250–200 °С).

—

H — C — H + Cl — Cl H

—

H H — C — Cl + HCl —

Освітлення

—

хлорометан

121

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Продуктами реакції є хлорометан і гідроген хлорид (рис. 66).

Рис. 66. Схема реакції хлорування метану (І стадія)

Реакція хлорування метану на цій стадії не закінчується, а триває далі, з послідовним заміщенням атомів Гідрогену атомами Хлору. На ІІ стадії хлорометан продовжує реагувати з хлором (рис. 67).

—

H — C — H + Cl—Cl Cl

—

H — C — Cl + HCl —

—

дихлорометан

На ІІІ і ІV стадіях утворені продукти реакції далі реагують із хло ром: на ІІІ стадії — дихлорометан з утворенням трихлорометану, а на останній IV стадії відбувається повне заміщення всіх атомів Гідрогену в молекулі метану, продуктом чого є тетрахлорометан (рис. 67).

ІІ

ІІІ

ІV

Рис. 67. Схема реакції хлорування метану (І–ІV стадії)

122

§ 22. Метан як представник насичених вуглеводнів Складіть самостійно рівняння реакцій ще двох стадій хлорування метану та молекулярні рівняння реакцій.

Сумарне молекулярне рівняння реакції хлорування метану: СН4 + 4Сl2 → ССl4 + 4НСl. Метан є хімічно стійкою речовиною. Під час пропускання його крізь роз чини кислот і лугів реакції не відбуваються. Він стійкий і до дії сильних окис ників, а реакції заміщення відбуваються тільки за підвищеної температури. Отже, метан виявляє низьку хімічну активність у хімічних реакціях. Значення

метану як вуглеводневої сировини в енергетиці та продуктів його

хлорування.

Метан широко використовують як джерело теплової енергії в промисловості та побуті для опалення приміщень і приготування їжі. Ним (у складі природного газу) наповнюють балони, які замінюють паливо в побуті там, де не проведено газову магістраль. Це паливо легко транспорту вати. Окрім того, метан — один із видів пального для двигунів внутрішнього згоряння. У промисловості — сировина для синтезу багатьох неорганічних й органічних сполук. Виділення великої кількості тепла під час горіння метану використовують для різання та зварювання металів. Не менш важливими є продукти хімічних перетворень метану (табл. 9). Таблиця 9

Застосування продуктів хімічних перетворень метану Назва Сажа

Хімічна формула

Застосування

Виготовлення друкарських фарб, гуми, барвників.

Водень Н2

Відновник металів у металургійних виробництвах, у великій кількості витрачають на синтез амоні аку й інших речовин.

СН3Cl

У синтезі багатьох органічних речовин, зокрема силіконових полімерів; як розчинник для вида лення плям від жиру та слідів смол; ракетне паливо, гербіциди.

СН2Cl2

Розчинник лаків, смол, жирів; як клей для склею вання пластику; виробництво пестицидів; виготов лення деяких фармацевтичних препаратів, арома тизаторів; як засіб для місцевої анестезії.

Хлорометан

Дихлорометан

Для місцевого й загального наркозу; виробництва фреонів і пестицидів; як розчинник у фармацев тичній промисловості.

Трихлорометан СНCl3 Тетрахлорометан

СCl4

Як холодоагент, розчинник; засіб для гасіння пожеж у вогнегасниках; у медицині.

123

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Складіть коротку розповідь про застосування продуктів хімічних перетворень метану, скориставшись даними таблиці 9. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Метан — найпростіша за будовою органічна сполука, у складі молекули якої міститься один атом Карбону й 4 атоми Гідрогену. • Щоб чітко уявляти просторову будову молекул, в органічній хімії використовують метод моделювання — один із методів пізнання навколишнього світу, і модель — замінник, аналог об’єкта. • Молекула метану має форму тетраедра. У центрі тетраедра — атом Карбону, у якому чотири неспарені електрони зовнішнього енергетичного рівня утворюють ковалентні зв’язки з електронами чотирьох атомів Гідрогену, розміщеними у вершинах тетраедра. Кут між ними становить 109,5°. • Метан є у складі природного газу (75–98 % об’ємних часток). Не має запаху й кольору, майже вдвічі легший за повітря, малорозчинний у воді. • Для метану характерні такі хімічні властивості: повне окиснення (горіння); неповне окиснення (за нестачі кисню); реакції заміщення з галогенами. • Метан і продукти його хлорування використовують у хімії органічного синтезу, медицині, у фармацевтичній галузі промисловості як розчинники лаків, смол і жирів. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть склад і будову молекули метану. 2. Поясніть, використавши знання з географії, поширення метану в природі. 3. Охарактеризуйте властивості метану: а) фізичні; б) реакції повного й неповного окиснення; в) реакції хлорування. 4. Обчисліть відносну густину метану за: а) воднем; б) гелієм. 5. Укажіть масову частку Карбону в складі метану. А 75,2 % Б 75,5 % В 75 % Г 75,3 % 6. Укажіть, який реактив треба використати, щоб серед продуктів горіння метану виявити вуглекислий газ. А СаСО3 Б Са(ОН)2 В СаО Г СаСl2 7. Обчисліть об’єм вуглекислого газу (н. у.), що утвориться внаслідок повного згоряння метану кількістю речовини 20 моль. 8. У суміші метану з азотом об’ємом 30 л масова частка азоту становить 0,05. Обчисліть маси продуктів першої стадії хлорування метану. 9. Обчисліть об’єм водню (н. у.) і масу сажі, що утворяться під час термічного розкладу метану об’ємом 112 м3. 10. За температури 1500 °С метан розкладається на етилен С2Н і водень. Складіть рівняння реакції та обчисліть об’єми продуктів реакції, якщо прореагував метан масою 64 кг.

124

§ 22. Гомологи метану, їхні молекулярні формули

§ 23. Гомологи метану, їхні молекулярні формули ТА НАЗВИ. ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ ГОМОЛОГІВ МЕТАНУ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• називати перші десять представників гомологічного ряду метану, загальну формулу гомологів метану; • складати молекулярні та структурні формули перших десяти гомологів ряду метану; • пояснювати просторову будову карбонового ланцюга; склад молекул, молекулярні та структурні формули гомологів метану; суть утворення гомологів; фізичні та хімічні властивості гомологів метану, їхнє застосу вання; молекулярну та структурну формули метану; • виготовляти моделі молекул гомологів метану.

Гомологи метану, склад і будова. Окрім метану, у природному газі й супут ніх нафтових газах наявні речовини, що містять у своєму складі два еле менти — Карбон і Гідроген. Вони, як і метан, є насиченими. Групу насиче них вуглеводнів, за міжнародною номенклатурою, називають алканами. Подібні за будовою та властивостями насичені вуглеводні отримали назву «гомологи метану», оскільки слово гомолог означає «подібний». Отже, речо вини, про які йтиметься, за складом і властивостями — це гомологи метану. Представником ряду метану є насичений вуглеводень — етан, хіміч ний склад якого відображає формула С2Н6. Щоб краще усвідомити утворення хімічних зв’язків у молекулі етану, звернемося до демонстрації моделей його молекули (рис. 68, 69).

—

Рис. 68. Кулестержнева модель молекули етану (а) та її електронна формула (б)

—

H—C—C—H

H H а

—

H H

H H H C C H

Рис. 69. Масштабна модель моле кули етану (а) та її структурна формула (б)

Отже, у молекулі етану, порівняно з молекулою метану, на один атом Карбону та два атоми Гідрогену більше. Тобто вони відрізняються кіль кістю атомів, що містяться в молекулі, на групу атомів — СН2 —. Будову молекули етану можна розглядати як молекулу метану, у якій атом Гідрогену заміщений на групу атомів —СН3. Наступний представник цього ряду — пропан, хімічна формула якого С3Н8. Розглянемо моделі молекули пропану (рис. 70, 71, с. 126). 125

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Рис. 71. Масштабна модель молекули пропану

Рис. 70. Кулестержнева модель молекули пропану

Порівняно з молекулою етану в молекулі пропану на одну групу атомів —СН2— більше. Тому електронна та структурна формули пропану такі: H H

—

H H

—

H H H

—

H—C—C—C—H —

H H H H C C C H

H H H

H H

Розглянувши просторове розміщення атомів у молекулах, пода них моделями, бачимо, що валентний кут не змінився. Як і в метану, утворення хімічних зв’язків між атомами Карбону та Карбону й Гідрогену відбувається в напрямку до вершин тетраедра. Відповідно карбоновий ланцюг має не лінійну, а зигзагоподібну будову. Довжина зв’язків між атомами Карбону становить 0,154 нм. Ви вже, мабуть, здогадалися, що бутан С4Н10 теж різниться за скла дом молекули від попереднього представника алканів на групу атомів —СН2—. Цю групу називають гомологічною різницею. Ряд сполук, що різняться за складом на гомологічну різницю, називають гомологічним рядом. Отже, кожний наступний представник гомологічного ряду матиме у своєму складі на одну групу атомів —СН2— більше порівняно з попере днім представником. Cполуки, що подібні за будовою та хімічними властивостями, але відрізняються за складом молекул на одну або кілька груп атомів —СН2—, називають гомологами. Якщо в структурній формулі не показувати зв’язки між атомами Карбону й Гідрогену, то утворюється скорочена структурна формула. Скорочені формули для етану та пропану записують так:

126

CH3—CH3

CH3—CH2—CH3

етан

пропан

§ 23. Гомологи метану, їхні молекулярні формули...

Характеристику перших десяти гомологів насичених вуглеводнів наведено в таблиці 10. Таблиця 10

Вуглеводні гомологічного ряду метану (насичені вуглеводні) Вуглеводень Метан

Молекулярна Скорочена структурна фор формула мула СН4 СН4

Агрегатний стан Гази за нормаль них умов

Температура, °С

–161,5

плавлення –183

–88,6

–172

–42

–188

–0,5

–135

36,1

–130

кипіння

Етан

С 2 Н6

СН3—СН3

Пропан

С3Н8

СН3—СН2—СН3

Бутан

С4Н10

СН3—СН2—СН2—СН3

Пентан

С5Н12

СН3—СН2—СН2—СН2—СН3

Гексан

С6Н14

СН3—(СН2)4—СН3

68,7

–95

Гептан

С7Н16

СН3—(СН2)5—СН3

98,4

–91

Октан

С8Н18

СН3—(СН2)6—СН3

125, 7

–57

Нонан

С9Н20

СН3—(СН2)7—СН3

150,8

–54

Декан

С10Н22

СН3—(СН2)8—СН3

174,1

–30

Рідини

Назви перших чотирьох склалися історично. ПочиПочинаючи з пентану, назви походять від грець наючи ких числівників з додаванням суфікса -ан. з С16H34, тверді Загальна формула — СnH2n + 2 речовини

Температури кипіння та плавлення підвищуються

Отже, метан утворює гомологічний ряд насичених вуглеводнів. За скла дом кожний наступний представник цього ряду різниться від попереднього на групу атомів —СН2 —. Загальна формула гомологів: СnH2n + 2, де n — кіль кість атомів Карбону; відповідно можна обчислити кількість атомів Гідрогену. Складіть самостійно, скориставшись загальною формулою, формули гомологів метану, у складі яких: а) 6 і 8 атомів Карбону; б) 30 і 36 атомів Гідрогену.

Фізичні властивості. Фізичні властивості насичених вуглеводнів наве дено в таблиці 10. Як бачимо, зі збільшенням відносної молекулярної маси підвищуються температури кипіння, плавлення та густина. Температури кипіння та плавлення є низькими порівняно з неорганічними речовинами. Це пояснюється тим, що органічні речовини, зокрема алкани, — сполуки молекулярної будови. З курсу неорганічної хімії вам відомо, що зв’язки між молекулами утворюються за рахунок міжмолекулярних сил і є досить слабкими. Тому в процесі нагрівання вони швидко руйнуються. Гомологи метану, починаючи з пентану, мають характерні запахи. Вони нерозчинні у воді й інших полярних розчинниках. З підвищенням тиску пропан і бутан легко скраплюються (перетво рюються у рідкий стан). 127

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Хімічні властивості. Хімічні властивості гомологів метану подібні до властивостей метану. Це зумовлено подібністю якісного складу цих спо лук та їхньою будовою. Отже, для алканів характерні реакції горіння (взаємодія з киснем), розкладу за підвищеної температури (термічного розкладу), заміщення під час взаємодії з галогенами. Реакції горіння екзотермічні, тому газоподібні представники гомоло гів метану використовують як зручне паливо. Унаслідок цих реакцій утворюються карбон(ІV) оксид і вода. Наприклад: С3Н8 + 5О2 → 3СО2 + 4Н2О; ∆Н < 0; 2С4Н10 + 13О2 → 8СО2 + 10Н2О; ∆Н < 0. Пригадайте, на прикладі метану, як довести якісний склад алканів (насичених вуглеводнів).

Провівши досліди, переконаємося, чи горять тверді вуглеводні та як можна підтвердити їхній якісний склад. Для цього скористаємося доступним для дослідження вуглеводнем. Парафін — це суміш твердих вуглевод нів, що містять у своєму складі від 16 до 40 атомів Карбону. За звичайних умов твер дий парафін не реагує з киснем, так само і під час підпалювання. Однак, якщо його розпла вити й довести до кипіння, він, змішуючись із повітрям, самозаймається. Рис. 72. Самозгоряння Виконаємо демонстраційні досліди 1–3, що розплавленого парафіну підтверджують горіння парафіну, і визначимо в повітрі його якісний склад за продуктами згоряння. Д о с л і д 1. Нагріємо парафін до кипіння. Виллємо вміст пробірки з киплячим парафіном у кристалізатор, наповнений водою. Як уже зазна чалося, він самозаймається (рис. 72). Д о с л і д 2. Укріпимо у кільце штатива холодну хімічну склянку, перевернуту догори дном. Запалимо свічку й піднесемо під склянку, потримаємо деякий час. На стінках склянки з’являються краплі води (рис. 73, а, б).

Рис. 73. Горіння свічки (а) та утворення крапель води на стінках склянки (б)

128

§ 23. Гомологи метану, їхні молекулярні формули...

Д о с л і д 3. Укріпимо в кільце штатива хімічну склянку, змочену вап няною водою. Помістимо запалену свічку під склянкою. Через деякий час на стінках склянки починає утворюватися нерозчинна сполука білого кольору (рис. 74, а, б). Отже, карбон(ІV) оксид, який утворюється внаслі док горіння парафіну, реагує з кальцій гідроксидом.

Рис. 74. Горіння свічки (а) та утворення нерозчинної сполуки білого кольору на стінках склянки (б)

Значення гомологів метану. Гомологи метану мають велике прак тичне значення та використовуються в різних галузях промисловості, що зумовлено властивостями цих сполук. Вам уже відомо, що пропан і бутан за зниженого тиску легко зріджу ються. Ними наповнюють балони, а ще їх використовують як паливо в побуті та як пальне для транспорту. Рідкі вуглеводні пентан і гексан — добрі розчинники, а пентан — основна складова автомобільного пального. Парафін — жирний на дотик, добре зберігає тепло, тому його викорис товують у медицині та косметології для глибинного прогрівання. Ним про сочують пакети для харчових продуктів, а також виготовляють свічки. Суміш рідких і твердих вуглеводнів — вазелін — використовують для пом’якшення шкіри рук, виготовлення лікувальних мазей та косметичних кремів. Сумішшю вуглеводнів, смол і мінеральних речовин є озокерит (інша назва — гірський віск), поклади якого містяться недалеко від нафтових родовищ. Завдяки високій теплоємності й низькій тепловіддачі озокерит використовують як лікувальну суміш. Він містить необхідні організмові сполуки та біологічно активні речовини, які проникають крізь шкіру. Застосування основних продуктів перероблення алканів схематично зображено на рисунку 75. Мийні засоби Каучуки

Мастила Бензин

СnH2n +2

Розчинники Фарби, клеї

Пластмаси Лікарські препарати

Рис. 75. Схема засто сування алканів і продуктів їхнього перероблення

129

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Метан — перший і найпростіший представник гомологічного ряду насичених вуглеводнів (алканів), будову яких відображає загальна формула СnH2n + 2. • Назви перших чотирьох алканів склалися історично, а починаючи з пентану — походять від назв грецьких числівників із додаванням суфікса -ан. • Серед десяти представників гомологічного ряду перші чотири — гази, усі інші — рідини. Починаючи з вуглеводню, який містить у своєму складі 16 атомів Карбону, представники гомологічного ряду — тверді речовини. • Карбоновий ланцюг у молекулах алканів — зигзагоподібний. • Зі збільшенням відносних молекулярних мас алканів підвищуються їхні температури плавлення та кипіння. • Насиченим вуглеводням характерні реакції повного окиснення (горіння), заміщення (хлорування); вони стійкі до дії кислот, лугів, сильних окисників. • Насичені вуглеводні (алкани) і продукти їхнього перероблення використовують у галузі органічного синтезу як паливо, а також — у медицині, фармацевтичній галузі промисловості й у виробництві парфумів. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть перші десять представників гомологічного ряду метану. 2. Сформулюйте визначення поняття «гомологи». 3. Складіть молекулярні формули гомологів метану, що містять: а) 4, 7, 9 атомів Карбону; б) 12, 14, 22 атоми Гідрогену. 4. Складіть скорочені структурні формули алканів, молекулярні формули яких ви склали в завданні 3. 5. Обчисліть і позначте відносну молекулярну масу алкану, у складі якого є 6 атомів Карбону. А 82 Б 88 В 86 Г 84 6. Укажіть молекулярну формулу алкану, відносна молекулярна маса якого становить 100. Б С6Н14 В С5Н12 Г С7Н16 А С2Н6 7. Відносна густина випарів алкану за гелієм — 28,5. Обчисліть відносну молекулярну масу алкану, установіть його формулу та назву. 8. Обчисліть, який об’єм карбон(ІV) оксиду (н. у.) і маса води утворяться, якщо повністю згорів пентан кількістю речовини 2,5 моль.

§ 24. Етен (етилен) І етин (ацетилен) ЯК ПРЕДСТАВНИКИ НЕНАСИЧЕНИХ ВУГЛЕВОДНІВ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати склад і будову молекул представників ненасичених вуглеводнів етену (етилену) й етину (ацетилену); • порівнювати склад і будову молекул етену й етину; • складати електронні та структурні формули етену й етину; • характеризувати фізичні властивості та реакції горіння цих сполук; • обґрунтовувати значення та застосування ненасичених вуглеводнів; • висловлювати судження про значення цих речовин як хімічної сиро вини в промисловості.

130

§ 24. Етен (етилен) І етин (ацетилен)...

Склад і будова молекул етену й етину. Метан і гомологи ряду метану належать до насичених вуглеводнів. Однак наявні органічні сполуки, що складаються тільки з Карбону й Гідрогену, але, згідно з їхніми моле кулярними формулами, чотиривалентність атомів Карбону викликає сумнів. Такими сполуками є етен С2Н4 й етин С2Н2. Проаналізуємо склад молекул цих речовин. Порівняно з насиченим вуглеводнем етаном, у складі етену (етилену) є на два атоми Гідрогену менше. Отже, не всі валентні орбіталі атома Карбону утворюють зв’язки з атомами Гідрогену. З’ясовано, що атоми Карбону в молекулі етену утворюють хімічні зв’язки між собою, витрачаючи по два валентні електрони. Між ними утво рюються дві спільні електронні пари. Такий зв’язок називають подвійним. Два інші валентні електрони кожного атома Карбону утворюють ковалент ний зв’язок з атомами Гідрогену. Розглянемо масштабну та кулестержневу моделі молекули етену (рис. 76). Рис. 76. Масштабна (а) і кулестержнева (б) моделі молекули етену (етилену) а

Масштабна модель наочно демонструє, що віддаль між атомами Карбону зменшилася. Дослідженнями доведено, що вона становить 0,134 нм. Пригадайте, яка віддаль між атомами Карбону в насичених вуглеводнів.

Молекула етену пласка, тобто всі атоми розміщені в одній площині, валентний кут становить 120°. На основі розглянутих моделей складемо структурну формулу етену (етилену): —

—

H H

H—C = C—H

У молекулі етину (ацетилену), порівняно з етеном, на два атоми Гідрогену менше (рис. 77). Тому між атомами Карбону наявний потрій ний зв’язок, тобто кожний атом Карбону витрачає по три валентні орбі талі на утворення зв’язків між ними. На утворення зв’язків з атомами Гідрогену залишається по одному електрону.

Рис. 77. Масштабна (а) і кулестержнева (б) моделі моле кули етину (аце тилену)

131

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Структурна формула етину (ацетилену) має такий вигляд: H — C≡C — H

Унаслідок утворення потрійного зв’язку довжина карбон-карбонового зв’язку стає меншою, ніж в етену, і становить 0,120 нм, а валентний кут — 180°. Подвійний та потрійний зв’язки називають кратними. Вільне обер тання атомів навколо кратних хімічних зв’язків неможливе. Вуглеводні, у молекулах яких наявні кратні зв’язки, називають ненасиченими. Фізичні властивості етену й етину. Фізичні властивості ненасичених вуглеводнів етену й етину наведено в таблиці 11. Таблиця 11

Порівняльна характеристика етену й етину Етен (етилен)

Етин (ацетилен)

1. Газ

2. Безбарвний

3. Має слабкий солодкуватий запах

3. Не має запаху

4. За низьких температур зріджується й твердне

5. Малорозчинний у воді

5. У воді розчиняється краще, ніж етен

6. Добре розчиняється у вуглеводнях

6. Трохи легший за повітря

7. Температура плавлення –169,2 °С

7. Температура плавлення –80,8 °С

8. Температура кипіння –103,8 °С

8. Температура кипіння –83,8 °С

Хімічні властивості етену й етину. Як усі органічні речовини, етен й етин є газами, які добре горять. Під час горіння цих сполук виділяється велика кількість тепла. Продуктами горіння є карбон(ІV) оксид і вода: СН2=СН2 + 3О2 → 2СО2 + 2Н2О; ∆Н < 0; 2СН≡СН + 5О2 → 4СО2 + 2Н2О; ∆Н < 0. Реакції горіння етену й етину екзотермічні. Однак горіння відбува ється з утворенням світного полум’я в етену та виділенням кіптяви в етину. Щоб пояснити це, виконайте обчислення. Обчисліть масові частки Карбону в складі етену й етину.

Отже, масові частки Карбону в складі цих сполук більші, ніж у насиче ному вуглеводні метані. Тому під час горіння повністю окиснюється не весь Карбон. У полум’ї наявні розжарені частинки вуглецю, які спричиняють його свічення. Вміст Карбону більший у молекулі етину. Окрім реакції горіння, етену й етину, як ненасиченим вуглеводням, властиві реакції приєднання. 132

§ 24. Етен (етилен) І етин (ацетилен)...

Етен й етин реагують з воднем, унаслідок чого утворюються насичені вугле водні. Реакції взаємодії з воднем називають гідруванням (гідрогенізацією). Наприклад: СН2 =СН2 + Н2→ СН3–СН3; етан СН≡СН + Н2 → СН2=СН2; етен, І стадія; СН2=СН2 + Н2 → СН3–СН3; етан, ІІ стадія. Ненасичені вуглеводні реагують із галогенами. Загальна назва таких реакцій — галогенування. Якісною реакцією для виявлення ненасичених вуглеводнів є реакція взаємодії з бромом. Під час пропускання цих газів крізь бромну воду (роз чин брому у воді) жовтого кольору реакційна суміш знебарвлюється вна слідок утворення безбарвних бромовмісних сполук. Рівняння реакцій: СН2=СН2 + Br2→ СН2Br—СН2Br; 1,2-дибромоетан. СН≡СН + Br2 → СНBr=СНBr; 1,2-дибромоетен, І стадія; СНBr=СНBr + Br2 → СНBr2—СНBr2; 1,1,2,2-тетрабромоетан, ІІ стадія. Важливо знати, що суміш цих речовин із киснем є вибухонебезпечною. Тому під час користування ними для збереження здоров’я необ хідно перевіряти їх на чистоту. Застосування етену й етину. Етен і продукти його перероблення засто совують у різних галузях. Насамперед етен використовують для синтезу етанолу, етанової (оцтової) кислоти, поліетилену. Наявність етену в повітрі впливає на швидкість достигання овочів і фруктів під час зберігання їх на складах чи в разі транспортування. Складські приміщення добре провітрюють і регулюють температуру в них у межах +20–25 °С. Для дозрівання томатів до зелених плодів додають кілька червоних (рис. 78). Червоні плоди виділяють етен, що пришвидшує дозрівання зелених томатів. Це природний процес. Якщо кількість плодів значна, то дозрівання відбувається в герметич них камерах за такої ж температури. До камер періодично подають етен із розрахунку 0,2–1 л/м3 (залежно від різновиду плодів). У такий спосіб прискорюють дозрівання лимонів та апельсинів, яблук і бананів. Хлоропохідні, що утворюються внаслідок хлорування етену й етину, використовують для знезараження зерносховищ, як засоби боротьби зі шкідниками ягідних кущів і винограду. Етин, як і етен, застосовують в органічному синтезі оцтової кислоти, ацетальдегіду й ета нолу. Він є сировиною для виробництва пласт мас, синтетичних каучуків, клеїв і розчинників. У великій кількості етин використовують для різання та зварювання металів, оскільки він під час горіння в кисні виділяє велику Рис. 78. Дозрівання кількість тепла (температура полум’я переви томатів 133

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

щує +3000 °С). Суміші етину не тільки з киснем, а й з повітрям є вибухонебезпечними. Тому поводитися з ними треба дуже обережно. Якщо етен виділяється під час дозрівання овочів і фруктів, то етин у природі не трапляється. Це зумовлено його високою реакційною здат ністю. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Етен (етилен) і етин (ацетилен) — представники ненасичених вуглеводнів, хімічний склад яких описують молекулярними формулами С2Н4 і С2Н2 відповідно. • У молекулі етену атоми Карбону витрачають по два валентні електрони на утворення зв’язків між собою, тобто виникає подвійний зв’язок —С=С—. Карбон — чотиривалентний. • У молекулі етину кожний атом Карбону використовує по три валентні електрони на утворення хімічного зв’язку, тобто виникає потрійний зв’язок —С≡С—. Подвійний та потрійний зв’язки називають кратними. • Етен і етин — безбарвні гази, малорозчинні у воді, зріджуються за низьких температур, із низькими температурами плавлення та кипіння. Етен, на відміну від етину, має слабкий солодкуватий запах. • Під час горіння (повного окиснення) утворюються карбон(ІV) оксид і вода. Завдяки наявності кратних зв’язків для етену й етину характерні реакції приєднання. • Етен і етин застосують в органічному синтезі. Етен пришвидшує дозрівання овочів і фруктів, етин використовують для різання та зварювання металів. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть склад і будову молекул етену й етину. Що в них подібне, а що — відмінне? 2. Охарактеризуйте фізичні властивості: а) етену; б) етину. 3. Порівняйте реакції горіння метану, етену й етину. Поясніть результати порівнянь. 4. Позначте суму коефіцієнтів у реакції горіння пентену С5Н10. А 39 Б 38 В 37 Г 36 5. Увідповідніть ліві й праві частини рівнянь реакцій. 1 CH2Br –CH2Br А 2С2Н6 + 7О2 → 2 4CO2 + 6H2O Б 2С2Н2 + 5О2 → 3 4CO2 + 2H2O В С2Н4 + Br2 → 4 2CO2 + 2H2O Г С2Н4 + 3О2 → 5 СH3–CH2Br 6. Обчисліть і вкажіть молекулярну формулу сполуки, якщо за нормальних умов об’єм цієї сполуки масою 1,16 г становить 1 л. Б С2Н6 В С3Н6 Г С2Н2 А С2Н4 7. Алкан кількістю речовини 0,25 моль має масу 18 г. Обчисліть його відносну молекулярну масу й установіть формулу. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), який треба витратити для повного спалювання цього алкану масою 14,4 г. Цікаво знати

• Є народний спосіб пришвидшення дозрівання томатів. Плоди, що вже виросли, але не встигли дозріти, розміщують у керамічній посудині шарами, став-

134

§ 25. Об’ємні відношення газів у хімічних реакціях... лять у тепле місце, додають до них кілька червоних плодів і накривають рушником. Томати швидко дозрівають, стають червоні та смачні.

§ 25. Об’ємні відношення газів у хімічних реакціях Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати закон об’ємних відношень; • обчислювати об’ємні відношення газів у хімічних реакціях; • розв’язувати задачі на обчислення об’ємних відношень газів за хіміч ними рівняннями.

Об’ємні відношення газів у хімічних реакціях. Вивчення закону Авогадро та використання його під час розв’язування задач переконало вас, що визначати об’єми газів простіше, ніж обчислювати маси. Тому хіміки, працюючи з газами, прагнули визначити відношення між об’ємами газів у процесі хімічних реакцій. Відомий французький хімік А. Л. Лавуазьє встановлював відношення об’ємів кисню та водню в реакції утворення води із цих речовин. У 1805 р. Ж.-Л. Гей-Люссак разом з А. фон Гумбольдтом визначили, що під час реакції водню з киснем витрачається вдвічі більший об’єм водню, ніж кисню, а об’єм утвореної водяної пари відповідає об’єму водню. Численні експериментальні дослідження вче ний узагальнив у законі об’ємних відношень газів (1808). Об’єми газів, що реагують, відносяться один до одного й до об’ємів газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа. Рівняння реакції: 2Н2

1О2

2 об’єми 1 об’єм

2Н2О. 2 об’єми

Отже, відношення газів до та після реакції 2 : 1 : 2. Відповідно до закону Авогадро, коефіцієнти вказують на кількість речовини реагентів і продуктів реакції. Це дає підстави використову вати закон об’ємних відношень газів для розв’язування задач. Розв’язування

розрахункових задач на обчислення об’ємних відношень

газів за хімічними рівняннями.

Розглянемо кілька прикладів розв’язання

відповідних задач. З а д а ч а 1. Метан об’ємом 250 л повністю згорів у кисні. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), який використали для реакції.

135

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Відомо: V(CH4) = 250 л V(О2) — ?

Розв’язання Складемо рівняння реакції: СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О. 1 об’єм

2 об’єми

Оскільки V(СН4) : V(О2) = 1 : 2, то V(О2) = 2 · 250 л = 500 л. Відповідь: для спалювання метану об’ємом 250 л використали кисень об’ємом 500 л. Жозеф-Луї Гей-Люссак (1778–1850) — французький хімік і фізик, член Французької академії наук (1806). Його ім’я внесено до списку найвидатніших науковців Франції, розміщеного на першому поверсі Ейфелевої вежі. Дослідження вченого стосуються різних галузей фізичної, органічної та неорганічної хімії. У 1802 р. відкрив закон теплового розширення газів. Через три роки разом із німецьким природодослідником А. фон Гумбольдтом установив, що відношення атомів Гідрогену й Оксигену в молекулі води становить 2 : 1. У 1808 р. відкрив закон об’ємних відношень газів, який було названо його ім’ям.

З а д а ч а 2. Обчисліть об’єми етану та кисню (н. у.), що прореагували в процесі горіння, якщо утворився карбон(ІV) оксид об’ємом 134,4 л. Відомо: V(CО2) = 134,4 л V(С2Н6) — ? V(О2) — ?

Розв’язання 1. Складемо рівняння реакції: 2С2Н6 + 7О2 = 4СО2 + 6Н2О. 2 об’єми

7 об’ємів

4 об’єми

Оскільки V(С2Н6) : V(СО2) = 2 : 4, то 2 · 134,4 л = 67,2 л. 4 2. Відношення V(О2) : V(СО2) = 7 : 4. Тоді V(С2Н6) =

7 · 134,4 л = 235,2 л. 4 Відповідь: у процесі горіння прореагували етан об’ємом 67,2 л і кисень об’ємом 235,2 л. V(О2) =

ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• В обчисленнях за хімічними реакціями, що відбуваються між газами, використовують закон об’ємних відношень газів Ж.-Л. Гей-Люссака. • Закон об’ємних відношень: об’єми газів, що реагують, відносяться один до одного й до об’ємів газоподібних продуктів реакції як невеликі цілі числа.

136

§ 26. Поняття про полімери... ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Обчисліть і позначте об’єм кисню (н. у.), що прореагував із воднем, якщо утворилася водяна пара об’ємом 360 л. А 180 л Б 360 л В 200 л Г 280 л 2. Обчисліть і позначте об’єм кисню (н. у.), що прореагує під час повного згоряння етену об’ємом 75 л. А 200 л Б 220 л В 225 л Г 235 л 3. Етин об’ємом 179,2 л повністю згорів у кисні. Обчисліть об’єм (н. у.) кисню, що прореагував. 4. Унаслідок повного згоряння пропану утворився карбон(IV) оксид об’ємом 120 л (н. у.). Обчисліть об’єми газів-реагентів (н. у.). 5. На згоряння суміші метану з азотом об’ємом 960 л витрачено кисень об’ємом 1804,8 л (н. у.). Обчисліть об’ємну частку метану в суміші. 6. У природному газі містяться метан (масова частка 90 %), етан (масова частка 5 %) і домішки, що не горять. Обчисліть, який об’єм кисню (н. у.) треба витратити на згоряння цього газу об’ємом 1 м3. 7. Суміш метану й етену об’ємом 176 л, у якій об’ємна частка насиченого вуглеводню становить 40 %, повністю спалили. Обчисліть об’єм (н. у.) витраченого кисню й утвореного карбон(IV) оксиду.

§ 26. Поняття про полімери на прикладі поліетилену. Застосування поліетилену Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати склад і будову поліетилену, його загальну формулу; поняття «мономер», «полімер», «структурна ланка»; • розуміти суть і значення реакції полімеризації; • характеризувати фізичні й хімічні властивості поліетилену; • установлювати причинно-наслідкові зв’язки між складом, будовою та властивостями полімеру; • висловлювати судження про значення поліетилену та його правильне використання.

Полімери. Склад і будова поліетилену (поліетену). На основі ненасиче них вуглеводнів синтезують високомолекулярні сполуки — полімери. Вони утворюються внаслідок сполучення великої кількості молекул речовин, які мають у своєму складі кратні зв’язки. Назва «полімер» походить від грецького poly — «багато, великий» і meros — «частина, частинка». Отже, у складі полімеру міститься багато частинок. Ознайомимося з утворенням полімерів на прикладі реакції полімеризації етилену. Запишемо реакцію сполучення між молекулами етилену: СН2=СН2 + СН2=СН2 + СН2=СН2 + СН2=СН2 … → (—СН2—СН2— + + —СН2—СН2— + —СН2—СН2— + —СН2—СН2—) → → —СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2—СН2— … 137

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Мономери — молекули етену

nСН2 етен

СН2

Полімер — поліетилен

(—СН2—СН2—)n поліетилен

Умови реакції полімеризації: 1) підвищені температура й тиск; 2) наявність каталізатора. Рис. 79. Схема реакції полімеризації етену з утворенням поліетилену

Як показано на рисунку 79, молекули етилену є реагентом для син тезу поліетилену. Низькомолекулярні речовини, що є реагентами в реак ціях полімеризації, називають мономерами. Отже, полімер складається зі структурних ланок, які багато разів повторюються. У структурі поліетилену такою ланкою є група атомів —СН2—СН2—. Це залишки моле кул мономерів, тому їх ще називають мономерними ланками. Процес утворення полімеру називають полімеризацією, а число, яке вказує на кількість мономерних ланок, — ступенем полімеризації. У схемі реак ції (див. рис. 79) на ступінь полімеризації вказує число n. Мономерні ланки в полімерах можуть бути різні за розміром, тобто з вищим або нижчим ступенем полімеризації. Тому точно визначити від носну молекулярну масу полімеру неможливо. У такому разі йдеться про середнє значення відносної молекулярної маси. У полімерів вона має зна чення від десятків до сотень тисяч. Фізичні та хімічні властивості поліетилену. Поліетилен за своєю будовою дуже подібний до насичених вуглеводнів із великою відносною молеку лярною масою, за зовнішнім виглядом — до парафіну. Це тверда, без барвна, прозора або білого кольору речовина, дещо масна на дотик. По ліетилен легший за воду, тому не тоне в ній і не розчиняється. В інтер валі температур від +102 °С до +137 °С залежно від будови полімеру, який може мати короткі, довгі та сплутані в клубки ланцюги, він роз м’якшується та плавиться. У розм’якшеному стані поліетилену можна надати будь-якої форми, яку він зберігає й після охолодження (рис. 80). Для виявлення зазначених властивостей поліетилену виконаємо демонстраційні досліди. Д о с л і д 1. Уважно розглянемо такі пред мети, виготовлені з поліетилену: пакет, однора Рис. 80. Поліетилен зову склянку, ложку, виделку, пляшку, іграшку, у гранулах

138

§ 26. Поняття про полімери...

обгортку для зошита. Звернімо увагу на те, що вони легкі, масні на дотик, безбарвні або мають відповідне забарвлення, прозорі. Д о с л і д 2. Наллємо в хімічну склянку воду й помістимо в неї кілька гранул поліетилену. Гранули спливають на поверхню води. Отже, полі етилен — легший за воду й не розчиняється в ній. Д о с л і д 3. Унесемо в полум’я спиртівки корок від поліетиленової пляшки, умонтований у тримач, і потримаємо кілька секунд. Корок розм’якшується. Змінимо його форму скляною паличкою та залишимо для охолодження. Після охолодження форма корка не змінилася. Отже, поліетилен — термопластичний. Д о с л і д 4. Візьмімо смужку поліетилену й випробуємо на міцність. Спробуймо її розірвати, потягнувши врізнобіч. Переконуємося, що розі рвати смужку важко. Отже, поліетилен є міцним. Д о с л і д 5. Покладемо в три пробірки по кілька шматочків або гра нул поліетилену. Доллємо в першу пробірку розчин кислоти, у другу — розчин лугу, у третю — розчин калій перманганату. У пробірках не від булося жодних змін. Отже, поліетилен є стійким до дії цих речовин. Д о с л і д 6. Покладемо в три пробірки по кілька шматочків чи гранул поліетилену. Доллємо органічні розчинники: у першу пробірку — ацетон, у другу — дихлороетан, у третю — етанол (етиловий спирт). Залишимо пробірки на кілька годин у витяжній шафі. Як виявляється, поліетилен не розчиняється в органічних розчинниках. Окрім того, зазначимо, що поліетилен еластичний, не має запаху, не проводить електричний струм. Застосування поліетилену. Застосування поліетилену зумовлено його властивостями. Залежно від умов реакції полімеризації отримують по лімери різної молекулярної маси та густини. Поліетилен із короткими ланцюгами має властивості мастила. Від різняється за властивостями поліетилен з нерозгалуженими й розгалу женими ланцюгами. Що меншу кількість розгалужень має поліетилен, то він твердіший та міцніший, із більшою щільністю. Поліетилен із довжиною карбонового ланцюга до 6 000 ланок є досить твердим, міцним, зносостійким і хімічно стійким матеріалом. Його використовують для виробництва водопровідних і каналізаційних труб, шлангів, ізоляційних і пакувальних матеріалів, зокрема для пакування харчових продуктів, клейких плівок для ремонту теплиць, обгорток для книжок і зошитів, пляшок, флаконів для кос метичних виробів, медичного устаткування, посуду (рис. 81). Оскільки поліетилен стійкий до дії низьких температур, з нього виготовляють ємності для заморожування продуктів у холодильних каме Рис. 81. Посуд, виготов лений із пластику рах. Окрім того, з поліетилену роблять диски, 139

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

секційні полиці, столи та крісла. Також ним покривають поверхні для захисту від корозії. У будівництві використовують пінополіетилен — подібний до поліетилену матеріал із порами, заповненими повітрям. Його застосовують як підкладку під паркет для вирівнювання поверхні та як теплоізоля цію. Пінополіетиленом огортають водопровідні труби та вироби, що можуть розбитися під час транспортування, тощо. Поліетилен та екологія. Незважаючи на широке застосування поліети лену, він становить велику загрозу для довкілля. Під час його горіння виділяються шкідливі речовини. Особливо екологічно небезпечним є накопичення поліетиленових пакетів на сміттєзвалищах. Там часто трапляється самозагоряння сміття, а під час горіння виділяються діоксини й фурани. Вони здатні впливати на генетичні зміни, що спричиняють мутації в рослинному та тваринному світі. Крім того, потрапляючи у Світовий океан, поліетиле нові пакети призводять до загибелі багатьох морських тварин. Поліетилен нестійкий до сонячної радіації. Під час його розкладання утворюються токсичні гази, які потрапляють в атмосферу. Доведено, що поліетилен становить приблизно 40 %від побутового сміття. Він не роз кладається впродовж 100 й більше років, створюючи загрозу родючості ґрунтів, чистоті природних водойм. Прояви негативного впливу поліетилену на навколишнє середовище показано на рисунку 82.

Рис. 82. Наслідки негативного впливу поліетилену на довкілля

Чи можна вирішити цю проблему? У багатьох країнах світу поліети ленові пакувальні пакети замінено на паперові, рекомендовано викорис товувати багаторазові сумки з тканини або в’язані сітки для продуктів. Збереження довкілля — справа кожного/кожної громадянина/гро мадянки. Усі люди мають усвідомлювати важливість збереження повітря, водних ресурсів, ґрунтів від забруднення речовинами, які не розкладаються впродовж сотень років. Чисте довкілля — запорука на шого здоров’я та добробуту. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Поліетилен — високомолекулярна сполука, що утворюється внаслідок реакції полімеризації етилену. • Реагентом для синтезу поліетилену є етен (етилен), який слугує мономером у реакції, а продуктом реакції — поліетилен (синтетичний полімер).

140

§ 26. Поняття про полімери... • Поліетилен — тверда, безбарвна, прозора або білого кольору речовина, дещо масна на дотик, легша за воду, нерозчинна у воді й органічних розчинниках, термопластична, газонепроникна, не проводить електричний струм, не має сталих відносної молекулярної маси та температури плавлення. • Поліетилен — хімічно стійка речовина, що не взаємодіє з кислотами, лугами, сильними окисниками. • Відходи поліетилену, що потрапляють у сміття, — екологічно небезпечні. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Укажіть мономерну ланку поліетилену. А (—СН=СН—) Б (—СН=СН—)n В (—СН2—СН2—) Г (—СН2—СН2—)n 2. Укажіть назву мономеру поліетилену. А пропан Б етан В етин Г етен 3. Позначте властивість поліетилену, на якій ґрунтується виробництво водопровідних і каналізаційних труб, а також пакувальних матеріалів. А добрий ізолятор Б водо- й газонепроникний В термопластичний Г крихкий 4. Позначте кількість мономерних ланок у поліетилені, відносна молекулярна маса якого становить 56 000. А 1000 Б 2000 В 2500 Г 1500 5. Етин об’ємом 288 л згорів повністю в атмосфері кисню. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), використаного в реакції. 6. Пропан об’ємом 112 л повністю згорів у кисні. Обчисліть об’єм витраченого кисню та вуглекислого газу (н. у.), що утворився. 7. Суміш етану й етену об’ємом 179,2 л, у якій об’ємна частка насиченого вуглеводню становить 60 %, повністю спалили. Обчисліть об’єм (н. у.) витраченого кисню та утвореного карбон(IV) оксиду. Цікаво знати

• На початку 60-х років ХХ ст. у Тихому океані утворився «айсберг» зі сміття. За площею поверхні він більший від штату Техас. На думку вчених, маса «айсберга» перевищує 3,5 т. До того ж він щорічно збільшується внаслідок накопичення сміття, яке приносять течії океану (рис. 83). • Альтернативою використання поліетиленових пакетів є синтез біорозкладного пластику. Це один із полімерів, які виробляють із рослинної сировини. Вони розкладаються до неагресивних для довкілля речовин — карбон(ІV) оксиду та води. Однак їхнє виробництво є затратним і процес їхнього розкладу до кінцевих продуктів ще недостатньо вивчено. НавчальнИЙ проЄкт

І. Виконайте навчальний проєкт на тему «Використання полімерів: екологоекономічний аспект». ІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

141

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Рис. 83. Картосхема розташування «айсберга» зі сміття в Тихому океані

§ 27. Поширення вуглеводнів у природі. ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• дізнатися про поширення вуглеводнів у природі та природні джерела вуглеводнів; • пояснювати склад природного газу, нафти й вугілля, поширення їхніх родовищ в Україні; суть процесу перегону нафти; • характеризувати вуглеводні, що містяться в природних джерелах, та їхнє значення; • оцінювати роль вуглеводнів у розвитку різних галузей промисловості й екологічні загрози їхнього використання.

Поширення вуглеводнів у природі. Природними джерелами вуглеводнів є родовища природного газу, нафти й кам’яного вугілля. Україна багата на природні ресурси, що є справжнім багатством країни, її енергетичним та економічним ресурсом. Визначте, де поширений природний газ, скориставшись картосхемою природних копалин України (рис. 84).

Природний газ: хімічний склад і поширення в природі. Природний газ — це природна суміш вуглеводнів, які утворилися в надрах Землі внаслідок розкладу органічних сполук. Як вам відомо, у природному газі міститься переважно метан (90–95 %). Однак у його складі є й інші газоподібні вуг леводні, зокрема етан (1–4 %), пропан (1–1,5 %), бутан (0,1–1 %), пентан (1 %), а також у незначних об’ємних відсотках — гексан, азот, вуглекис лий газ, гідроген сульфід (рис. 85). 142

§ 27. Поширення вуглеводнів у природі...

регіон

Рис. 84. Картосхема поширення природного газу, нафти та вугілля на території України

Природний газ утворює газові родовища. Він може мати вигляд газо вої «шапки», яка є складовою частиною нафтових покладів, або бути роз чиненим у нафті. На території Західної України ще з початку ХХ ст. експлуатують родовища газу — Дашавське на Львівщині та Богородчанське на ІваноФранківщині. Важливо зазначити, що нині розробляють нові родовища газу, які називають нетрадиційними (видобування газу з ущільнених пластів, метану — із шельфів Чорного й Азовського морів тощо). Застосовують цей газ як паливо та сировину для органічного синтезу (див. § 22, с. 121). Супутні нафтові гази та їхнє поширення в природі. До природних джерел вуглеводнів належать супутні нафтові гази. Вони залягають у земних над рах разом із нафтою, утворюючи над нафтою «шапку». Як і природний 1

3 4

1 — метан (90–95 %) 2 — етан (1–4 %) 3 — пропан (1–1,5 %) 4 — бутан (0,1–1 %) 5 — пентан (1 %) 6 — інші гази

Рис. 85. Діаграма складу природного газу

143

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

газ, супутні гази є сумішшю летких вуглеводнів. Вони відрізняються від природного газу тим, що вміст метану в них значно нижчий. Проте ці гази багаті на етан, пропан і бутан. Хімічний склад таких газів становить: метан — 30–40 %, етан — 7–7,5 %, пропан — 21–22 %, бутан — 20–20,5 %. Оскільки в їхньому складі високий вміст пропану й бутану, то суміш цих газів зріджують. Як уже зазначалося, нею наповнюють балони, а також її використовують як паливо в побуті й пальне для автотранспорту. Крім того, суміш газів застосовують як хімічну сировину для синтезу пластмас і каучуків, органічних розчинників і клеїв, для виробництва газового бензину, моторного палива, водню та сажі. Нафта: склад і поширення в природі. Нафта — це природна суміш вугле воднів різних класів. Ви вже ознайомилися з гомологічним рядом насиче них (алканами) і першими представниками двох рядів ненасичених (алке нів та алкінів відповідно) вуглеводнів. Окрім них, нафта містить і інші органічні сполуки, зокрема насичені циклічні й ароматичні вуглеводні. Нафта — густа й в’язка рідина темно-бурого кольору (іноді чорного). Якщо крапнути її на воду, то вона збирається на поверхні тонким шаром, тобто нафта нерозчинна у воді й легша за неї. Нафта має характерний за пах, жирна на дотик, добре розчиняється в органічних розчинниках — бен зині, хлороформі (рис. 86). Нафта горить світним полум’ям (рис. 87). Висловте своє судження про горіння нафти.

Вуглеводні, що є в складі нафти, мають різні температури кипіння. Цю властивість узято за основу поділу нафти на окремі фракції методом перегону. Суть фізичного процесу перегону нафти (розділення її на фракції) полягає в тому, що за різних температур окремі вуглеводні випарову ються, а в процесі охолодження знову переходять у рідкий стан. Розглянемо, які фракції нафтопродуктів формуються під час перегонки. За температури +40–80 °С утворюються вуглеводні з карбоновим лан цюгом С5—С11. Цю фракцію називають бензиновою. Коли температура досягає +150–200 °С, виділяється друга фракція — лігроїн, що містить суміш вуглеводнів складу С8–С14. Наступна фрак ція — гас. Це суміш вуглеводнів із більшою молекулярною масою складу С12–С18. За температури +240–300 °С утворюється газойль — суміш

Рис. 86. Нафта

144

Рис. 87. Горіння нафти

§ 27. Поширення вуглеводнів у природі...

вуглеводнів, що містять карбонові ланцюги С11—С20. Усі вищезазначені фракції нафтопродуктів належать до рідких. Після перегону рідких фрак цій залишається мазут — темна в’язка рідина, яку також переробля ють, але вже хімічними методами. З мазуту внаслідок розщеплення молекул додатково одержують бензин, а також вазелін, парафін. Залишок із мазуту називають гудроном. Застосування вуглеводнів різних фракцій перегону нафти наведено в таблиці 12. Таблиця 12

Застосування нафтопродуктів Фракції нафти

Склад

Застосування

Бензин

С5 — С11

Автомобільне й авіаційне пальне, розчинник мастил

Лігроїн

С8 — С14

Розчинник лаків і фарб, дизельне пальне

Гас

С12 — С18

Пальне для котлів, дизельних двигунів

Газойль

С11 — С20

Пальне для дизельних двигунів

Мазут

 С20

Мастила, парафін, вазелін, гудрон

Головний недолік перегону нафти — малий вихід бензину (20 %). Щоб його підвищити, здійснюють вторинне перероблення нафтопродук тів. Високомолекулярні вуглеводні, що містяться в мазуті, розщеплю ють на вуглеводні з меншою молекулярною масою. Такий спосіб хіміч ного перероблення нафтопродуктів називають крекінгом. Він відбува ється за високих температур і тиску та наявності каталізатора. Окрім зазначених галузей, нафту застосовують у фармацевтичній галузі, у виробництві мінеральних добрив і косметичних засобів, синте тичних барвників, фарб тощо. Пригадайте з курсу географії нафтоносні басейни України.

Вугілля. Це тверда викопна вуглеводнева сировина, яка утворилася з решток вимерлих рослин без доступу повітря. Залежно від вмісту Карбону розрізняють три його різновиди. Найдавнішим за походженням є антрацит — вугілля, у якому масова частка Карбону становить 95 %. Кам’яне вугілля бідніше на вміст Карбону (75– 90 %). І «наймолодше» — буре вугілля, у складі якого міститься 65–70 % Карбону. Буре вугілля, як «наймолодше» з викопного вугілля, часто містить «сліди» структури дерева, з якого утворилося. Воно має високу гігроскопічність, тож після його спалювання залишається багато попелу (7–30 %). Тому цей різновид вугілля використовують як місцеве паливо та як сировину для хімічного перероблення. Кам’яне вугілля (рис. 88) — тверда суміш речовин чорного кольору, крихка, без запаху. Вугілля використовують як паливо в енергетиці, 145

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки § 27. Поширення вуглеводнів у природі...

комунальному господарстві й інших галузях промисловості, оскільки воно згоряє з виді ленням великої кількості тепла. Запаси кам’яного вугілля значно перевищують за паси нафти та природного газу. Проте для хімії органічного синтезу важ ливі продукти перероблення вугілля. Одним Рис. 88. Кам’яне вугілля зі способів перероблення є коксування — роз кладання кам’яного вугілля за високих тем ператур без доступу повітря. Продукти коксування та їхній склад схе матично зображено на рисунку 89. Усі продукти коксування застосовують у різних галузях промисло вості (наприклад, у металургії, у галузі органічного синтезу тощо). Перспективним способом перероблення вугілля з низьким вмістом Карбону є газифікація. Це процес перетворення твердого вугілля на суміш газів і рідких вуглеводнів окисненням за високих температур. Отриману газову суміш використовують як паливо. З рідкої фракції одержують суміш, подібну за складом до бензину. На території України вугілля добувають у Донецькому, ЛьвівськоВолинському та Дніпровському кам’яновугільних басейнах. Екологічні проблеми, спричинені використанням вуглеводневої сировини. Природний газ, який широко використовують у побуті та промисло вості, екологічно є найбільш чистим паливом. У процесі його згоряння Продукти коксування кам’яного вугілля

Кокс

Кам’яновугільна смола

Коксовий газ

Надсмольна вода

Склад продуктів коксування

Кокс — продукт коксування кам’яного вугілля з вмістом Карбону 96–98%.

З кам’яновугільної смоли одержують бензен, толуен, нафталін і його гомологи, пек. Усього — понад 400 речовин.

Коксовий газ містить метан, етен, амоніак, азот, водень, карбон(ІІ) і карбон(ІV) оксиди тощо.

Надсмольна вода містить оксиди Карбону, амоніак і солі амонію, гідроген сульфід, гідроген хлорид у розчині.

Рис. 89. Схема продуктів коксування кам’яного вугілля та їхнього складу

146

виділяються менш шкідливі речовини, ніж ті, що утворюються під час згоряння інших видів палива. Водночас спостерігається збільшення викидів вуглекислого газу й метану в атмосферу, що є небезпечним для навколишнього середовища. Один із наслідків — виникнення парникового ефекту. Пригадайте, якої шкоди довкіллю завдає парниковий ефект.

Учені вважають, що парниковий ефект спричиняє різке підвищення температури, яке призводить до глобальної зміни клімату на планеті. Нафта й нафтопродукти за недбалого поводження з ними теж станов лять екологічну загрозу. Здебільшого вони забруднюють водні ресурси — річки, озера, моря та океани. Основними джерелами забруднення води є: витік нафти й нафтопро дуктів під час катастроф унаслідок пошкодження суден, які транспор тують ці продукти; зливання продуктів хімічної, нафтохімічної та гір ничо-видобувної промисловості в річки, звідки вони потрапляють у моря та океани; забруднення відходами життєдіяльності людей. На поверхні води з нафти й нафтопродуктів утворюється плівка, яка не пропускає сонячне проміння та кисень у водне середовище. Це сповіль нює процеси фотосинтезу, спричиняючи загибель водоростей, риб, водо плавних птахів та інших морських тварин. Унаслідок забруднення стічними водами, які містять відходи про мисловості, у річках, озерах, морях та океанах збільшується вміст гід роген сульфіду, солей нітратної та ортофосфатної кислот, що призво дить до більш інтенсивного розмноження водоростей, вода «зацвітає». Такі зміни негативно впливають на інші екосистеми, водойми забруд нюються, що може призвести до їхнього цілковитого зникнення. Само відновлення екосистем — довготривалий процес. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Джерелами вуглеводнів є природні поклади газу, нафти, вугілля. • Природний газ — суміш вуглеводнів, що містить: метан — 90–95 %, етан — 1–4 %, пропан — 1–1,5 %, бутан — 0,1–1 %, пентан — 1 %, а також у незначних об’ємних відсотках — гексан, азот, гідроген сульфід, вуглекислий газ. Застосовують цей газ як паливо та сировину для органічного синтезу. • Супутні нафтові гази містять метан — 30–40 %, етан — 7–7,5 %, пропан — 21–22 %, бутан — 20–20,5 %. Характерним для них є високий вміст пропану й бутану. Сумішшю цих зріджених газів наповнюють балони, а також її використовують як паливо в побуті й пальне для автотранспорту. Крім того, застосовують як хімічну сировину для синтезу пластмас і каучуків, виробництва газового бензину тощо. • Нафта — суміш, що містить вуглеводні різних класів. Унаслідок її перегону (дистиляції) одержують нафтопродукти: бензин, лігроїн, гас, газойль, мазут. Нафтопродукти застосовують у різних галузях: авіаційний та автомобільний бензин, пальне для котлів і дизельних двигунів, мастила, парафін, вазелін, гудрон тощо.

147

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

• Кам’яне вугілля — тверда викопна вуглеводнева сировина, що містить 75–90 % Карбону. Продуктами перероблення (коксування) кам’яного вугілля є кокс, кам’яновугільна смола, коксовий газ і надсмольна вода. Продукти коксування використовують у металургії та галузі органічного синтезу. • Природний газ, нафта й нафтопродукти, кам’яне вугілля за неправильного використання в промисловості загрожують навколишньому середовищу. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть природні джерела вуглеводневої сировини. 2. Охарактеризуйте склад найпоширеніших джерел вуглеводнів: а) природного газу; б) нафти; в) кам’яного вугілля. 3. Обчисліть масову частку Карбону в бутані. 4. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), який необхідний для повного згоряння природного газу об’ємом 20 м3, вважаючи, що він містить лише метан. 5. Обчисліть об’єм кисню (н. у.), що буде використано для згоряння дизельного пального масою 424 кг з масовою часткою Карбону 60 %, нехтуючи невуглеводневими домішками. 6. Обчисліть об’єм кисню (н. у.) і повітря, необхідні для згоряння бензину масою 848 кг із масовою часткою Карбону 84,9 %. Невуглеводневими домішками в бензині знехтуйте. 7. Сучасні модернізовані автомобільні двигуни витрачають бензин масою 5 кг на 100 км подоланого шляху. Обчисліть об’єм повітря, необхідний для спалювання бензину, у якому масова частка Карбону становить 86 %, а решта — Гідроген. 8. Трактор за робочий день використав 30 кг пального, у якому масова частка Карбону становить 52 %, а решта — Гідроген. Обчисліть об’єм витраченого повітря та об’єм карбон(ІV) оксиду (н. у.), що виділився в атмосферу. Цікаво знати

• Великою екологічною загрозою для довкілля є скупчення сміття, особливо на сміттєзвалищах. Унаслідок процесів гниття накопичуються гази, що можуть самозайматися. Під час горіння утворюється значна кількість вуглекислого та чадного газів, гідроген сульфід, амоніак. Побічним продуктом горіння пластмаси та поролону може бути й ціанідна кислота. На Грибовицькому сміттєзвалищі, що на Львівщині, є гудронні озера. Ці нафтопродукти розкладаються не тільки за високих температур, а й під дією світла. Унаслідок цього утворюються ароматичні вуглеводні, діоксини — хімічні речовини, надзвичайно небезпечні для навколишнього середовища та здоров’я людини. НавчальнИЙ проЄкт

І. Виконайте навчальний проєкт на тему «Альтернативні джерела енергії». ІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

148

Узагальнення знань із підтеми «Вуглеводні»

УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ІЗ ПІДТЕМИ «ВУГЛЕВОДНІ» ВУГЛЕВОДНІ

НАСИЧЕНІ

Метан і його гомологи: СН4 — метан С2Н6 — етан С3Н8 — пропан —СН2— гомологічна різниця СnH2n+ 2 загальна формула

НЕНАСИЧЕНІ

Етен (етилен) СН2=СН2 Між атомами Карбону наяв ний подвійний зв’язок.

Етин (ацетилен) СН≡СН Між атомами Карбону наяв ний потрійний зв’язок.

Подвійний та потрійний зв’язки називають кратними.

Гомологи — сполуки, що подібні за будовою та хіміч ними властивостями, але відрізняються за складом молекул на одну або кілька груп атомів —СН2—.

149

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки ВЛАСТИВОСТІ ВУГЛЕВОДНІВ

ФІЗИЧНІ

С1–С4 — гази; С5–С15 — рідини; С16 і далі — тверді речовини. Метан — безбарвний газ, без запаху, легший за повітря, нерозчинний у воді, але розчинний в органічних розчинниках.

Етен — безбарвний газ із слабким фруктовим запа хом, трохи легший за пові тря, малорозчинний у воді.

Етин — фізичні власти вості такі самі, як в етену, але запах відсутній.

ХІМІЧНІ

1. Метан і його гомологи всту пають в реакції горіння: 2С2Н6 + 7О2 → 4СО2 + 6Н2О. 2. Для насичених вуглеводнів характерна реакція заміщення: СН4 + 4Сl2 → ССl4 + 4HCl.

1. Етен вступає в реакції горіння та приєднання: С2Н4 + 3О2 → 2СО2 + 2Н2О. Горить світним полум’ям. 2. СН2=CH2 + Cl2 → СH2Cl–CH2Cl –1,2-дихлороетан.

1. Етин вступає в реакції горіння та приєднання: 2С2Н2 + 5О2 → 4СО2 + 2Н2О. Горить кіптявим полум’ям. 2. Реакція приєднання відбува ється за дві стадії: СH≡CН + Сl2 → СHCl=CHCl — 1,2-дихлороетен; СHCl=CHCl + Сl2 → СHCl2—СHCl2 — 1,1,2,2-тетрахлороетан.

ПРИРОДНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ

Природний газ

150

Супутні нафтові гази

Нафта

Кам’яне вугілля

Узагальнення знань із підтеми «Вуглеводні» ЗАСТОСУВАННЯ ВУГЛЕВОДНІВ

Мийні засоби Каучуки

Мастила

СnH2n +2

Бензин

Пластмаси

Розчинники Фарби, клеї

ЗАСТОСУВАННЯ ЕТЕНУ

Лікарські препарати

ЗАСТОСУВАННЯ ЕТИНУ

Для синтезу етанолу, етанової кислоти, поліетилену, прискорення достигання овочів і фруктів. Хлоропохідні — для знезараження зерносховищ, боротьби зі шкідниками ягідних кущів.

Для синтезу етанолу, етанової кислоти, ацетальдегіду; виробництва пластмас, каучуків, розчинників, клеїв; для різання та зварювання металів.

Полімери — високомолекулярні сполуки, що утво рюються внаслідок сполучення великої кількості молекул речовин, які мають у своєму складі кратні зв’язки. Флакони для косметики Шланги

Плівки

Пляшки

Каналізаційні труби

Поліетилен

Медичне устаткування

Посуд

Водопровідні труби

151

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ОСНОВНІ ДЖЕРЕЛА ВУГЛЕВОДНІВ

Природний газ

Супутні нафтові гази

Природна суміш вуглеводнів: метан — 90–95 %; етан — 1–4 %; пропан — 1–1,5 %; бутан — 0,1–1 %; пентан — 1 % і в незначних відсотках гексан. Містить також домішки: азот, вуглекислий газ, гідроген сульфід.

Природна суміш вуглеводнів із меншим вмістом метану — 30–40 %. Крім нього, наявні: етан — 7–7,5 %; пропан — 21–22 %; бутан — 20–20,5 %; пентан — 1 %. Містить також домішки: азот, вуглекислий газ, гідроген сульфід.

Нафта

Природна суміш вуглеводнів різних класів: насичених (алканів); ненасичених (алкенів, алкінів); ароматичних. Окрім них, наявні домішки інших сполук. Під час перегону (дистиляції) утворюються нафтопродукти: бензин, лігроїн, гас, газойль, мазут.

ЗАСТОСУВАННЯ

Природний газ — як паливо та сировину для органічного синтезу.

152

Супутні нафтові гази — наповнюють балони, як паливо в побуті й пальне для автотранспорту, як сировину в органічному синтезі.

Нафтопродукти — як бензин, пальне для котлів і дизельних двигунів, у виробництві мастил, каучуків, пластмас тощо.

Узагальнення знань із підтеми «Вуглеводні» ВУГІЛЛЯ

На відміну від газів і нафти, вугілля — це тверда вуглеводнева сировина, утворена рештками відмерлих рослин і тварин без доступу повітря.

Антрацит

Кам’яне вугілля

Найдавніше за походженням, масова частка Карбону становить 95 %.

Молодше за походженням, масова частка Карбону становить 75–90 %.

Буре вугілля

Наймолодше за походженням, масова частка Карбону становить 65–70 %.

Продукти коксування

Кокс

Кам’яновугільна смола

Коксовий газ

Надсмольна вода

Застосування

Кокс — у металургії як відновник.

Кам’яновугільна смола — для одержання ароматичних вуглеводнів, нафталіну та його гомологів і великої кількості інших речовин.

Коксовий газ — багатий на метан і етан, які застосовують як паливо та неорганічні речовини: азот, водень, карбон(ІV) оксид тощо.

Надсмольна вода — містить речовини, які використовують для виробництва мінеральних добрив (амоніак, солі амонію) та гідроген хдорид і гідроген сульфід.

153

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

§ 28. Поняття про спирти. Метанол, Етанол і гліцерол Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати молекулярні та структурні формули метанолу й етанолу як одно атомних спиртів і гліцеролу як триатомного спирту; • розрізняти одно- й багатоатомні спирти; • пояснювати застосування етанолу та гліцеролу; • характеризувати фізичні властивості метанолу, етанолу та гліцеролу; реакцію горіння етанолу та якісну реакцію для виявлення гліцеролу; • висловлювати судження про отруйність метанолу й етанолу, їхню фізіо логічну дію на організм людини.

До оксигеновмісних органічних речовин належать спирти. Це речо вини, молекули яких, окрім Карбону й Гідрогену, містять ще й атоми Оксигену. Найпростіший склад і будову мають спирти, що містять гідро ксильні групи —ОН. Спирти поділяють на одно- й багатоатомні. Розглянемо їх склад і будову на прикладі метанолу, етанолу та гліцеролу. Склад і будова молекул метанолу. Метанол — найпростіший представник класу спиртів. Його молекулярна формула СН3—ОН. Молекула мета нолу містить групу атомів —СН3 і функціо нальну гідроксильну групу —ОН, характерну для спиртів. Метанол належить до одноатомних спиртів. Його структурна формула: —

H—C— O—H —

Рис. 90. Кулестержнева модель молекули мета нолу

метанол

З молекулярної та структурної формул і кулестержневої моделі бачимо, що метанол можна розглядати як похідну метану, у молекулі якого один атом Гідрогену заміщено на гідроксильну групу (рис. 90). Фізичні властивості метанолу. Наявність у молекулі гідроксильної групи впливає на фізичні властивості метанолу. За її участю відбувається поляри зація хімічного зв’язку, що зумовлює утворення водневих зв’язків. (Полярність зв’язку в гідроксильній групі пояснено на прикладі молекули

154

§ 28. Поняття про спирти...

етанолу). Унаслідок полярності окремих молекул спиртів не існує, вони утворюють цілі агрегати. Утворення водневих зв’язків також пояснює від сутність серед спиртів газів. Пригадайте, який зв’язок називають водневим.

Порівняно з відповідними їм вуглеводнями, спирти мають високі тем ператури кипіння. Метанол за звичайних умов є безбарвною, прозорою рідиною з характерним запахом. Завдяки утворенню водневих зв’язків метанол добре розчинний у воді в будь-яких відношеннях. Ознайомимося ще з одним представником спиртів — етанолом. Склад і будова молекул етанолу. До спиртів, що містять у своєму складі одну функціональну групу атомів —ОН, належить етанол. Як і метанол, це одноатомний спирт, а гліцерол — представник бага тоатомних спиртів. Етанол — органічна сполука, яку можна роз Рис. 91. Кулестержнева модель молекули глядати як похідну етану, у молекулі якого один етанолу атом Гідрогену заміщено на гідроксильну групу — ОН (рис. 91). Складемо структурні формули етану й етанолу та порівняємо їхній склад.

етан

—

H — C — C —O — H H

—

H—C—C—H

—

етанол

На рисунку 92 зображено масштабну модель моле кули етанолу. Обидві моделі демонструють, що в моле кулі етанолу є тільки одна гідроксильна група, що під тверджує належність його до одноатомних спиртів. Окрім того, зі структурних формул метанолу й етанолу бачимо, що у їхніх молекулах атоми Карбону — чотиривалентні.

Рис. 92. Масштабна модель молекули етанолу

Органічні речовини, у молекулах яких є одна або кілька гідро ксильних груп, називають спиртами. Скорочена структурна формула етанолу СН3–СН2–ОН. Проаналізуємо утворення ковалентного полярного зв’язку між Оксигеном і Гідрогеном у гідроксильній групі. 155

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Атом Оксигену, як атом більш електронегативного елемента, зміщує до себе спільну пару електронів зв’язку О—Н. Тому атом Оксигену набу ває частковий негативний заряд, а атом Гідрогену — частковий позитив ний. Їх позначають відповідно δ– (читають «дельта мінус») і δ+ (читають «дельта плюс»). Зміщення пари електронів позначають стрілкою, спрямованою до більш електронегативного елемента. δ– δ+

CH3—CH2—O←H

Отже, молекула етанолу — полярна. Це впливає на властивості речо вини та класу речовин, до якого етанол належить. Фізичні властивості етанолу. Етанол (етиловий спирт) — це безбарвна рідина, добре розчинна у воді в будь-яких відношеннях. Прозора, має характерний запах. Температура кипіння низька й становить +78,4 °С, однак значно вища від температури кипіння етану. Густина етанолу менша за густину води й становить приблизно 0,8 г/мл. Утворення водневого зв’язку між молекулами спиртів показано на при кладі етанолу (рис. 93), а між молекулами води й етанолу — на рисунку 94. Унаслідок утворення водневого зв’язку між молекулами спиртів утво рюються асоційовані молекули. Водневий зв’язок утворюється і між ато

Водневий зв’язок Рис. 93. Схема утворення водневого зв’язку між молекулами етанолу

Водневий зв’язок Вода

Рис. 94. Схема утворення водневого зв’язку між молекулами етанолу й води

156

Етанол

§ 28. Поняття про спирти...

мом Гідрогену гідроксильної групи молекули спирту, на якому концен трується частковий позитивний заряд однієї молекули, й атомом Оксигену в складі води іншої молекули, на якому зосереджений частковий негатив ний заряд. Такий зв’язок, як вам відомо, називають міжмолекулярним. Завдяки водневому зв’язку рідкі спирти добре розчинні у воді. Хімічні властивості етанолу. Вам уже відомо, що властивості речовин залежать від їх будови. Тому властивості етанолу зумовлені складом молекули, яка містить групу —ОН і залишок насиченого вуглеводню етану —С2Н5. Усі органічні речовини горять. Виконаємо демонстраційний дослід. Д о с л і д 1. Горіння етанолу. Наллємо етанол на дно чашки Петрі й обережно запалимо його. Як легкозаймиста речовина, він швидко спалахує й горить блакитним, ледь помітним полум’ям із виділенням великої кількості тепла (рис. 95). Рис. 95. Горіння етанолу Рівняння реакції: С2Н5ОН + 3О2 → 2СО2 + 3Н2О; ∆Н = –715 кДж/моль. Склад і будова молекули гліцеролу. Гліцерол — триатомний спирт, тобто в його молекулі міститься не одна, як у метанолу й етанолу, а три функціональні групи —ОН. Гліцерол можна розглядати як похідну про пану, у молекулі якого біля кожного атома Карбону один атом Гідрогену заміщений на гідроксильну групу (рис. 96, 97).

Рис. 96. Кулестержнева модель молекули гліцеролу

Рис. 97. Масштабна модель молекули гліцеролу

Складемо структурні формули пропану та гліцеролу й запишемо ско рочену структурну формулу гліцеролу:

пропан

OH OH OH гліцерол

—

H—C—C— C—H

CH2—CH—CH2

—

H—C—C— C—H

—

OH OH

скорочена стуктурна формула гліцеролу

157

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Фізичні властивості гліцеролу. Гліцерол — рідина без запаху та кольору, солодка на смак, в’язка, необмежено змішується з водою, має гігроско пічні властивості (здатна вбирати воду з повітря). В’язкість гліцеролу, порівняно з етанолом, зумовлена наявністю трьох гідроксильних груп, які утворюють більше водневих зв’язків. Виконаємо демонстраційний дослід 2. Д о с л і д 2. Розчинність гліцеролу у воді. Наллємо в пробірку воду об’ємом 0,5–1 мл. Додамо кілька крапель гліцеролу й перемішаємо суміш. Додамо ще кілька крапель гліцеролу та знову перемішаємо. За результатами дослідження можна зробити висновок, що гліцерол добре розчинний у воді. Хімічні властивості гліцеролу. Хімічні властивості гліцеролу, як і фізичні, зумовлені наявністю трьох гідроксильних груп. Тому властивості гліцеролу поді бні до хімічних властивостей етанолу, тобто одноа томних спиртів. Гліцерол горить майже безбарвним полум’ям, незва жаючи на високий вміст Карбону. Рівняння реакції: 2С3Н8О3 + 7О2 → 6СО2 + 8Н2О; ∆Н < 0. Рис. 98. Купрум(ІІ) гліцерат

Гліцерол взаємодіє з купрум(ІІ) гідроксидом з утво ренням купрум(ІІ) гліцерату яскраво-синього кольору (рис. 98). Виконаємо лабораторний дослід 11. Лабораторний дослід 11 Взаємодія гліцеролу з купрум(ІІ) гідроксидом

З а в д а н н я. Дослідіть взаємодію гліцеролу з купрум(ІІ) гідроксидом. Д о с л і д 1. Одержіть купрум(ІІ) гідроксид реакцією обміну між купрум(ІІ) сульфатом і натрій гідроксидом у розчині. Що спостерігаєте? Зробіть висновки з ваших спостережень. Д о с л і д 2. Долийте до утвореної речовини гліцерол об’ємом 1 мл. Суміш ретельно перемішайте. Запишіть результати досліджень у таблицю в зошиті. Сформулюйте загальний висновок. Реагенти

Результати спостережень. Рівняння окисно-відновної реакції

Висновок

Дослід 1 Дослід 2

Загальний висновок: ______________________________________. 158

§ 28. Поняття про спирти...

За допомогою цієї реакції можна визначити багатоатомні спирти та відрізнити їх від інших органічних сполук. Отже, утворення купрум(ІІ) гліцеролу яскраво-синього кольору є якісною реакцією для виявлення багатоатомних спиртів. Отруйність метанолу й етанолу. Згубна дія алкоголю на організм людини. Метанол (деревний спирт) є сильною отрутою. Потрапляння в організм людини викликає захворювання судинної та нервової систем. Має здат ність проникати крізь неушкоджену шкіру. Незначна доза метанолу спричиняє сліпоту й навіть смерть. Етанол — спирт, який чинить наркотичну дію на організм людини. Вивчаючи основи здоров’я та біологію, ви дізналися, що систематичне вживання спиртних напоїв призводить до хронічного отруєння організму і як наслідок до захворювання — алкоголізму. Хворобу спричиняє здат ність етанолу добре розчинятися, а отже, і легко всмоктуватися в кров, яка розносить його до всіх органів. У печінці спирти окиснюються до аль дегідів — токсичних речовин, які спричиняють таку важку недугу, як цироз (руйнування клітин печінки). За тривалого вживання спиртів уражаються всі органи: погіршу ється робота серця та нирок, нервової та серцево-судинної систем. Знижується апетит, виникають зміни в органах травлення. У людини, яка систематично вживає алкоголь, спостерігаються послаблена увага, некоординовані рухи, гальмується робота головного мозку. Особливу шкоду алкоголь завдає здоров’ю дітей та підлітків. Вживання його знижує гостроту зору та слуху, затримує ріст і розумо вий розвиток, може викликати страшне захворювання — недокрів’я. Щоб запобігти цій небезпеці, кожна людина має усвідомити згубну дію алкоголю та свідомо вести здоровий спосіб життя. Це допоможе вирішити дві проблеми суспільства: медичну й соціальну. Застосування етанолу. Етанол і гліцерол — спирти, що мають важливе значення. Галузі застосування етанолу показано на рисунку 99. Органічний синтез Медицина

Пальне

С2H5OH

Розчинник

Харчова промисловість

Косметологія

Консервант

Парфумерія

Рис. 99. Схема застосування етанолу

159

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Ознайомимося докладніше з кожною галуззю застосування етанолу. У медицині етанол застосовують для виготовлення лікувальних пре паратів, для знезараження поверхні тіла під час операцій, аналізу крові, дезінфекції хірургічних інструментів і рук лікаря. Антисептичну дію етанолу використовують для консервування біологічних препаратів. Етанол — альтернативне джерело енергії для двигунів внутрішнього згоряння, оскільки він, порівняно з бензином, є екологічно чистим. Додавання до бензину 10 % етанолу заощаджує використання нафти. Етанол використовують як розчинник для виготовлення екстрактів із рослин, настоянок із лікувальних трав, їхніх квітів чи насіння. У парфумерії етанол — основний компонент ароматичних косметич них засобів (парфумів, одеколонів, парфумованої води тощо). Набули поширення дезодоранти — засоби проти поту. У побуті етанол придат ний для виведення жирних плям. У харчовій промисловості його використовують як консервант. Досить широкий спектр застосування етанолу як сировини в орга нічному синтезі. Значну його кількість витрачають на синтез етанової (оцтової) кислоти, синтетичних каучуків, гуми, пластмас, естерів. Застосування гліцеролу. Гліцерол — триатомний спирт, який вико ристовують у фармацевтичній промисловості для виготовлення мазей, гелів і кремів. З гліцеролу одержують нітрогліцерол — судинорозши рювальний засіб, що у формі таблеток чи капсул застосовують у разі захворювання серця. Цю саму речовину використовують і для вироб ництва вибухових речовин. Гліцерол, як і етанол, — хороший розчинник. Тому його теж застосо вують для виведення плям органічного походження. Як пом’якшувальний засіб, гліцерол використовують для виготов лення кремів, помад, зубних паст, туалетного мила. У легкій промисло вості — для вичинення шкур, для пом’якшення ниток. У харчовій промисловості гліцерол додають до лікерів, хлібо булочних, макаронних і кондитерських виробів. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Метанол та етанол — одноатомні спирти, у молекулах яких є залишки насичених вуглеводнів метану й етану, відповідно –СН3 і –С2Н5, та ода функціональна гідроксильна група –ОН. • Гліцерол — триатомний спирт, який розглядають як похідну пропану, у молекулі якого один атом Гідрогену біля кожного атома Карбону заміщений на гідроксильну групу. • Фізичні та хімічні властивості спиртів (одно- й багатоатомних) зумовлені наявністю гідроксильних груп. У гідроксильній групі електронна густина зв’язку —О←Н зміщена до атома Оксигену. Молекули спиртів полярні. • Полярність молекул є причиною утворення водневого зв’язку.

160

§ 28. Поняття про спирти... • Для етанолу та гліцеролу характерні реакції повного окиснення, унаслідок яких утворюються карбон(IV) оксид і вода. Реакції екзотермічні. • Якісною реакцією для виявлення гліцеролу є утворення купрум(ІІ) гліцерату (розчинної у воді речовини яскраво-синього кольору). • Етанол і гліцерол застосовують у медицині, харчовій галузі промисловості, парфумерії, органічному синтезі тощо. • Гліцерол також використовують для вичинення шкур, у виробництві мила, зубних паст, косметики. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Позначте молекулярну формулу етанолу. Б С2Н4О В С2Н6О Г С3Н8О3 А С2Н6О2 2. Позначте формулу спирту з характерним запахом. Б С2Н5ОН В С3Н8О Г С4Н9О А С3Н8О3 3. Обчисліть і вкажіть масову частку Карбону в етанолі. А 51,97 % Б 52,37 % В 51,2 % Г 52,17 % 4. Обчисліть і вкажіть об’єм кисню (н. у.), що прореагував у процесі згоряння етанолу масою 145,83 г. А 213,04 л

Б 215,07 л

В 217,05 л

Г 216,02 л

5. Під час повного окиснення гліцеролу прореагував кисень об’ємом 15,68 л (н. у.). Обчисліть масу гліцеролу, що згорів, та об’єм карбон(ІV) оксиду (н. у.), що утворився. 6. Обчисліть масу етанолу й об’єм кисню (н. у.), що прореагували, якщо утворився карбон(ІV) оксид об’ємом 336 л. 7. Обчисліть об’єм карбон(ІV) оксиду (н. у.) і масу води, що утворяться за повного згоряння гліцеролу масою 64,4 г. Якій кількості речовини відповідає така маса гліцеролу?

§ 29. Етанова (оцтова) кислота: ФІЗИЧНІ ТА ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ, ЗАСТОСУВАННЯ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати молекулярну та структурну формули етанової кислоти; • характеризувати фізичні та хімічні властивості етанової кислоти; • складати рівняння реакцій, що характеризують хімічні властивості етанової кислоти; • спостерігати реакції, що характеризують хімічні властивості етанової кислоти; • досліджувати хімічні властивості етанової кислоти та робити висновки з досліджень.

Склад і будова молекули етанової кислоти. На прикладі етанової (оцтової) кислоти ви ознайомитеся з представником класу оксигеновмісних орга нічних сполук — кислотами.

161

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Розчин цієї кислоти з масовою часткою 9 % відомий під назвою «оцет», його використовують як смакову приправу. Розглянемо склад і будову молекули етанової кислоти. Її можна роз глядати як похідну метану, у молекулі якого один атом Гідрогену замі щений на групу —СООН. Щоб переконатися в цьому, порівняйте струк турні формули метану й етанової кислоти.

метан

—

O — H—C— С— OH H —

— —

H—C— H

—

етанова кислота (структурна формула)

Скорочена структурна формула та моделі молекули етанової кислоти (рис. 100, 101) доводять, що атом Карбону, як і в інших органічних спо луках, чотиривалентний.

Рис. 100. Кулестержнева модель молекули етанової кислоти

Рис. 101. Масштабна модель молекули етанової кислоти

Фізичні властивості. Етанова кислота — безбарвна рідина, про зора, з характерним запахом, летка, кисла на смак. Вона добре роз чиняється у воді й сама розчиняє чимало органічних сполук. Густина етанової кислоти за звичайних умов — 1,05 г/см3, тобто вона трохи важча за воду. Температура плавлення становить +16,6 °С, темпе ратура кипіння — +181,1 °С. Поясніть, чому температура кипіння етанової кислоти є високою.

—

Хімічні властивості. З’ясуємо склад молекули етанової кислоти. Вона складається із залишку молекули метану —CH3 та карбоксильної групи —СООН. Атом Оксигену, що міститься в карбонільній групі –С=О, сполучений подвійним зв’язком з атомом Карбону та, як більш електронегативний, спричиняє зміщення електронної густини до нього. У результаті послаблюється зв’язок між H атомами Оксигену та Гідрогену в гідроксильній δ– O — групі –ОН. Унаслідок цього атом Гідрогену стає H—C— С— + рухливіший і може заміщуватися на інші O Hδ атоми, підтверджуючи її кислотний характер. H 162

§ 29. Етанова (оцтова) кислота...

Електролітична дисоціація. Зважаючи на те, що етанова кислота є слабким електролітом, вона дисоціює частково на йони — катіони Гідрогену й аніони кислотного залишку: → Н+ + СН СОО–. СН3СООН → 3 Дисоціацію кислоти й наявність йонів Гідрогену в розчині можна підтвер дити зміною забарвлення індикаторів. Виконаємо демонстраційний дослід. Пригадайте дію неорганічних кислот на індикатори.

Дія на індикатори. Д о с л і д 1. Дія етанової кислоти на індикатори. Наллємо в три пробірки розчин етанової кислоти об’ємом 1,5–2 мл. У кожну з пробірок додамо по кілька крапель розчинів індикаторів: у першу — лак мусу, у другу — метилового оранжевого, у третю зануримо універсальний індикаторний папір. Спостерігаємо зміну забарвлення індикаторів, що є переконливим доказом кислотного середовища в розчині цієї кислоти. Взаємодія з металами. Чи взаємодіє етанова кислота з металами, перевіримо за допомогою досліду. Пригадайте, як взаємодіють неорганічні кислоти з металами.

Д о с л і д 2. Взаємодія етанової кислоти з магнієм. Покладемо у дві пробірки по гранулі магнію. Наллємо в першу пробірку розчин етанової кислоти, у другу — хлоридну кислоту. У двох пробірках відбуваються реакції, що супроводжуються утво ренням і виділенням водню. Однак у пробірці з етановою кислотою водень утворюється повільніше. Це свідчить про те, що вона є слабкою кислотою. Складемо рівняння реакції: 2СН3СООН + Mg → (СН3СОО)2Mg + Н2↑. Йонно-молекулярне рівняння:

магній етаноат (магній ацетат)

2СН3СООН + Mg → 2СН3СОО– + Mg2+ + Н2↑. Загальна назва солей етанової кислоти етаноати. Поясніть, чому в йонно-молекулярному рівнянні етанова кислота подана в молекулярній формі.

Взаємодія з лугами. Як і неорганічні кислоти, етанова кислота вза ємодіє з розчинами лугів. Виконаємо демонстраційний дослід. Д о с л і д 3. Взаємодія етанової кислоти з лугами. Наллємо в пробірку розчин натрій гідроксиду об’ємом 1 мл і додамо кілька крапель розчину фенол-фталеїну. Доллємо невеликими порціями розчин етанової кислоти. Фенолфталеїн знебарвлюється. Отже, етанова кислота нейтралізувала луг: СН3СООН + NaOH → СН3СООNa + Н2О. натрій етаноат (натрій ацетат)

163

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Йонно-молекулярне рівняння: СН3СООН + Na+ + OH– → СН3СОО– + Na+ + Н2О. Взаємодія з солями. Перевіримо експериментально, чи реагує ета нова кислота із солями. Д о с л і д 4. Взаємодія етанової кислоти із солями. Покладемо в про бірку шматочок крейди й доллємо розчин етанової кислоти. Спостерігаємо виділення газу. Отже, відбулася реакція: 2СН3СООН + СaСO3 → (СН3СОО)2Сa + СО2↑ + Н2О. кальцій етаноат (кальцій ацетат)

Йонно-молекулярне рівняння: 2СН3СООН + СaСO3 → 2СН3СОО– + Са2+ + СО2↑ + Н2О. Результати виконаних досліджень свідчать про те, що етанова кис лота виявляє властивості, подібні до властивостей неорганічних кислот. Однак, як органічна сполука, вона горить слабосвітним полум’ям з утворенням карбон(ІV) оксиду та води. Застосування етанової кислоти. Етанова кислота відома людству здавна. Її застосовують у побуті та різних галузях (рис. 102). Розкажіть про застосування етанової кислоти, скориставшись схемою (рис. 102), або виконайте навчальний проєкт.

Дезінфекційні засоби

Консервант

Текстильне виробництво

Засоби захисту рослин

CH3COOH

Органічний синтез

Лікарські препарати

Розчинник Косметичні засоби

Рис. 102. Схема застосування етанової кислоти

164

§ 29. Етанова (оцтова) кислота... Практична робота 4 Властивості етанової кислоти Виконавши цю практичну роботу, ви зможете:

• закріпити вміння й набути навички самостійно досліджувати власти вості етанової кислоти; • спостерігати хімічні реакції між етановою кислотою та металами, лугами й солями; зміну забарвлення індикаторів; • набути практичні вміння в дослідженні речовин, а також робити вис новки.

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами й лабораторним посудом і приладдям та суворо дотримуйтеся їх. Мета роботи: закріпити вміння виконувати дослідження властивос тей речовин і здійснювати спостереження; виконати самостійно запропо новані завдання; удосконалити вміння робити загальні висновки. 1. Дослідіть дію етанової кислоти на індикатори. Опишіть спостере ження та зробіть висновки. 2. Здійсніть реакцію взаємодії етанової кислоти з магнієм. Опишіть спостереження та зробіть висновки. 3. Дослідіть взаємодію етанової кислоти з лугами. Опишіть спостере ження та зробіть висновки. 4. Дослідіть взаємодію етанової кислоти із солями. Опишіть спосте реження та зробіть висновки. Оформте результати досліджень у зошиті для практичних робіт. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Етанова кислота — представник насичених карбонових кислот, у молекулі якої міститься залишок молекули метану —СН3 і карбоксильна група —СООН. • Карбоксильна група зумовлює властивості етанової кислоти внаслідок поляризації зв’язку до більш електронегативного атома Оксигену в карбонільній групі та послаблення зв’язку між атомами Оксигену й Гідрогену в гідроксильній. • Етанова кислота — слабкий електроліт, однак змінює забарвлення індикаторів. Як кислота реагує з металами, лугами, солями. • Етанову кислоту широко застосовують у різних галузях промисловості: харчовій, текстильній та фармацевтичній. Вона є сировиною для органічного синтезу, розчинником багатьох речовин. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Укажіть функціональну групу карбонових кислот. А –СООН Б –ОН В –СОН Г –С=О 2. Укажіть назву класу речовин, до якого належить етанова кислота. А одноатомні спирти Б насичені вуглеводні В багатоатомні спирти Г одноосновні карбонові кислоти

165

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

3. Укажіть формулу етанової кислоти. А СН3–СОН Б СН3–ОН В СН3–СООН Г СН3–СН3 4. Складіть рівняння реакцій між етановою кислотою та: а) кальцієм; б) барій гідроксидом; в) натрій карбонатом. 5. Під час взаємодії етанової кислоти з магнієм утворився водень об’ємом 44,8 л (н. у.). Обчисліть масу етанової кислоти, що прореагувала. 6. Обчисліть маси реагентів, якщо внаслідок реакції утворився натрій етаноат масою 73,8 г. Назвіть реагенти. 7. Натрій карбонат повністю прореагував із розчином кислоти масою 500 г із масовою часткою етанової кислоти 6 %. Обчисліть маси натрій етаноату та води й об’єм газу (н. у.), що утворилися.

§ 30. вищі карбонові кислоти Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• називати вищі карбонові кислоти, зокрема пальмітинову, стеаринову й олеїнову; • пояснювати склад молекул стеаринової та олеїнової кислот; реакції добування мила; • характеризувати властивості мила, його склад, мийну дію; • обґрунтовувати застосування жирів, їх біологічну дію; • висловлювати судження про значення вищих карбонових кислот.

Поняття про вищі карбонові кислоти. На відміну від етанової кислоти, молекули вищих карбонових кислот містять у своєму складі понад 10 атомів Карбону. Вони належать до одноосновних, бо в кожній моле кулі наявна тільки одна карбоксильна група. Серед вищих карбонових кислот є кислоти насиченого й ненасиченого складу. До вищих насичених одноосновних карбонових кислот належать пальмітинова (гексадеканова) і стеаринова (октадеканова) кислоти. Розглянемо склад їхніх молекул. Хімічна формула пальмітинової кислоти СН3—(СН2)14—СООН. Її молекула містить насичений вуглеводневий замісник —С15Н31 і карбоксильну групу —СООН. Хімічна формула стеаринової кислоти СН3—(СН2)16—СООН. Вуглеводневий замісник –С17Н35 сполучений із карбоксильною групою. З вищих ненасичених карбонових кислот поширена олеїнова (октадек-9енова) кислота, молекулярна формула якої С17Н33—СООН. Масштабні моделі молекул пальмітинової та олеїнової кислот зображено на рисунках 103 і 104.

Рис. 103. Масштабна модель молекули пальмітинової кислоти

166

Рис. 104. Масштабна модель молекули олеїнової кислоти

§ 30. Вищі карбонові кислоти

Фізичні властивості вищих карбонових кислот. Пальмітинова й стеаринова кислоти — тверді речовини білого кольору (рис. 105), нерозчинні у воді. Вони не мають запаху, масні на дотик. Упевнитися в цьому можна, дослідивши стеари нову свічку. Вищі ненасичені кислоти здебільшого рос линного походження, хоча є винятки. Олеїнова кислота — рідина, жирна, нерозчинна у воді.

Рис. 105. Стеарин

Хімічні властивості. Вищі карбонові кислоти, насичені й ненасичені, реагують із розчинами лугів з утворенням солей пальмітинової, стеари нової та олеїнової кислот. Рівняння реакцій: С15Н31СООН + NaОН → С15Н31СООNa + Н2О; натрій пальмітат

С17Н35СООН + КОН → С17Н35СООК + Н2О. калій стеарат

Унаслідок взаємодії з натрій та калій гідроксидами утворюються натрієві й калієві солі пальмітинової та стеаринової кислот, які є осно вною складовою частиною мила. Пальмітинова й стеаринова кислоти реагують із солями в розчинах. Наприклад: 2С15Н31СООН + Na2CO3 → 2С15Н31СООNa + Н2О + CO2↑. натрій пальмітат

Олеїнова кислота, реагуючи з лугами, утворює солі — олеїноати. Складіть самостійно рівняння реакцій взаємодії олеїнової кислоти з натрій гідроксидом і натрій карбонатом.

Взаємодія вищих карбонових кислот із содою — це промисловий спосіб виробництва господарського мила. Додаючи ароматизатори, барвники, жири, рослинні добавки, парфуми, з нього виготовляють різні сорти туалетного мила. Його якість залежить від інгредієнтів і способу виробництва. Мийна дія мила. Основною речовиною мила є солі вищих карбонових кислот. Їх структурні одиниці містять неполярний великий (С15–С17) вуглеводневий замісник і полярну складову — групу атомів –СОО–Na+ або –СОО–К+ .

167

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Потрапляючи у воду, йони кислотних залиш ків вищих карбонових кислот своїми полярними полюсами орієнтуються до полярних молекул води, а неполярними вуглеводневими замісни ками — до неполярних частинок бруду. Частинки бруду, потрапляючи в оточення «мильних» йонів, легко відщеплюються та поширюються між моле кулами води. Нерозчинними у воді є солі вищих карбонових кислот, у складі яких є йони Кальцію та Магнію. Вони утворюються внаслідок реакцій обміну між Рис 106. Мило, виго солями, що містяться у твердій воді й випадають в товлене в домашніх осад. Унаслідок цього мило втрачає мийну власти умовах вість. Останнім часом став поширеним спосіб миловаріння в домашніх умо вах. Популярність такого мила зумовлена тим, що воно якісне й корисне. Для виготовлення мила в домашніх умовах використовують натуральні жири — як тверді, так і рідкі. Це, зокрема, свиняче, яловиче й бараняче сало, оливкова, лляна, конопляна, пальмова й інші олії, натуральні барвники та запашні трави, фрукти. Шматочком мила надають різні форму й колір, для привабливішого вигляду (рис. 106). Фізіологічна дія мила. Насамперед мило є засобом гігієни людини. Туалетне мило виявляє корисну дію залежно від інгредієнтів у ньому. Це можуть бути екстракти різних трав, зокрема ромашки, алое, нагідки лікарської (календули), звіробою, ялиці. Важливо вміти правильно добирати мило для власних потреб. У цьому вам допоможе вміння прочитати та проаналізувати етикетку. Надмірна кількість синтетичних речовин, ароматизаторів, барвників, речовин для дезінфікації негативно впливає на шкіру, робить її сухою та грубою, спричиняє алергічні прояви. У кожному господарстві мило є засобом дотримання чистоти не тільки рук і тіла, а й одягу (прання), посуду, поверхонь меблів. У природі трапляються рослини, що містять сапоніни. Назва похо дить від латинського слова sapo, що означає «мило». Сапоніни містяться в різних частинах рослин: коренях і кореневищах, стеблах, листках, квітах. Їм властива висока поверхнева активність. Сапоніни є в бузині, кореневищах мильнянки лікарської, папороті-орляка, коренях жень шеню, синюхи блакитної, калюжниці болотної, білої лілії та інших. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Вищі одноосновні карбонові кислоти поділяють на насичені й ненасичені. З насичених найбільш поширені пальмітинова та стеаринова кислоти, з ненасичених — олеїнова.

168

§ 30. Вищі карбонові кислоти • Молекули вищих карбонових кислот містять неполярні вуглеводневі замісники з великою кількістю атомів Карбону (С15 – С17) і полярні карбоксильні групи –СООН. • Натрієві й калієві солі вищих карбонових кислот називають милами. Натрієві солі утворюють тверде мило, калієві — рідке. • Мийна дія мила зумовлена його складом і будовою. • Мило — засіб гігієни, запорука чистоти посуду, одягу, поверхонь меблів. • Мийна дія властива багатьом рослинам, що містять сапоніни. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Укажіть молекулярну формулу пальмітинової кислоти. А С17Н35–СООН Б С15Н31–ОН В С15Н31–СООН Г С17Н33–СООН 2. Укажіть скорочену структурну формулу олеїнової кислоти. А СН3–(СН2)4–СН2–(СН2)4–СООН Б СН3–(СН2)7–СН2–(СН2)7–СООН В СН3–(СН2)5–СН2–(СН2)5–СООН Г СН3–(СН2)7–СН=СН –(СН2)7–СООН 3. Укажіть реакцію утворення натрій стеарату. А 2С15Н31–СООН + Na2CO3 → 2С15Н31–СООNa + Н2О + CO2↑ Б 2С17Н35–СООН + K2CO3 → 2С17Н31–СООК + Н2О + CO2↑ В 2С17Н35–СООН + Na2CO3 → 2С17Н35–СООNa + Н2О + CO2↑ Г С15Н31–СООН + NaOН → С15Н31–СООNa + Н2О 4. Порівняйте склад і фізичні властивості стеаринової та олеїнової кислот. Складіть скорочені структурні формули. 5. Обчисліть масову частку Карбону в складі калій пальмітату. 6. Обчисліть масу натрій стеариноату, що утворився внаслідок повної взаємодії натрій карбонату масою 318 кг із відповідною кислотою. Якій кількості речовини відповідає маса утвореного продукту реакції? 7. Унаслідок взаємодії олеїнової кислоти з калій гідроксидом утворилася сіль масою 64 кг. Обчисліть маси реагентів. Назвіть утворену сіль. Цікаво знати

• Новий винахід британських учених стосується так званого «магнітного мила». У ньому містяться солі Феруму. Таке мило розчиняє бруд, який потім можна зібрати за допомогою магніту, що й зумовило його назву. Цей винахід має важливе значення, оскільки його можна застосовувати для очищення води стічних труб, а також водойм після катастроф, пов’язаних із розтіканням нафти. Дж. Істоу, професор хімії Брістольського університету, повідомив, що «магнітне мило» зможе відчистити від нафти пір’я птахів.

169

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Порівняння мийної дії мила та прального порошку вітчизняного виробника 1. Приготуйте розчини мила та прального порошку однакових об’ємів по 4 порції кожного. 2. Наберіть у склянки воду з різних джерел: водопровідну, джерельну, мінеральну, річкову об’ємом по 50 мл. 3. До склянок із водою з різних джерел додайте почергово: а) розчин мила; б) розчин прального порошку. Струсіть вміст склянок. Зробіть висновок про мийну дію мила та порошку за інтенсивністю утвореної піни. НавчальнИЙ проЄкт

І. Виконайте навчальний проєкт із теми «Виготовлення мила з мильної основи». ІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

§ 31. Жири, їх біологічна роль Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати склад молекул жирів; історію дослідження складу жирів та їх застосування; • характеризувати фізичні властивості жирів, біологічні функції та роль; • наводити приклади жирів; • розрізняти природні та штучні жири; • висловлювати судження про значення жирів для живих організмів та їх застосування.

Склад молекул жирів. У молекулах жирів містяться залишки моле кул уже вивчених вами органічних сполук. Це — гліцерол і вищі карбонові кислоти. Отже, жири — це складні речовини, утворені триатомним спиртом гліцеролом і вищими карбоновими кислотами. Речовини, утворені спир тами та карбоновими кислотами, називають естерами. Жири — це естери гліцеролу й вищих карбонових кислот. Для визначення складу жирів французькі хіміки М. Е. Шеврель і Е. М. Бертло використали два взаємопов’язані методи наукового дослі дження: аналіз і синтез. У 1817 р. М. Е. Шеврель розклав жири на гліце рол і невідомі на той час сполуки, якими виявилися карбонові кислоти: пальмітинова, стеаринова й олеїнова. Його співвітчизник у 1854 р. здій снив синтез жиру з гліцеролу та стеаринової кислоти — тристеарат. Роботи цих учених підтвердили склад і будову жирів. 170

§ 31. Жири, їхня біологічна роль

На основі результатів їхніх досліджень складемо молекулярну фор мулу жиру — тристеарату. O

CH2—O—C—C17H35 O CH —O—C—C17H35 O CH2—O—C—C17H35

CH2—O—C—R

або

O CH —O—C—Rʹ O CH2—O—C—Rʺ

Літери R, Rʹ, Rʺ у скорочених структурних формулах позначають залишки молекул вищих карбонових кислот. Мішель Ежен Шеврель (1786–1889) — французький хімік-органік, один із творців методу аналізу в органічній хімії. Досліджував будову рослинних і тваринних жирів, пояснив реакцію омилення. Найважливіші праці присвячені дослідженню вищих карбонових (жирних) кислот. Установив кількісний склад молекули гліцеролу й довів, що тваринні й рослинні жири — естери гліцеролу й вищих карбонових кислот. Виокремив холестерин і деякі вищі карбонові кислоти, зокрема стеарин. У 1825 р. запатентував виробництво стеаринових свічок. П’єр Ежен Марселен Бертло (1827–1907) — французький учений-хімік, громадський діяч, педагог. Працював у галузі органічної та аналітичної хімії, хімічної кінетики. Один із фундаторів хімії органічного синтезу. Синтезував ряд вуглеводнів: метан, етен, етин, бензен та оксигеновмісні органічні сполуки етанол і фенол. У 1854 р. здійснив реакцію естерифікації, унаслідок якої одержав жир. Пригадайте, які вищі карбонові кислоти вам відомі й чим вони відрізняються за складом їхніх молекул.

Фізичні властивості. Між складом і властивостями речовин існує тіс ний взаємозв’язок. Залежно від того, вуглеводневі замісники яких кис лот містяться в молекулах жирів, їх поділяють на тверді (сала) і рідкі (олії). Класифікацію та склад жирів показано на рисунку 107 (с. 172). Жири, тваринні та рослинні, — маслянисті речовини, нерозчинні у воді, легші за неї, тому під час потрапляння у воду спливають на її поверхню. Мають низькі температури плавлення. Наприклад, триолеїноат плавиться за температури –4 °С, а тристеариноат — +65 °С. Такий інтервал температур плавлення зумовлений наявністю в складі залишків насичених і ненасичених вищих кислот. Жири мають низьку теплопровідність.

171

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ЖИРИ

Рідкі (олії) — рослинного походження

Тверді (сала) — тваринного походження

У молекулах містяться залишки молекул ненасичених вищих карбових кислот — олеїнової, лінолевої та ліноленової: С17Н33—СООН, С17Н31—СООН, С17Н29—СООН.

У молекулах містяться залишки молекул насичених вищих карбонових кислот — пальмітинової та стеаринової: С15Н31—СООН, С17Н35—СООН.

Рис. 107. Схема класифікації та складу жирів

Рис. 108. Сировина для виробництва соняшникової (а), горіхової (б) і кукурудзяної (в) олій

Тваринні жири — тверді. Це вершкове масло, свинячий жир (сало, смалець), яловичий, баранячий, гусячий та інші жири. Виняток — риб’ячий жир, який є рідиною. Трапляються тверді жири рослинного походження: кокосове масло, масло какао. Рослинні жири — рідини, що мають характерні запахи й різні сма кові якості. Найпоширенішими є соняшникова, кукурудзяна й олив кова олії; менш поширені лляна, конопляна, ріпакова, обліпихова, соєва, гарбузова, горіхова, кедрова й гірчична. Олії виготовляють із різ них частин рослини: насіння, зародків, ядер горіхів, кісточок, м’якоті плодів тощо (рис. 108). Часто не всі олійні рослини вирощують для олії. Вона є побічним продуктом виробництва волокна з льону, конопель, бавовни тощо. Сировиною для виготовлення олій є відходи харчових виробництв, які містять значну кількість олії. Це, зокрема, зародки зернових культур, насіння гарбуза, томатів, чаю, плодових дерев, виноградні кісточки. 172

§ 31. Жири, їхня біологічна роль

Основною сировиною для виробництва олії в Україні є насіння соняш ника, льону, озимого ріпаку, гірчиці, сої тощо. Провідною олійною куль турою, поза сумнівом, є соняшник. Щорічно в Україні виробляють понад 1 млн т соняшникової олії. Насіння соняшника містить майже 57 % олії, а ядро — до 65 %. В організмі людини жири накопичуються в сальнику, підшкірній клітковині, нервовій тканині, печінці, нирках. Отже, жири — поширені в природі речовини, що виконують важливі біологічні функції та які застосовують у різних сферах. Біологічна роль жирів. Жири належать до біологічно активних речо вин, які виконують надзвичайно важливі біологічні функції в живих організмах. Насамперед зазначимо, що вони є обов’язковим компонентом їжі. В організм людини жири потрапляють із харчовими продуктами, які містяться в м’ясі, овочах і фруктах. В організмі людини жири окисню ються, вивільняючи при цьому велику кількість енергії. Ця енергія потрібна для роботи всіх органів та утворення жирів, необхідних люд ському організму. Надлишок жирів, що потрапляють в організм, від кладається та є додатковим джерелом поживних речовин та енергії. Окрім того, жири виконують будівельну функцію, оскільки беруть участь у побудові клітинних мембран. Завдяки низькій теплопровідності жири для багатьох тварин є засо бом терморегуляції. Накопичуючись під шкірою, вони захищають ор ганізм від переохолодження (наприклад, китів, тюленів), ушкодження тканин унаслідок ударів, тобто виконують захисну функцію. Відомо, що багато рослин на поверхні листків мають тонку жирову плівку, яка Випікання хлібопродуктів, кондитерських виробів

Виробництво оліфи, лаків, фарб

Харчовий продукт

Виробництво технологічних мастил

Косметичні засоби

Застосування жирів

Лікарські препарати

Виробництво комбікормів

Виробництво пластмас і лінолеуму

Одержання гліцеролу та вищих карбонових кислот

Виготовлення охолоджувальних рідин

Рис. 109. Сфери застосування жирів

173

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

захищає від проникнення всередину шкідливих газів, надмірної кіль кості води тощо. Так само в людини жири утворюють ліпідний бар’єр шкіри, запобігаючи випаровуванню вологи й оберігаючи шкірний по крив від пересихання. Жир допомагає тілу ефективно використовувати білки й вуглеводи. Достатній вміст жирів необхідний для активної ді яльності мозку, концентрації уваги та пам’яті. Застосування жирів. Значення та функції жирів зумовлюють їх широке застосування (рис. 109, с. 173). Білки насіння олійних куль тур використовують для підвищення біологічної цінності багатьох харчових продуктів. Штучні жири. З рідких жирів, наприклад соняшникової олії, виробля ють маргарин — продукт насичення залишків ненасичених карбонових кислот Гідрогеном. Цей процес називають гідрогенізацією. Унаслідок реакцій гідрогенізації утворюються штучні трансжири. Найчастіше вони містяться в напівфабрикатах, кондитерських виробах, випічці, а також у маргарині, олії за її багаторазового вико ристання. Дослідниками жирів було встановлено, що вживання їх навіть у незначній кількості викликає серцево-судинні захворювання (стенокардію, ішемічну хворобу серця, серцеву недостатність) і хворобу Альцгеймера, інсульти, атеросклерози. Тому необхідно звертати увагу на склад продуктів та їжі, яку купу ють у магазинах. Наприклад, стежити за вмістом пальмової олії (гідро генізованої) у вершковому маслі, не споживати маргарин і замінники тваринних жирів у продуктах. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Жири — естери гліцеролу та вищих карбонових кислот. • Жири поділяють на тверді й рідкі. Тверді жири переважно мають тваринне походження, рідкі — рослинне. • Тверді жири — естери гліцеролу й насичених вищих карбонових кислот. Рідкі жири — естери гліцеролу й ненасичених вищих карбонових кислот. • Жири виконують енергетичну, будівельну, терморегуляційну, захисну та інші важливі функції в живих організмах. • Жири, як біологічно активні речовини, корисні для організму людини. Завдяки властивостям жирів їх застосовують у різних галузях, у побуті та як харчовий продукт. • З рідких жирів гідрогенізацією отримують штучні (трансжири) — продукти насичення залишків ненасичених карбонових кислот воднем. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть склад і будову молекул жирів. 2. Охарактеризуйте фізичні властивості жирів.

174

§ 31. Жири, їхня біологічна роль 3. Складіть скорочену структурну формулу жиру, у молекулі якого містяться залишки молекули гліцеролу й три залишки молекули пальмітинової кислоти. 4. Обчисліть масову частку Карбону в тристеариноаті. 5. Складіть молекулярну формулу жиру, що містить залишки гліцеролу й олеїнової кислоти. Обчисліть масову частку Оксигену в триолеаті. 6. Унаслідок реакції між олеїновою кислотою та натрій гідроксидом утворилася сіль масою 212,8 кг. Обчисліть маси реагентів. Назвіть утворену сіль. 7. Пальмітинова кислота прореагувала з калій гідроксидом масою 280 кг. Обчисліть масу пальмітинової кислоти, що прореагувала, і масу калій пальмітату, що утворився. Якій кількості речовини відповідає така маса калій пальмітату? 1. Реакція, характерна для всіх органіч1 них речовин. 2 2. Вища карбонова ненасичена кислота. 3 3. Процес розпаду на йони. 4 4. Традиційна назва солей етанової 5 кислоти. 5. Зв’язок між молекулами полярних 6 сполук. 7 6. Органічні сполуки, у складі яких є гід8 роксильна група. 7. Назва розчину етанової кислоти. 8. Назва рідкого жиру. 8. Перемалюйте кросворд у зошит і розв’яжіть його. У виділеному стовпчику отримаєте назву трьохатомного спирту. Цікаво знати

• Жири застосовують у медицині та у фармацевтичній галузі для виробництва лікарських і косметичних засобів — мазей, кремів тощо. • Позитивно впливають на організм людини поліненасичені кислоти. У складі їхніх молекул є по кілька подвійних зв’язків. До них належать омега-кислоти. Залежно від того, де відносно карбоксильної групи розміщуються подвійні зв’язки, їх називають ω-3, ω-6 і ω-9 мононенасичені вищі кислоти. В організмі людини вони не синтезуються, тому надходять тільки з їжею. Найбільший вміст ω-3-кислоти — у соняшниковій, лляній, горіховій та оливковій оліях, у горіхах, бобових і зернових культурах, овочах, фруктах, риб’ячому жирі, рибі й морепродуктах. Добова норма омега-кислот в організмі людини — 1–2,5 г. Вживання їх з їжею запобігає розвитку серцево-судинних захворювань, нормалізує рівень цукру в крові, сприяє кращому обміну речовин, покращує роботу мозку. • Деякі дизельні двигуни працюють на 100-відсотковій рослинній олії. З ріпакової олії виготовляють біодизельне пальне.

175

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ІЗ ПІДТЕМИ «Спирти, кислоти, вищі карбонові кислоти, жири» СПИРТИ

Спирти — органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька гідроксильних груп і залишок відповідного вуглеводню.

Класифікують на:

одноатомні — містять одну функціональну групу –ОН

багатоатомні — містять дві, три й більше функціональних груп –ОН

Хімічні властивості Етанол горить блакитним полум’ям, гліцерол — ледь помітним блакитним. Реакції екзотермічні: С2Н5ОН + 3О2 → 2СО2 + 3Н2О; ∆Н < 0; 2С3Н8О3 + 7О2 → 6СО2 + 8Н2О; ∆Н < 0. Гліцерол розпізнають за якісною реакцією з купрум(ІІ) гідроксидом, внаслідок якої утворюється розчинний купрум(ІІ) гліцерат яскраво-синього кольору. Медицина Пальне Харчова промисловість

Розчинник

176

С2H5OH

Косметичні засоби Органічний синтез Консервант

Парфумерія

Узагальнення знань із підтеми «Спирти, кислоти ...»

КАРБОНОВІ КИСЛОТИ

Карбонові кислоти — органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька карбоксильних груп і залишки відповідних вуглеводнів.

Представники карбонових кислот

Етанова кислота (оцтова) СН3–СООН. Рідина з різким запахом, добре розчинна у воді, летка, розчин кислий на смак.

Вищі карбонові кислоти: насичені С15Н31–СООН (пальмітинова); С17Н35–СООН (стеаринова); ненасичені С17Н33–СООН (олеїнова). Тверді речовини беруть участь у реакціях утворення жирів.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ

Етанова кислота 1. У розчині дисоціює на йони: → СН СОО– + Н+. СН3СООН → 3

Змінює забарвлення індикаторів. 2. Взаємодія з металами: 2СН3СООН + Mg → → (СН3СОО)2Mg + H2↑. 3. Взаємодія з лугами: СН3СООН + NaOH → → СН3СООNa + H2O. 4. Взаємодія із солями: 2СН3СООН + Na2CO3 → → 2СН3СООNa + CO2↑+ H2O.

Вищі карбонові кислоти насичені 1. Взаємодія з лугами: С15Н31СООН + NaOH → → С15Н31СООNa + H2O. 2. Взаємодія із солями: 2С17Н35СООН + Na2CO3 → → 2С17Н35СООNa + CO2↑ + H2O. ненасичені 1. Взаємодія з лугами: С17Н33СООН + NaOH → → С17Н33СООNa + H2O. 2. Взаємодіють із воднем і перетворюються на насичені вищі карбонові кислоти.

177

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ЖИРИ

Жири — продукти взаємодії гліцеролу та вищих карбонових кислот.

Класифікація жирів

Тверді (сала) — тваринного походження.

Рідкі (олії) — рослинного походження.

Естери гліцеролу та вищих насичених карбонових кислот пальмітинової та стеаринової: С15Н31–СООН, С17Н35–СООН.

Естери гліцеролу й вищих ненасичених карбонових кислот: олеїнової, лінолевої та ліноленової: С17Н33–СООН, С17Н31–СООН, С17Н29–СООН.

ФІЗИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Маслянисті речовини, нерозчинні у воді, легші за неї. Мають низькі температури плавлення та низьку теплопровідність. Тваринні жири — тверді, зокрема вершкове масло, свинячий жир (сало, смалець), яловичий, баранячий, гусячий та інші жири. Виняток — риб’ячий жир, який є рідиною. Трапляються тверді жири рослинного походження: кокосове масло, масло какао. Рослинні жири — рідини з характерними запахами й різними смаковими якостями. Найпоширеніші — соняшникова, кукурудзяна й оливкова олії; менш поширені — лляна, конопляна, ріпакова, обліпихова, соєва, гарбузова, горіхова, кедрова, гірчична. Олії виготовляють із різних частин рослини: насіння, зародків, ядер горіхів, кісточок, м’якоті плодів тощо.

178

§ 32. Вуглеводи: глюкоза, сахароза

§ 32. Вуглеводи: глюкоза, сахароза Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• пояснювати склад вуглеводів: глюкози, сахарози й молекулярні фор мули цих сполук, утворення та поширення в природі, біологічну роль; • характеризувати склад глюкози й сахарози, фізичні властивості цих сполук; • складати молекулярні формули глюкози й сахарози; • спостерігати взаємодію глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом; • висловлювати судження про значення глюкози й сахарози для людини; • формувати основи здорового способу життя, ціннісне ставлення до речовин природного походження.

Загальна характеристика вуглеводів. Ви починаєте вивчати новий клас речовин — вуглеводи. Вони відіграють важливу роль у природі та житті людини. Вуглеводи (так само як і спирти, органічні кислоти й жири) належать до оксигеновмісних сполук. У перших відомих представників цих речо вин відношення кількості атомів Гідрогену й Оксигену в молекулах ста новило 2 : 1 (як і в молекулі води), а третім хімічним елементом є Карбон. Так виникла назва «вуглеводи», тобто їхні молекули містять вуглець (Карбон) і воду. Загальна формула вуглеводів: Сm(H2O)n. Формула й назва загальноприйняті дотепер, хоча хіміки й виявили представників цього класу речовин, які у своєму складі мають інше від ношення Гідрогену й Оксигену. Загальна назва вуглеводів — сахариди (цукри), очевидно, тому, що деякі їхні представники солодкі на смак. Глюкоза, склад молекули. Відомо, що вперше глюкозу виділили з винограду, тому в літературі її дотепер називають виноградним цукром. У природі глюкоза міститься в клітинному соку багатьох овочів і фруктів, у листках, стеблах і кореневищах рослин. Глюкозу, що наявна в меду та стиглих плодах фруктово-ягідних культур, використовують як харчовий продукт. Молекулярна формула глюкози С6Н12О6. Ураховуючи загальну фор мулу, її можна записати так: С6(Н2О)6. Розглянувши кулестержневу й масштабну моделі молекул глюкози (рис. 110, 111, с. 180), доходимо висновку, що вона може набирати як розгор нуту, так і циклічну форми. Крім того, спостерігається наявність п’яти гідро ксильних груп. Це свідчить про те, що глюкоза — багатоатомний спирт. Пригадайте, як експериментально довести, що речовина є багатоатомним спиртом.

Для підтвердження наявності гідроксильних груп виконаємо лабо раторний дослід 12. 179

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Рис. 110. Кулестержнева модель молекули глю кози (розгорнута форма)

Рис. 111. Масштабна модель молекули глюкози (циклічна форма)

Лабораторний дослід 12 Взаємодія глюкози з купрум(ІІ) гідроксидом

З а в д а н н я. Доведіть експериментально, що глюкоза виявляє влас тивості багатоатомних спиртів. Зробіть відповідні висновки. Обладнання та реактиви: пробірки, розчини глюкози, натрій гідро ксиду й купрум(ІІ) хлориду. Д о с л і д 1. Одержіть купрум(ІІ) гідроксид реакцією обміну. Опишіть ваші спостереження. Складіть рівняння реакцій. Д о с л і д 2. Долийте до купрум(ІІ) гідроксиду розчин глюкози, перемі шайте вміст пробірки. Що спостерігаєте? Запишіть резаультати спостережень у зошит. Зробіть відповідні висновки. У природних умовах глюкоза синтезується в зелених листках рослин на світлі з вуглекислого газу та води. У темний час доби відбувається інший, не менш важливий для рослини процес — дихання, або розщеплення. Тоді з органічної речовини утворюються вуглекислий газ і вода (рис. 112). За характером процес дихання протилежний фотосинтезу.

Рис. 112. Фотосинтез і дихання — два взаємопротилежні процеси

180

§ 32. Вуглеводи: глюкоза, сахароза

Отже, фотосинтез — це процес утворення органічної речовини, а дихання — її окиснення. Складемо рівняння реакції фотосинтезу: 6CO2 + 6H2O

світло

C6H12O6 + 6O2↑.

Складіть самостійно рівняння реакції повного окиснення глюкози.

Сахароза, її склад. Сахароза — це природний продукт, що синтезу ється з глюкози й складається із залишків молекул глюкози та фруктози. Молекулярна формула сахарози С12Н22О11, або С12(Н2О)11. Сахароза є дис ахаридом, вона добре відома вам як харчовий продукт. Фізичні властивості глюкози й сахарози. Фізичні властивості глюкози й сахарози дуже подібні. Обидві речовини — безбарвні, криста лічні, добре розчинні у воді, солодкі на смак (рис. 113). Сахароза — легкоплавка речовина, яка після охолодження розплаву застигає, утворюючи тверду масу — карамель. Природною сировиною сахарози в Україні є коренеплоди цукрового буряку. Його в значній Рис. 113. Сахароза кількості вирощують у Вінницькій та Львівській областях. Крім цукрового буряку, що містить 16–20 % сахарози, її одержують із цукрової тростини, яка іноді має вищий вміст сахарози. Масова частка її в складі тростини становить 14–26 %. У значно меншій кількості саха роза міститься в плодах і листках рослин. На рисунку 114 зображено модель молекули сахарози, де показано наявні в молекулі гідроксильні групи. Це вказує на те, що сахароза реа гує з купрум(ІІ) гідроксидом. Дійсно, внаслідок взаємодії сахарози та нерозчинного купрум(ІІ) гідроксиду утвориться розчинний купрум(ІІ) сахарат яскраво-синього кольору. За допомогою цієї реакції можна вияв ляти сахарозу, тобто вона є якісною реакцією не тільки для виявлення глюкози, а й сахарози.

Рис. 114. Кулестержнева модель молекули сахарози

181

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Біологічна роль глюкози та сахарози. Насамперед глюкоза є біологічно активною та необхідною для людського організму поживною речови ною. Потрапляючи в організм, вона всмоктується в кров, яка доставляє її до органів. У здоровому організмі за участю інсуліну та глікогену під тримується постійний рівень цієї речовини в крові. Надлишок глюкози відкладається як глікоген у печінці та м’язах або перетворюється на жир. Сахарозу використовують як харчовий продукт, смакову добавку до бага тьох страв, консервант, а також під час випікання кулінарних виробів тощо. В організмі сахароза розкладається на глюкозу та фруктозу. В організм людини сахароза потрапляє в рафінованому (очищеному) вигляді. Під час рафінування вона втрачає корисні біологічно активні речовини. Це впливає на порушення вуглеводневого обміну. Надмірне вживання сахарози призводить до ожиріння, зниження роботи мозку, серця та судин, порушується обмін речовин. Негативні наслідки спостерігаються й за нестачі глюкози в організмі. Він виснажується, знижується імунітет. Отже, глюкоза та сахароза — життєво необхідне джерело енергії в живих організмах. Застосування глюкози та сахарози. Ці речовини застосовують у процесі виробництва вин, кисломолочних продуктів (кефіру, сметани, ряжанки), квашеної капусти, огірків, маринування овочів і фруктів. Окрім того, з харчових продуктів виробляють етанол, про застосування якого вам уже відомо (див. рис. 99, с. 154). ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Вуглеводи — органічні речовини, склад молекул яких відображає загальна формула Сm(H2O)n. • Молекулярні формули глюкози та сахарози відповідно С6Н12О6 та С12Н22О11. • Фізичні властивості цих сполук подібні, оскільки подібні їх склад і будова: безбарвні, кристалічні, добре розчинні у воді, солодкі на смак. • Наявність гідроксильних груп у складі глюкози й сахарози визначають якісною реакцією для виявлення багатоатомних спиртів. Це взаємодія з купрум(ІІ) гідроксидом з утворенням розчинних купрум(ІІ) глюкозату й купрум(ІІ) сахарату яскраво-синього кольору. • Глюкоза та сахароза — вуглеводи, поширені в природі. Вони є цінними харчовими продуктами та біологічно активними речовинами, джерелом енергії. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть походження назви класу речовин «вуглеводи». 2. Укажіть загальну формулу вуглеводів. Б СnH2n + 2 В Сm (H2O)n А СnH2n – 2

Г СnH2n

3. Укажіть назву рослини, з плодів якої вперше виділили глюкозу. А вишня Б виноград В груша Г кавун

182

§ 32. Вуглеводи: глюкоза, сахароза 4. Укажіть назву речовини, за допомогою якої можна виявити глюкозу. А кальцій(ІІ) гідроксид Б купрум(ІІ) сульфат В купрум(ІІ) хлорид Г купрум(ІІ) гідроксид 5. Укажіть реагент для виявлення глюкози й сахарози. А ферменти Б купрум(ІІ) гідроксид В купрум(ІІ) хлорид Г натрій гідроксид 6. Запропонуйте спосіб виявлення глюкози у виноградному соку. Опишіть послідовність ваших дій і спрогнозуйте результат дослідження. Зробіть висновок. 7. Обчисліть відносну молекулярну масу глюкози й установіть, у скільки разів вона більша за відносну молекулярну масу етану. 8. Кінцевими продуктами повного окиснення глюкози є вуглекислий газ і вода. Обчисліть об’єм вуглекислого газу (н. у.) і масу води, що утворяться внаслідок повного окиснення глюкози масою 90 г. 9. Під час фотосинтезу зелені листки рослин увібрали карбон(ІV) оксид масою 528 кг. Обчисліть, який об’єм кисню (н. у.) виділився в атмосферу та яка маса глюкози утворилася. ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

1. Розчиніть у склянці води одну столову ложку цукру, покладіть у розчин щіпку дріжджів і поставте в тепле місце. Опишіть ваші спостереження. 2. Насипте в металеву посудину ложку сахарози й нагрівайте доти, поки сахароза повністю не розплавиться. Розплавлену масу вилийте (обережно!) в посудину з холодною водою. Зробіть висновок про температуру плавлення сахарози й отриманий продукт.

§ 33. Вуглеводи: крохмаль, целюлоза Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати хімічний склад вуглеводів: крохмалю та целюлози, молекулярні формули цих сполук як природних полімерів; • порівнювати склад молекул крохмалю та целюлози; • пояснювати утворення і поширення в природі крохмалю та целюлози; • характеризувати фізичні властивості крохмалю та целюлози; • спостерігати якісну реакцію на крохмаль; • висловлювати судження про значення вуглеводів для людини, їх біоло гічну роль; • формувати підприємницьку ініціативу й підприємливість.

Склад і будова молекули крохмалю. Крохмаль — вуглевод, що нале жить до природних полімерів. Він утворюється в зелених листках рос лин під час фотосинтезу й накопичується в насінні, кореневищах, буль бах, стеблах і листках. 183

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Пригадайте, які речовини називають полімерами. Що називають мономером і що таке ступінь полімеризації?

Крохмаль, так само як усі полімери, складається з мономерних ланок, що багато разів повторюються. Мономерами в макромолекулах крохмалю є залишки молекули глюкози складу –С6Н10О5–, тому склад молекули крохмалю відображає формула (–С6Н10О5–) n. Запишемо схему утворення полімеру: … –С6Н10О5– + –С6Н10О5– + –С6Н10О5– + –С6Н10О5– … → (–С6Н10О5–)n, або за допомогою молекулярної формули: n С6Н12О6 → (–С6Н10О5–)n + nH2O. Оберненою до цієї є реакція гідролізу, тобто утворення глюкози: (–С6Н10О5–)n + nH2O → nС6Н12О6. Трапляються макромолекули крохмалю лінійної та розгалуженої структури. Фізичні властивості крохмалю. Крохмаль — білий аморфний поро шок, хрусткий на дотик (якщо розтерти крохмаль пальцями, відчу вається характерне поскрипування), нерозчинний у холодній воді. Однак у гарячій воді утворюється крохмальний клейстер. Виконаємо лабораторний дослід 13. Лабораторний дослід 13 Відношення крохмалю до води

З а в д а н н я 1. Дослідіть розчинність крохмалю у воді. З а в д а н н я 2. Доведіть експериментально вплив температури на крохмаль. Обладнання та реактиви: хімічна склянка, крохмаль. Д о с л і д 1. Покладіть на дно хімічної склянки столову ложку крох малю. Долийте холодну воду й перемішайте вміст. Опишіть свої спосте реження. Зробіть висновок. Д о с л і д 2. У хімічну склянку з крохмалем, що не розчинився в холодній воді, долийте гарячу воду й перемішайте. Що спостеріга єте? Зробіть висновок. Запишіть результати спостережень у зошит. Зробіть відповідні висновки. Якісна реакція на крохмаль. Крохмаль легко визначити серед інших речовин за характерною для нього якісною реакцією. Виконаємо лабораторний дослід 14. 184

§ 33. Вуглеводи: крохмаль, целюлоза Лабораторний дослід 14 Взаємодія крохмалю з йодом

З а в д а н н я 1. Доведіть експериментально дію йоду на крохмаль. Зробіть відповідні висновки. З а в д а н н я 2. Дослідіть наявність крохмалю в харчових продуктах. Обладнання та реактиви: пробірки, крохмальний клейстер, спиртовий розчин йоду; харчові продукти — білий хліб, картопля, пшеничне й кукуру дзяне борошно. Д о с л і д 1. Налийте в пробірку крохмальний клейстер об’ємом 1 мл. Капніть спиртовий розчин йоду та перемішайте вміст. Опишіть ваші спостереження (рис. 115). Д о с л і д 2. Крапніть спиртовий розчин йоду краплинами на шматок білого хліба, зріз картоплі, пшеничне й кукурудзяне борошно (рис. 116). Запишіть результати спостережень у зошит. Зробіть висновки. Йод

Рис. 115. Якісна реакція для виявлення крохмалю

Рис. 116. Виявлення крох малю в харчових продуктах

Склад і будова молекули целюлози. Целюлоза — найпоширеніший серед вуглеводів природний полімер. Молекули целюлози містять залишки молекули глюкози складу –С6Н10О5–, тому склад молекули целюлози такий самий, як і в крохмалю: (–С6Н10О5–)n. Чим відрізняються молекули цих речовин? Учені з’ясували, що їхні структурні ланки по-різному сполучаються між собою. Відносна молеку лярна маса целюлози становить від кількох сотень до десятків сотень тисяч. Мономерні ланки розміщуються лінійно, утворюючи довгі волокна. Фізичні властивості целюлози. Целюлоза — тверда волокниста речо вина білого кольору. Доведено, що окремі молекули бавовни, конопель і льону мають лінійну структуру. Целюлоза не розчиняється у воді й органічних розчинниках, виявляє стійкість до нагрівання та високу механічну міцність. Поширення в природі. Цей природний полімер має іншу назву — клітковина, що вказує на безпосередню участь у побудові рослинних клітин. Для волокон рослин (рис. 117) і деревини характерний високий вміст целю лози. Її масова частка становить 50 % у деревині й 85–90 % у бавовняному волокні. Чимало целюлози міститься в соломі зернових культур. Застосування вуглеводів. Про використання глюкози й сахарози ви вже дізналися з § 32. Розглянемо застосування двох природних поліме рів — крохмалю та целюлози (рис. 118, 119). 185

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

б в Рис. 117. Сировина для виробництва волокон: льон (а), бавовник (б), коноплі (в)

Під дією ферментів, за знижених температур, крохмаль перетворю ється на глюкозу. Опишіть самостійно взаємодію крохмалю з водою з утворенням глюкози. Харчова добавка

Одержання глюкози

ЗАСТОСУВАННЯ КРОХМАЛЮ

Одержання декстринів

Одержання патоки

Підкрохмалення білизни

У медицині — мазі, присипки

Рис. 118. Схема застосування крохмалю

ЗАСТОСУВАННЯ ЦЕЛЮЛОЗИ Одержання естерів

Одержання спирту

Виробництво штучного шовку

Виробництво вибухових речовин

У складі будівельного матеріалу

Виробництво меблів

Виробництво паперу

Виробництво пластмас

Як паливо

Виробництво волокон

Виробництво медичного колодію

Як джерело органічних речовин

Рис. 119. Сфери застосування целюлози

186

§ 33. Вуглеводи: крохмаль, целюлоза

Як бачимо, крохмаль застосовують у побуті та промисловості, а целюлозу використовують значно частіше. Біологічна роль вуглеводів. Вуглеводи належать до речовин, що необхідні кожній людині. Про це свідчать галузі їх застосування. Значну кількість вуглеводів використовують як компонент їжі, переважно рослинної. Потрапляючи в організм людини та тварин, вони виконують дуже важливі функції. Насамперед вони є основним джерелом енергії в організмі людини та тварин. Під час повного розкладу 1 г вуглеводу виділяється 17,6 кДж енергії. Саме в цьому полягає енергетична функція вуглеводів. За надмір ної кількості вуглеводи перетворюються на глікоген — полісахарид, що від кладається в печінці й м’язах і є додатковим джерелом енергії та регулято ром рівня цукру в крові. Вуглеводи містяться в рослинних клітинних оболонках, підтриму ючи їхню стійкість, міцність і відповідну форму. У людини та тварин вони містяться в кістках. Деякі вуглеводи беруть участь у синтезі нуклеїнових кислот: дезоксинуклеїнової (ДНК) і рибонуклеїнової (РНК). Цим пояснюється їхня будівельна функція. Захисна функція вуглеводів полягає в підтримуванні імунітету. Полісахариди містяться в смозі, що вкриває поверхню стравоходу, дихальних шляхів, захищаючи їх від проникнення хвороботворних бактерій, вірусів і механічних пошкоджень. Окрім того, вони мають здатність регулювати процес окиснення жирів, тобто виконують регулятивну функцію. Отже, ознайомившись із найпоширенішими представниками вугле водів, можемо класифікувати їх за складом і будовою (рис. 120). ВУГЛЕВОДИ

МОНОСАХАРИДИ С6Н12О6

ДИСАХАРИДИ ПОЛІСАХАРИДИ

С12Н22О11

(–С6Н10О5–)n Рис. 120. Схема класифікації вуглеводів ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Крохмаль і целюлоза — природні полімери, склад яких відображає формула (–С6H10O5–)n. У будові вони різняться сполученням і кількістю мономерних ланок у макромолекулі. • Відносні молекулярні маси високі, оскільки мономерні ланки повторюються від кількох сотень до кількох тисяч разів, а в целюлозі — до десятків тисяч. • Фізичні властивості: крохмаль — білий аморфний порошок, хрусткий на дотик, нерозчинний у холодній воді, у гарячій воді утворює крохмальний клейстер; целюлоза — тверда волокниста речовина білого кольору, не розчиняється у воді й органічних розчинниках, стійка до нагрівання, має високу механічну міцність.

187

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

• Якісною реакцією для виявлення крохмалю є взаємодія з йодом, унаслідок якої утворюється речовина синього кольору. • Крохмаль і целюлоза — вуглеводи, поширені в природі, є біологічно активними речовинами, джерелами енергії, структурними компонентами клітин. Вони відіграють захисну, регулятивну й інші функції. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть основних представників класу сполук «вуглеводи». 2. Порівняйте склад і будову молекул крохмалю та глюкози. 3. Здійсніть перетворення, що подані схемою: С2Н6 → СО2 → С6Н12О6 → (–С6Н10О5–)n. 4. Обчисліть масову частку Карбону в структурній ланці крохмалю. 5. Глюкозу кількістю речовини 6 моль повністю окиснили. Обчисліть об’єм карбон(ІV) оксиду (н. у.) і масу води, що утворилися. 6. Здійсніть перетворення, що відповідають схемі: С6Н12О6 → СО2 → СаСО3 → СаО → Са(ОН)2. 7. Макромолекула крохмалю складається з 450 залишків молекули глюкози. Обчисліть масу полімеру та води, що утворяться внаслідок синтезу її з глюкози. ДОМАШНІЙ ЕКСПЕРИМЕНТ

Виявлення крохмалю в харчових продуктах • Випробуйте харчові продукти на наявність крохмалю: а) борошно й білий хліб; б) рис і рисову кашу; в) сир і зварену картоплю; г) яблуко та грушу. Зробіть висновок зі спостережень. • Дослідіть за позначеннями на етикетках напої «Кока-кола» і «Спрайт» та чіпси й сухарі, користуючись Е-числами. Цікаво знати

• Батьківщина цукру — Індія, де він відомий уже впродовж 2300 років. Місцеві жителі назвали його «сак-кара». • Перша згадка в історичних документах про наявність на Русі-Україні кристалічного цукру, привезеного «із заморськими товарами», зафіксована 1273 р. Проте для населення він ще тривалий час був недоступним продуктом. І тільки в XVII ст. цукор почав надходити в значній кількості через порти Чорного та Балтійського морів. • Так званий «ячмінний цукор» готують зовсім не з ячменю, а зі звичайного цукру внаслідок його карамелізації. Назву ймовірно можна пояснити тим, що для його приготування колись могли використовувати ячмінний відвар. • Листя парагвайського чагарнику стевія більш як у 300 разів солодше за цукор, а листя мексиканської цукрової трави — у 1000 разів. Червоні ягоди трав’янистої рослини тоуматокус данелій з африканської савани солодші у 2000 разів, а червоні ягоди діоскорефілюм кумінісіі з лісів Нігерії та інших західноафриканських країн — у 3000 разів. У Західній Африці росте й найсолодша рослина — чагарник кетемф, яка містить речовину тоуматін, що перевершує за солодкістю цукор у 100 000 разів. НавчальнИЙ проЄкт

І. Виконайте навчальний проєкт із теми «Друге життя паперу». ІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

188

§ 34. Поняття про амінокислоти. Білки як біологічні полімери

§ 34. поняття про амінокислоти. білки як біологічні полімери Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати нітрогеновмісні органічні сполуки: амінокислоти, білки як біо логічні полімери; • характеризувати деякі властивості амінокислот і білків, їх біологічні функції; • висловлювати судження про значення амінокислот і білків у різних галузях промисловості, побуті, харчуванні, у сфері охорони здоров’я.

Амінокислоти, їх склад. Амінокислоти — це органічні речовини, які можна назвати «цеглинками» білків. Вони поширені в природі, оскільки містяться в складі рослинних і тваринних організмів та організму людини. Розглянемо склад молекул амінокислот. Ви вивчили склад і будову молекули етанової кислоти (див. § 29). Як органічна кислота, вона містить у складі молекули властиву всім кислотам карбоксильну групу –СООН, яка сполучена з групою атомів –СН3, що має назву замісник метил. Якщо в складі вуглеводневого замісника молекули етанової кислоти СН3–СООН один атом Гідрогену замістити на аміногрупу –NH2, Рис. 121. Масштабна то утворюється амінокислота. Наприклад, модель молекули H2N–CH2–COOH — аміноетанова кислота. аміноетанової кислоти Назва її походить від назви етанової кислоти з додаванням слова аміно. Ця кислота найпростіша й містить по одній амінній та карбоксильній групі (рис. 121). Якщо в складі вуглеводневого замісника молекули пропанової кис лоти Н3С–СН2–СООН атом Гідрогену замістити на амінну групу, то отримаємо амінопропанову кислоту складу H2N–CH2–CH2–COOH і т. д. Однак аміногрупа може розміщуватися не тільки на краю молекули, а й біля іншого атома Карбону. Наприклад, біля атома Карбону, що без посередньо з’єднаний із карбоксильною групою. Тоді склад молекули відображатиме формула: H3C–CH–COOH NH2

189

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

Ця амінокислота має назву 2-амінопропанова, або α-амінопропанова. Саме такі амінокислоти беруть участь в утворенні білків. Результати досліджень молекул амінокислот показали, що їх молекули можуть містити не тільки одну аміногрупу, як у складі найпростіших з них, а й більше. Є амінокислоти, молекули яких містять дві карбоксильні або дві аміногрупи. Карбоксильні й аміногрупи виявляють різні хімічні властивості: перша — кислотні, друга — основні. В амінокислотах наявні й інші групи, зокрема гідроксильна –ОН, сульфідна –SH. Усі вони беруть участь в утворенні зв’язків. Саме завдяки цій унікальній властивості амінокислот структура білкової молекули дуже складна. Фізичні властивості. Амінокислоти — кристалічні безбарвні речо вини. Більшість із них добре розчинні у воді, мають високі температури плавлення. Серед великого розмаїття кислот у природі у складі білків, що містяться в організмі людини, є 20 α-амінокислот. Про те, що основним структурним компонентом білків є амінокислоти, уперше заявив І. Горбачевський, виділивши їх у чистому вигляді. Іван Горбачевський (1854–1942) — український учений, хімік і біохімік, доктор медицини, уродженець Тернопільщини. Працював у Празі професором кафедри лікарської хімії Карлового університету, пізніше — ректором Українського вільного університету. Уперше синтезував сечову кислоту з гліцину (аміноетанової кислоти) і вивчив утворення її в організмі. Виділив амінокислоти з білкових молекул тварин. Висловив думку про те, що білок складається з амінокислот. Один із фундаторів української хімічної термінології, автор багатьох праць, підручників із неорганічної й органічної хімії українською мовою.

У 1902 р. Е. Г. Фішер сформулював пептидну гіпотезу про наявність у складі білків залишків молекул амінокислот. Еміль Герман Фішер (1852–1919) — німецький хімік, член Берлінської академії наук, лауреат Нобелівської премії з хімії (1902). Професор хімії Мюнхенського, Ерлангенського, Вюрцбурзького університетів. У 1892 р. пере йшов до Берлінського університету й працював там до кінця життя. Написав наукові праці, присвячені синтезу органічних сполук. Синтезував глюкозу та фруктозу, уперше одержав дипептид і підтвердив власну гіпотезу про наявність у складі білків залишків молекул амінокислот. Учений створив велику наукову школу. Його учнями були О. Дільс, А. Віндаус, Ф. Прегль, О. Варбург.

190

§ 34. Поняття про амінокислоти. Білки як біологічні полімери

Білки як біологічні полімери. Білки — це природні високомолекулярні речовини (біополімери). Як клас речовин їх виокремили завдяки дослі дженням насамперед французького хіміка А. де Фуркруа, якого вважають основоположником дослідження білків, а також інших учених XVIII ст. Антуан Франсуа де Фуркруа (1755–1809) — французький хімік і громадський діяч, педагог. Член Паризької академії наук (1785). Разом з А. Лавуазьє брав участь у розробленні нової раціональної хімічної номенклатури. Він уперше виявив властивість білків коагулювати за нагрівання або під дією кислот.

Білкам належить провідна роль з-поміж усіх високомолекулярних органічних сполук, що містяться в клітинах усіх організмів. Вони пере важають кількісно порівняно з вуглеводами та жирами. Молекули білків містять не тільки атоми Карбону, Гідрогену й Оксигену, а й Нітрогену, Сульфуру, Фосфору та ін. Вагомий внесок у визначення структури білків зробив американський хімік Л. К. Полінґ. Мономерами у складі полімерних молекул білків є залишки α-амінокислот. Величезна різноманітність білкових молекул зумовлена різними комбінаціями залишків α-амінокислот, подібно до того як із 32 літер алфавіту створюється безліч слів. Кожний білок має постійний склад амінокислотних залишків, які розміщуються в певній, властивій тільки йому, послідовності. Лайнус Карл Полінґ (1901–1994) — один із найвидатніших американських і світових учених ХХ ст., хімік і фізик, основоположник молекулярної біології. Працював у Каліфорнійському технологічному інституті. За дослідження природи хімічних зв’язків у 1954 р. нагороджений Нобелівською премією. Працюючи над виявленням структури білкових молекул, учений дійшов висновку, що цим речовинам властиві ще й інші типи хімічного зв’язку, окрім відомих на той час. Користуючись математичними розрахунками, він розробив спіральну модель будови білка, наблизивши науку до розшифрування структури ДНК. У 1962 р. Л. К. Полінг отримав другу Нобелівську премію за боротьбу проти використання ядерної зброї. Наприкінці 1960-х років почав досліджувати вплив вітамінів, зокрема вітаміну С, на організм людини, висунув ідею про можливість лікування ними ракових захворювань. Праці Л. К. Полінга були багатопланові й стосувалися не тільки органічної та неорганічної хімії, а й імунології, анастезіології, психології.

Отже, який склад білкової молекули? Оскільки карбоксильна й амі ногрупи α-амінокислот мають різну хімічну природу, вони можуть вза 191

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ємодіяти одна з одною. Зокрема, амінна група однієї кислоти взаємодіє з карбоксильною групою іншої. Між ними утворюється пептидний зв’язок: O

—C—N—

Речовини, що містять пептидний зв’язок, називають пептидами. Унаслідок взаємодії молекул амінокислот утворюються дипептиди, трипептиди, поліпептиди. Побічним продуктом реакції є вода. Наприклад: H—N—C—O—H + H—N—C—O—H → H—N—C—N—C—O—H + H2O. H O

H O

H O H O дипептид

Рис. 122. Осадження білка етановою кислотою

Властивості білків. Деякі властивості білків легко виявити за допомогою білка курячого яйця, який добре розчиняється у воді в будь-яких відношеннях. Унаслідок розчинення утворюється колоїдний розчин. Якщо до розчину білка долити концентрований розчин солі, то він осаджується у вигляді осаду. Наприклад, казеїн молока осаджують кальцій хлори дом. Так само можна осадити білок із молока етановою кислотою (рис. 122). Казеїновий осад, який утворюється з молока, є не що інше, як харчовий продукт — сир. Під час нагрівання білок зсідається й повернути його до попереднього стану неможливо. Тоді говорять про денатурацію білка, тобто його руйнування, втрату ним своєї структури.

Поясніть, що відбувається з білком курячого яйця під час смаження або варіння.

Біологічна функція амінокислот і білків. Амінокислоти — важливі для живих організмів сполуки, без яких неможливий обмін речовин. Найважливішою їх функцією є участь у синтезі білків, підтримуванні рівня рН в організмі. Біологічні функції амінокислот тісно пов’язані з функціями білків. Білки — органічні речовини, без яких не існує життя. Їхні важливі біо логічні функції зумовлені складом і будовою. Білки містяться у всіх рослинних і тваринних організмах й організмі людини. З молекул білків побудовані клітинні мембрани, вони містяться в м’язовій, сполучній та нервовій тканинах, є в нігтях і волоссі, тобто виконують будівельну функцію. Білки виконують і запасну функцію. Потрапляючи в організм людини чи тварини, вони розщеплюються до амінокислот, з яких синтезуються 192

§ 34. Поняття про амінокислоти. Білки як біологічні полімери

білки, властиві саме цьому організму. Тому важливо поповнювати орга нізм продуктами, що містять білки. Такими продуктами є молоко, сир, м’ясо, яйця, риба, горіхи, плоди бобових рослин тощо (рис. 123).

Рис. 123. Харчові продукти, що містять білки

Поживні речовини, що надходять в організм з їжею, транспорту ються до різних органів. І в цьому процесі теж беруть участь білки. Наприклад, гемоглобін крові переносить кисень до клітин організму. За наявності кисню відбувається окиснення речовин і вивільнення енергії. У м’язовій тканині таку роль відіграє міоглобін. Отже, білки виконують транспортну функцію. Перетравлювання харчових продуктів в організмі здійснюється за допомогою біологічних каталізаторів — ферментів, які пришвидшують процес окиснення, сприяючи обміну речовин. У цьому виявляється каталітична дія білків. Окрім каталітичної дії, на обмін речовин вплива ють білки-гормони. Гормони регулюють кров’яний тиск, вміст цукру в крові, вміст йоду й глікогену, впливають на ріст, перетворення вугле водів на жири. Одночасно із синтезом білкових молекул в організмі відбувається їх розпад, що врешті спричиняє утворення вуглекислого газу та води. Внаслідок розпаду вивільняється енергія, потрібна для життєдіяльності організму. У цьому полягає енергетична функція білків. Білки, як джерело енергії та амінокислот, використовують для від годівлі сільськогосподарських тварин. Такі білки добувають мікробіо логічним синтезом із відходів вуглеводів, продуктів переробки нафти й газу. Біологічна цінність харчового білка значною мірою залежить від сту пеня його засвоєння, а саме відповідності амінокислотного складу білка, що надходить з їжею, амінокислотному складу білків організму. Білків тваринного походження для цього не вистачає. Тому для забезпечення біосинтезу властивих організму людини білків людині потрібні не тільки тваринні, а й рослинні білки. Найбільший вміст білків у зернів ках злакових і плодах бобових культур. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Амінокислоти — органічні сполуки, молекули яких містять у своєму складі різні за характером групи: карбоксильну, властиву кислотам, й аміногрупу,

193

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

• • •

•

притаманну органічним основам. У деяких амінокислот наявні гідроксильні –ОН і сульфідні –SH групи, які теж беруть участь у створенні структури молекули білка. Амінокислоти виконують важливі для організму функції, зокрема беруть участь в обміні речовин, синтезі білків, регулюють та підримують рН рівень в організмі. Білки — природні полімери, що мають складну будову молекул. Мономерами в складі полімерних молекул є залишки α-амінокислот. У білкових молекулах містяться залишки 20 α-амінокислот. Від послідовності сполучення цих залишків залежать структура й біологічні функції білків. Кожний білок має постійний склад амінокислотних залишків, які розміщуються в певній, властивій тільки йому, послідовності. Білки виконують важливі функції в організмі, зокрема будівельну, захисну, транспортну, каталітичну, енергетичну. Вони є життєво необхідними речовинами для живих організмів.

ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть склад молекул білків. 2. Охарактеризуйте взаємозв’язок між складом і деякими властивостями амінокислот і білків, їхніми біологічними функціями. 3. Обґрунтуйте біологічну роль білків в організмі людини. 4. Поясніть, чому під час нагрівання білок зсідається. Який, на вашу думку, відбувається процес? 5. Якщо на розчин білка курячого яйця подіяти концентрованою нітратною кислотою та нагріти, розчин набуває жовто-оранжевого забарвлення. Поясніть, які зміни з білковими молекулами відбулися під дією кислоти й під час нагрівання. 6. Дипептид складається з двох залишків молекул аміноетанової кислоти. Обчисліть масову частку Нітрогену в дипептиді. 7. Обчисліть приблизну відносну молекулярну масу білка, у якому масова частка Сульфуру становить 0,32 %, беручи до уваги, що в складі макромолекули — два атоми Сульфуру. Цікаво знати

• Класифікація білків за їхніми функціями неповна, оскільки нові дослідження надали чимало фактів, які дають змогу виокремити групи білків з новими функціями. Серед них — унікальні речовини нейропептиди, що відповідають за найважливіші життєві процеси — сон, пам’ять, біль, почуття страху, тривоги. • Відкриття та дослідження структури інсуліну пов’язане з отриманням аж трьох Нобелівських премій. Першу премію отримали в 1923 р. шотландський лікар і фізіолог Дж. Маклеод і канадський фізіолог Ф. Бантинг за відкриття інсуліну. Другу премію в 1958 р. отримав британський біолог Ф. Сенгер за встановлення первинної структури інсуліну. Його роботи були взяті за основу для синтезу інсуліну й інших гормонів. За розробку рентгеноструктурного аналізу білків і визначення просторової (третинної) структури інсуліну британська дослідниця-біохімік Д. К. Годжкін у 1964 р. теж була удостоєна Нобелівської премії.

194

§ 34. Поняття про амінокислоти. Білки як біологічні полімери Практична робота 5 Виявлення органічних сполук у харчових продуктах Виконавши цю практичну роботу, ви зможете:

• закріпити вміння й набути навички самостійно виконувати досліди, що характеризують реакції, за участю яких можна виявити органічні речовини в харчових продуктах; • спостерігати ознаки хімічних реакцій під час виконання експериментів; • набути практичні вміння роботи з речовинами й лабораторним обладнанням; • робити висновки про наявність органічних сполук у харчових продуктах.

Повторіть правила безпеки під час роботи з речовинами та лабораторним посудом і приладдям та суворо дотримуйтеся їх. Мета роботи: закріпити вміння виявляти органічні сполуки в харчо вих продуктах, самостійно виконати запропоновані завдання, сформулю вати висновки. І варіант 1. Перевірте на наявність кислоти яблучний сік і кефір. Поясніть результати досліду. 2. Доведіть, що у виноградному соку міститься глюкоза. Поясніть порядок дій під час експерименту та зробіть висновки. 3. Перевірте на вміст крохмалю білий хліб, майонез, картоплю. Поясніть порядок дій під час експерименту та зробіть висновки. 4. Доведіть, що в солодкому молоці міститься білок. ІІ варіант 1. Перевірте на наявність кислоти щавлевий сік і кисле молоко. Поясніть результати досліду. 2. Перевірте на вміст крохмалю пшеничне борошно, томатний соус і грушу. Поясніть порядок дій під час експерименту та зробіть висновки. 3. Перевірте на вміст глюкози мед і яблучний сік. Поясніть порядок дій під час експерименту та зробіть висновки. 4. Дослідіть природним індикатором сік лимона. Опишіть послідов ність ваших дій, зробіть висновки. НавчальнІ проЄктИ

І. Оберіть самостійно або з допомогою вчителя (учительки) тему навчального проєкту із запропонованого нижче переліку. 1. Екотрофологія — наука про екологічно безпечне харчування. 2. Дослідження хімічного складу їжі. 3. Хімічний склад жувальних гумок. 4. Хімічний склад засобів догляду за ротовою порожниною. 5. Джерела органічного забруднення території громади (мікрорайону). ІІ. Оберіть форму виконання проєкту відповідно до теми. ІІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

195

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

§ 35. Природні й синтетичні органічні сполуки Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• • • • •

визначати природні й синтетичні органічні сполуки; розрізняти природні й синтетичні органічні речовини; характеризувати природні й синтетичні сполуки; наводити приклади природних і синтетичних речовин; висловлювати судження про роль синтетичних сполук у житті людини, екологічні аспекти виробництва органічного синтезу й захист довкілля від стійких органічних забруднювачів.

Природні й синтетичні органічні сполуки. Органічні сполуки класифіку ють за джерелами їх одержання. Ви вже вивчили природні джерела вуглеводів, жирів і білків. Ці речовини трапляються в природі в гото вому вигляді або як продукт перероблення природних ресурсів. Природні органічні речовини відіграють важливу роль, оскільки за їх участю від буваються життєво необхідні реакції в живих організмах. Окрім того, вони є джерелом сировини для хімії органічного синтезу. Класифікацію природних органічних речовин показано на рисунку 124. Торф, кам’яне вугілля

Амінокислоти, білки

Нафта, газ

ПРИРОДНІ ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ

Горючі сланці

Жири (рослинні, тваринні)

Вуглеводи: моносахариди (глюкоза); дисахариди (сахароза); полісахариди (крохмаль, целюлоза) Рис. 124. Схема класифікації природних органічних речовин

Однак природні резерви органічних речовин вичерпуються внаслідок господарської діяльності людини. У зв’язку з цим науковці, вивчаючи склад і будову природних органічних речовин, розпочали пошук способів виготовлення їх замінників — синтетичних органічних речовин. Нині це окрема галузь хімічної промисловості, що виробляє такі речовини, яких немає в природі, але без яких важко уявити життя і добробут людини. До них належать (рис. 125): пластмаси, синтетичні каучуки й волокна; будівельні матеріали та суміші; лаки, фарби, мастила, барвники, фармацев тичні препарати й медичне обладнання; косметичні, гігієнічні та мийні засоби; гума, вибухові речовини, засоби боротьби зі шкідниками сільськогос подарських рослин і домашніх тварин, корм для тварин, маргарин, білкова ікра, пальне тощо. 196

§ 35. Природні й синтетичні органічні сполуки Косметичні, гігієнічні, мийні засоби

Засоби боротьби зі шкідниками рослин і тварин Виготовлення харчових продуктів

Пластмаси, синтетичні каучуки та волокна

Будівельні матеріали й суміші

СИНТЕТИЧНІ ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ

Фармацевтичні препарати (ліки), обладнання

Виробництво мастил, пального

Виробництво лаків і фарб

Рис. 125. Схема класифікації синтетичних органічних речовин

Захист довкілля від стійких органічних забруднювачів. Ви вже дізналися, чим корисні продукти органічного синтезу. Однак хімічні виробництва завдають неабиякої шкоди довкіллю. Результатом забруднення є нако пичення в атмосфері, воді та ґрунті шкідливих речовин, які негативно впливають на організм людини, рослинні й тваринні організми. Що розуміють під поняттям «стійкі органічні забруднювачі»? Стокгольмською конвенцією про стійкі органічні забруднювачі (2001) визначено, що це ті органічні речовини, які «мають токсичні властивості, виявляють стійкість до розкладання, характеризуються біоакумуляцією і є об’єктом транскордонного перенесення, а також осі дають на великій відстані від джерела їх викиду, накопичуючись в еко системах суші та водних екосистемах». До них належать поліхлоровані діоксини й дибензофурани, гексахлоробензен, засоби боротьби з перенос никами хвороб (порошок ДДТ), пестициди тощо. Найнебезпечнішими є токсичні речовини та стійкі органічні хлоровмісні сполуки, що утворюються внаслідок антропогенної діяльності, зокрема роботи транспорту, підприємств енергетики, хімічних вироб ництв. Стійкі органічні забруднювачі довго збері гаються, не розкладаються й не розчиняються; на них не діють речовини, якими нейтралізу ють інші забруднювачі, а також природні від новні процеси. Потрапляючи в довкілля, вони порушують природні процеси колообігу речо вин та енергії. Наприклад, сучасна промисло вість широко використовує фреони, зокрема аерозольні розбризкувачі в балончиках із фар бою, лаком, парфумами (рис. 126). Вони Рис. 126. Фреони руйнують атмосферу планети можуть зберігатися в атмосфері до 80 років. Їх 197

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

молекули розпадаються під дією УФ-опромінення, вивільняючи атомар ний Хлор. Один атом Хлору може розкласти 10 000 молекул озону, руйну ючи озоновий шар планети. Разом з аерозолями дрібні частинки пилу спричиняють непрозорість атмосфери. Це може стати причиною зниження температури земної поверхні. Стійкі органічні забруднювачі здатні швидко поширюватися плане тою. Вони акумулюються в рослинних і тваринних організмах і через ланцюг живлення потрапляють в організм людини, спричиняючи тяжкі захворювання. Які заходи застосовують, щоб зменшити вміст стійких органічних забруднювачів? Насамперед це загальні: обмеження викидів хлоровміс них сполук промисловими підприємствами; упровадження найкращих видів природоохоронної діяльності та регулювання ними; раціональне господарювання у сфері профілактичних заходів. Окрім того, для очищення навколишнього середовища застосовують механічні, хімічні та біологічні методи. За допомогою механічних мето дів виокремлюють грубі домішки стійких забруднювачів, використову ючи для цього відстійники, сита і фільтри. Після механічного здійсню ють хімічне очищення. Його суть полягає в тому, що до забруднювачів додають речовини, які знешкоджують їх. У біологічному очищенні стіч них вод і ґрунтів беруть участь аеробні бактерії, які розкладають речо вини-забруднювачі на вуглекислий газ і воду. Для захисту довкілля від стійких органічних забруднювачів реко мендують такі заходи, як рециркуляція та утилізація; пряме, повторне чи альтернативне їх використання; заміну сировинних матеріалів, що є стійкими органічними забруднювачами, на безпечніші; максимальне зменшення цих речовин у харчових продуктах; уникнення викорис тання елементного хлору або хімічних речовин, що утворюють елемент ний хлор тощо. А найважливішим є те, щоб людина усвідомила свою роль у боротьбі за збереження середовища, у якому вона живе. Молоде покоління має виховувати в собі екологічний спосіб мислення. Зокрема, необхідно сві домо обмежувати потрапляння стійких органічних забруднювачів у довкілля, контролюючи дотримання норм їхнього вмісту в повітрі, воді, ґрунті. Людство має усвідомити, що забруднювачі призводять до змен шення, а іноді навіть до зникнення цілих екологічних систем, згубно впливають на здоров’я людини. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• За походженням органічні речовини поділяють на природні й синтетичні. • До природних органічних речовин належать вуглеводи, жири та білки, тобто ті, що утворюються в природі. • Синтетичні органічні речовини є продуктами хімічної промисловості. Їх одержують у лабораторії або на виробництві.

198

§ 35. Природні й синтетичні органічні сполуки • Синтетичні органічні речовини застосовують у значно більшій кількості сфер. • Серед органічних речовин є чимало стійких забруднювачів довкілля, зокрема повітря, водойм і ґрунтів. Їх знешкоджують механічними, хімічними та біологічними методами. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть, як класифікують органічні речовини за їх походженням. 2. Наведіть приклади: а) органічних речовин природного походження; б) синтетичних органічних речовин. 3. Обґрунтуйте застосування: а) органічних речовин природного походження; б) синтетичних органічних речовин. 4. Назвіть речовини, що належать до стійких органічних забруднювачів: а) повітря; б) водойм; в) ґрунтів. 5. Обґрунтуйте, чому аерозолі належать до стійких органічних забруднювачів. 6. Перемалюйте кросворд у зошит і розв’яжіть його. У виділеному рядку отримаєте назву класу органічних речовин. 2 1

8 3

7 4 5 6

1. Одна з функцій вуглеводів. 2. Руйнування білка за підвищення температури. 3. Одна з функцій білка. 4. Високомолекулярні речовини, без яких неможливе життя. 5. Тверда волокниста речовина. 6. Продукт горіння органічних речовин. 7. Представник моносахаридів. 8. Зв’язок між залишками амінокислот. 9. Інша назва вуглеводів.

199

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ІЗ ПІДТЕМИ «ВУГЛЕВОДИ» В У ГЛ Е В О Д И

Моносахариди

Дисахариди

Полісахариди

Глюкоза С6Н12О6

Сахароза С12Н22О11

Крохмаль, целюлоза (–С6Н10О5–)n

Фізичні властивості: прозорі безбарвні кристали, солодкі на смак, добре розчиняються у воді; сахароза плавиться, утворюючи під час застигання карамель.

Структура крохмалю: полімер, макромолекули якого мають лінійну та розгалужену будови. Структура целюлози: макромолекули лінійної будови.

Хімічні властивості: 1. Реакція повного окиснення: С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О; С12Н22О11 + 12О2 → 12СО2 + 11Н2О.

Фізичні властивості крохмалю: білий аморфний порошок, хрусткий на дотик, нерозчинний у воді. У гарячій воді утворює клейстер.

2. Якісна реакція з купрум(ІІ) гідроксидом: утворюється розчинна речовина яскраво-синього кольору.

Енергетична

Хімічні властивості: реакція утворення полімеру: nС6Н12О6 → (–С6Н10О5–)n nH2O;

Будівельна

обернена реакція з утворенням глюкози:

Біологічна роль вуглеводів:

Регуляторна Захисна

200

Фізичні властивості целюлози: тверда волокниста речовина бі лого кольору, нерозчинна у воді й органічних розчинниках, має високу механічну стійкість.

(–С6Н10О5–)n+ nH2O→ 6Н12О6. Якісна реакція для виявлення крохмалю: темно-синє забарвлення внаслідок дії йоду.

Узагальнення знань із підтеми «Вуглеводи»

УЗАГАЛЬНЕННЯ ЗНАНЬ ІЗ ТЕМИ «Нітрогеновмісні органічні речовини» АМІНОКИСЛОТИ

Амінокислоти — органічні сполуки, молекули яких одночасно містять аміногрупу –NH2 й карбоксильну групу –COOH.

Карбоксильна група — носій кислотних властивостей.

Аміногрупа — носій основних властивостей.

Найважливіша особливість — взаємодія між собою молекул амінокислот завдяки реакції між двома функціональними групами: карбоксильної групи однієї молекули й аміногрупи іншої.

БІЛКИ

Білки — природні полімери складної структури, мономерними ланками яких є залишки ɑ-амінокислот. Зв’язок між молекулами, що виникає між карбоксильною та амінною групами, називають пептидним.

БІОЛОГІЧНІ ФУНКЦІЇ БІЛКІВ

Будівельна

Запасна

Енергетична

Транспортна

Каталітична

201

Тема. 3. Початкові поняття про органічні сполуки

ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ ЯК ДЖЕРЕЛО ЇЖІ

Їжа — потужне джерело енергії для організму, що містить органічні речовини: вуглеводи, жири, білки, вітаміни.

Вуглеводи

Глюкоза, сахароза і крохмаль — під час окиснення киснем повітря в організмі вивільняється енергія, що використовується для роботи м’язів, кори головного мозку, біосинтезу інших речовин.

Жири

Тверді та рідкі жири — енергетичні сполуки. Мають здатність розчиняти вітаміни. Внаслідок окиснення 1 г жиру вивільняється енергія (9,3 ккал), що забезпечує роботу м’язів, підтримує постійну температуру тіла тощо.

Білки

Надзвичайно важливі для життя природні полімери, які є не тільки джерелом енергії, а й каталізаторами, будівельним матеріалом клітин, сировиною для синтезу інших білків.

Вітаміни

Вітаміни — біологічно активні речовини. Найвідоміший вітамін С. З їжею в організм потрапляють також вітаміни А, групи В, зокрема В1 і В2, D, Е.

202

Тема 4 § 36. БАГАТОМАНІТНІСТЬ РЕЧОВИН І ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ. ВЗАЄМОЗВ’ЯЗКИ МІЖ РЕЧОВИНАМИ ТА ЇХ ВЗАЄМОПЕРЕТВОРЕННЯ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• повторити будову неорганічних та органічних речовин і реакцій, що відбуваються між ними; • наводити приклади взаємозв’язків між речовинами, застосування хімічних сполук у різних галузях і в повсякденному житті; • узагальнювати знання про будову та взаємоперетворення речовин, взаємозв’язки між ними.

Будова речовин. Вивчаючи хімію, ви ознайомилися з багатьма неорганіч ними й органічними речовинами, що мають різний склад і будову, а отже, і різні властивості. Будова речовин залежить від того чи іншого виду хіміч ного зв’язку. Зважаючи на це, їх поділяють на речовини молекулярної та немолекулярної будови. Логічно, що назви цих груп речовин пов’язані з назвами їхніх структурних частинок: молекул й атомів чи йонів (рис. 127). Речовини

Молекулярної будови

Неорганічні

Прості й складні речо вини, утворені неметалічними елементами; кислоти

Органічні

Вуглеводні: спирти, карбо нові кислоти, жири, вугле води, білки

Немолекулярної будови

Неорганічні, деякі органічні

Оксиди, основи, солі, метали, солі вищих кар бонових кислот

Рис. 127. Схема класифікації речовин за їх будовою

203

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

До молекулярних належить значна кількість неорганічних та органіч них речовин. Зокрема, з неорганічних — неметали Н2, О2, Cl2, леткі спо луки неметалічних елементів із Гідрогеном НCl, HBr, HI, CH4, NH3, кис лоти Н2SO4, HNO3, H3PO4; з органічних — майже всі вивчені вами представ ники органічних сполук. Наведіть приклади представників органічних сполук молекулярної будови.

До речовин немолекулярної будови належать три класи неорганіч них речовин та атомні сполуки. Речовини молекулярної та немолекулярної будови відрізняються не тільки будовою, а й властивостями. У твердому стані ці речовини утворюють різні кристалічні ґратки: молекулярні, атомні та йонні. Залежно від того, як структурні частинки речовини сполучаються між собою, який вид хімічного зв’язку та тип кристалічних ґраток, вони виявляють різні властивості. Порівняємо фізичні властивості речовин молекулярної та немолеку лярної будови (табл. 13). Таблиця 13

Фізичні властивості речовин молекулярної та немолекулярної будови Речовини

Структурні Вид хімічного Тип кристачастинки зв’язку лічних ґраток

Властивості

Молекулярної будови

Молекули

Ковалентний Молекулярні Слабкі сили притягання, неполярний висока леткість, легко плавкість, низькі темпе Ковалентний ратури плавлення та полярний кипіння, м’якість

Немолекулярної будови: йонні

Йони: катіони й аніони

Йонний

Немолекулярної будови: атомні

Атоми

Ковалентний Атомні

Йонні

Значні сили притягання, висока твердість, туго плавкість, нелеткі, високі температури кипіння та плавлення Зв’язки в кристалічних ґратках рівноцінні й міцні. Кристали тверді, високі температури плав лення та кипіння, крихкі, майже нерозчинні у воді й інших рідинах

Багатоманітність речовин і хімічних реакцій. Хімічні елементи, сполуча ючись між собою, утворюють надзвичайно велику кількість як неорга нічних, так і органічних речовин. Неорганічними речовинами є прості речовини — метали й неметали, які, взаємодіючи з іншими речовинами, утворюють складні неорганічні сполуки: оксиди, кислоти, основи та солі. Основою перетворень є різні типи хімічних реакцій. 204

§ 36. Багатоманітність речовин...

Наприклад, розглянемо ланцюжок перетворень від металів і немета лів до складних сполук: P → P2O5 → H3PO4 → K3PO4 Cu → СuO → CuCl2 → Cu(OH)2 → CuCl2 ↓ CuSO4 CuO

Cu3(PO4)2

В основі цієї схеми три типи хімічних реакцій: сполучення, розкладу й обміну. Пригадайте, яку ознаку взято за основу класифікації речовин. Проаналізуйте, про який тип реакцій не згадувалося.

Реакції горіння та повільного окиснення характеризуються зміною ступенів окиснення елементів до й після реакції. Під час реакцій обміну ступені окиснення не змінюються. Як приклад, розгляньте реакції вза ємодії фосфору й міді з киснем. Складіть рівняння реакцій між вуглецем і киснем, міддю та киснем на основі електронного балансу, доберіть коефіцієнти.

Вам відомо, що під час хімічних перетворень може виділятися або поглинатися тепло. За тепловим ефектом реакції поділяють на екзо- й ендотермічні. Наприклад, ви спостерігали реакції горіння метану, етену, етину, етанолу — усі вони є екзотермічними. Реакції, що відбу ваються за постійного нагрівання суміші реагентів, називають ендотермічними. Вивчаючи неорганічну й органічну хімію, ви дізналися про наявність оборотних і необоротних реакцій. Оборотні реакції за однакових умов від буваються у двох взаємно протилежних напрямках. Наприклад: → 2NH . N2 + 3H2 → 3 В органічній хімії ви вивчали процеси горіння, фотосинтезу й дихання, які постійно відбуваються в живій природі та з речовинами неорганічного походження. Чим пояснити багатоманітність органічних речовин? Насамперед — їх поширенням у природі та синтезуванням у промислових обсягах. Окрім того, хоча в сполуках Карбону міститься невелика кількість хімічних елементів, органічних сполук існує значно більше, ніж неорганічних. На прикладі гомологічного ряду метану ви побачили, що атоми Карбону мають здатність сполучатися між собою, утворюючи карбо нові ланцюги. Кожний наступний представник гомологічного ряду відрізняється від попереднього на групу атомів СН2, яка має назву гомологічна різниця. Наприклад: СН4, СН3–СН3, СН3–СН2–СН3 і т. д. 205

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

Такі гомологи утворюють спирти, зокрема: метанол СН3–ОН, етанол С2Н5–ОН, гліцерол С3Н7–ОН; карбонові кислоти: етанову СН3–СООН, про панову С2Н5–СООН, бутанову С3Н7–СООН та інші органічні сполуки. Під час вивчення етену (етилену) й етину (ацетилену) ви зауважили в будові цих речовин наявність кратних зв’язків: подвійного й потрійного. Це перші представники інших гомологічних рядів, зокрема ненасичених вуглеводнів. Кількість їх залежить і від довжини карбонового ланцюга, і від розміщення зв’язків у молекулах вуглеводнів. Різне розміщення крат них зв’язків впливає на їх структуру, а отже, і на властивості. Це ще одна ознака, яка допомагає зрозуміти багатоманітність органічних сполук. Вивчаючи представників органічних сполук, ви переконалися, що для кожного з них характерна наявність різних груп атомів. Ці групи визначають властивості сполук. Для того щоб узагальнити значення речовин і їх перетворень, пригадаємо колообіги хімічних елементів і речовин у природі. Суть колообігів полягає в наявності природних процесів, під час яких структурні частинки речовини (молекули, атоми, йони) переміщуються від одних сполук до інших. Пригадайте з курсу хімії 7 класу відомості про колообіг Оксигену та колообіг води в природі.

Отже, ці безперервні процеси постачання в атмосферу кисню завдяки фотосинтезу й використання його під час дихання, окиснення та горіння речовин сприяють безперервному руху речовин. Крім колообігів Оксигену та води, у природі відбуваються колообіги інших біологічно важливих елементів-органогенів, зокрема Карбону, Нітрогену, Фосфору й Сульфуру. Колообіг Карбону пов’язаний із колообі гом Оксигену, оскільки він починає колообіг у вигляді карбон(IV) оксиду (рис. 128).

Рис. 128. Схема колообігу Карбону в природі

206

§ 36. Багатоманітність речовин...

Колообіг Карбону пов’язаний із багатьма хімічними процесами в біо сфері. На рисунку 128 показано, що колообіг Карбону відбувається під час фотосинтезу, горіння палива, дихання рослин, тварин і людини, гниття органічних решток, роботи транспорту, хімічних та інших підприємств, виверження вулканів, вивітрювання карбонатів і гідрогенкарбонатів тощо. Безперервні процеси окиснення та відновлення, що відбуваються в природі, підтримують рівновагу між фотосинтезом і горінням та окис ненням. Не менш важливе значення має колообіг Нітрогену (рис. 129).

Рис. 129. Схема колоо бігу Нітрогену в природі Розгляньте уважно схему колообігу Нітрогену в природі та складіть самостійно розповідь про процеси, що відбуваються.

Хімія та екологія. Під час вивчення хімії в курсі основної школи ви ознайомилися з речовинами та їх перетвореннями — природними про цесами, що забезпечують баланс між накопиченням речовин у біосфері та їх використанням. Людина, як продукт природи і її невід’ємна час тина, може жити тільки в безперервній взаємодії з нею. Нині людина значно розширила використання продуктів хімічної промисловості. Збільшилися обсяги синтезування органічних речовин, що набули застосування як будівельні матеріали, лаки, фарби, клеї, синтетичні волокна та пластмаси, каучуки, гума, парфумерні й мийні засоби тощо. Усі виробництва органічних речовин мають великий вплив на довкілля та викликають певні екологічні ризики. Вичерпуються запаси природних джерел вуглеводневої сировини, яка забезпечує сировинну й енергетичну галузі господарської діяль ності людини. Надмірні викиди в атмосферу шкідливих газів хімічної промисло вості й автомобільного транспорту призводять до утворення та випа 207

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

дання кислотних дощів, формування ураганів і повеней. Від них страж дає рослинний та тваринний світ, закислюються ґрунти й водойми. Змінюється структура ґрунтів, що впливає на зниження їх врожайності. Збільшення вмісту вуглекислого газу в атмосфері спричиняє глобальне потепління, танення льодовиків. У місцях накопичення сміття та різ них відходів під дією світла утворюється фотохімічний смог, в атмо сферу потрапляє багато пилу. Використання фреонів призводить до руйнування озонового шару, який захищає планету від потрапляння прямих ультрафіолетових про менів і виникнення озонових дір. Усі ці чинники впливають на зміну колообігів хімічних елементів і речовин. Відомо, що традиційні джерела палива є вичерпними, а про дукти їхнього згоряння створюють екологічні проблеми сучасності, про які йшлося. У забезпеченні економіки України паливно-енергетичними ресур сами важливого значення набуває виробництво та споживання альтернативних видів палива. До альтернативних видів рідкого палива нале жать: спирти, олії та інше рідке біологічне паливо, отримане з біосиро вини; пальні рідини, одержані з промислових відходів; газ водоносних пластів нафтогазових басейнів; метаногідрати, біогаз, водень тощо. Для забезпечення гармонії людини з природою необхідно знати та неухильно дотримуватися її законів; раціонально, планово й ощадно вико ристовувати природні ресурси; дбати про чистоту повітря, природних водойм і ґрунтів. Кожна культурна людина, яка хоче бути здоровою та успішною в житті, має пам’ятати, що вона є частинкою природи, яку треба обері гати від негативних впливів господарської діяльності. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Усі речовини за походженням поділяють на неорганічні й органічні. Залежно від складу й видів хімічних зв’язків розрізняють речовини молекулярної та немолекулярної будови. • До речовин молекулярної будови належать неорганічні речовини, молекули яких утворені неметалічними елементами, і кислоти. З органічних речовин молекулярну будову мають майже всі вивчені вами представники окремих класів: вуглеводні, спирти, карбонові кислоти, вуглеводи, амінокислоти, жири та білки. • Синтетичним органічним речовинам теж властива молекулярна будова. • До речовин немолекулярної будови належать здебільшого неорганічні сполуки (оксиди металічних елементів, основи, солі, метали) й окремі органічні (солі вищих карбонових кислот). • Багатоманітність речовин зумовлена їхніми взаємоперетвореннями й синтезом нових. Чинниками, що пояснюють велику кількість органічних речовин, є: а) здатність атомів Карбону утворювати карбонові ланцюги різної довжини та форми; б) наявність речовин, що утворюють гомологічні ряди; в) наявність кратних зв’язків та їх розміщення в карбоновому ланцюгу; г) наявність різних функціональних груп атомів.

208

§ 36. Багатоманітність речовин... • Природними процесами, які регулюють баланс споживання та використання речовин, є колообіги елементів і речовин. Вони ґрунтуються на фотосинтезі, диханні, горінні та повільному окисненні, гнитті. • У процесі господарської діяльності людина доволі часто забруднює навколишнє середовище: повітря, воду, ґрунти. Людина, як частина природи, має раціонально використовувати природні багатства, оберігати довкілля і запобігати його забрудненню, що призводить до техногенних катастроф та екологічних проблем. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть класифікацію речовин за походженням і складом молекул. 2. Охарактеризуйте склад речовин: а) молекулярної; б) немолекулярної будови. 3. Назвіть чинники, що впливають на багатоманітність речовин. 4. Поясніть на конкретних прикладах взаємоперетворення речовин. Підтвердьте відповідь рівняннями реакцій. 5. Складіть рівняння реакцій фотосинтезу й дихання та поясніть, як взаємопов’язані ці два процеси. 6. Обґрунтуйте, які екологічні проблеми спричиняють хімічні виробництва. 7. Парниковий ефект пов’язаний із небезпечним забрудненням атмосфери — накопиченням у ній карбон(ІV) оксиду. Обчисліть об’єм газу (н. у.), який потрапить в атмосферу під час спалювання дров масою 100 кг, масова частка целюлози в яких становить 81 %. 8. Під час фотосинтезу з вуглекислого газу та води синтезується глюкоза й утворюється кисень. Обчисліть, який об’єм вуглекислого газу (н. у.) і масу води ввібрали зелені листки рослини, якщо утворилася глюкоза кількістю речовини 2 моль. 9. У пакеті для сміття містяться побутові відходи: шматки дерева, поліетиленові пляшки, розбита скляна тара, паперові упаковки від борошна, гречки й рису, лампи енергозбереження й обгортки цукерок. Поясніть, як треба посортувати ці відходи та якими правилами під час сортування потрібно керуватися. Цікаво знати

• Альтернативним джерелом енергії є деревні паливні гранули (пелети). Їхня теплота згоряння рівноцінна вугіллю, а викиди вуглекислого газу й попелу в середньому в 15–35 разів менші.

§ 37. Місце хімії серед наук про природу, ЇЇ ЗНАЧЕННЯ ДЛЯ РОЗУМІННЯ НАУКОВОЇ КАРТИНИ СВІТУ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• • • •

визначати місце хімії серед інших природничих наук; пояснювати значення хімії для розуміння наукової картини світу; характеризувати методи пізнання природи; оцінювати значення хімічних знань для життя людини та формування її загальної культури.

209

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

Місце хімії серед наук про природу. Вивчаючи хімію впродовж трьох років, ви ознайомилися з неорганічними й органічними речовинами, які відіграють неоціненну роль у житті людини. Хімія є складовою природознавства, яке інтегрує наукові знання про будову та властивості неживих і живих природних об’єктів і процесів. Разом з іншими природничими науками, такими як фізика, геогра фія, екологія, біологія, вона сприяє системному сприйняттю і вивченню природи, дає змогу зрозуміти структуру мікросвіту, пояснити його прояв у стані речовини або фізичного поля. Вивчення хімії переконало вас, що ця цікава й змістовна наука дослі джує речовини, їх склад, будову, властивості та явища, що відбуваються з ними. Але під час вивчення характеристики того чи іншого класу речовин або окремої з них ми звертаємо увагу на фізичні властивості. Розв’язуючи задачі, використовуємо фізичні закони й фізичні величини. Отже, хімія, ґрунтуючись на дослідженні елементарних частинок, фізичних тіл і фізич них процесів, що не пов’язані з перетворенням речовин, пояснює якраз їхні перетворення, що відбуваються під час хімічних реакцій. Вивчення речовин, їх складу, будови, властивостей та функцій створює підґрунтя для пояснення багатьох біологічних процесів, що відбуваються в живих організмах. Отже, можна зробити висновок про те, що хімія, фізика та біологія взаємозв’язані. Важливо зазначити, що різкої межі між цими науками й іншими при родничими дисциплінами немає. Вони збагачують одна одну. Тому на межі фізики й хімії з’явилися такі науки, як фізична хімія та хімічна фізика. На межі біології та хімії — біохімія, геології та хімії — геохімія (рис. 130). Фізична хімія — галузь науки, яка вивчає хімічні явища та процеси на основі загальних фізичних принципів й експериментальних методів; зосере-джена на вивченні хімічних явищ. Хімічна фізика — наука, яка досліджує хімічні процеси фізичними методами, зокрема молекулярної фізики та фізики твердого тіла. Астрономія Фізична хімія

Фізика

Хімічна фізика

ХІМІЯ

Геохімія

Біологія

Біохімія Екологія

Рис. 130. Схема, що відображає місце хімії серед природничих наук і взаємозв’язки між ними

210

§ 37. Місце хімії серед наук про природу...

Біологічна хімія — наука про хімічний склад організмів і процесів, що в них відбуваються. Досліджує склад і будову білків, жирів, вуглево дів і нуклеїнових кислот, способи їхніх перетворень, використовуючи хімічні методи досліджень. Геологічна хімія — наука про хімічний склад Землі, поширення та міграцію хімічних елементів у різних оболонках земної кулі. Крім згаданих наук про природу, важливе місце належить екології — науці про взаємозв’язки живих організмів між собою та з навко лишнім середовищем, а також астрономії — науці про закони руху, властивості й розвиток небесних тіл. Отже, хімія — це наука, яка створює фундамент для досліджень суміс них галузей наук, глибоко проникає в усі сфери життя людини. Маючи спільні предмет і методи дослідження, вона є складовою знань про природу. Значення хімії для розуміння наукової картини світу. Наука про при роду — це цілісна система знань, що постійно розвивається і вдоскона люється, відкриваючи нові речовини та їхні властивості. Речовина як реальна матерія з її складом, будовою і властивостями є пізнаваною, хоча й незалежною від самої людини. Одна з властивостей існування матерії — рух, який філософія розглядає як будь-яку зміну предмета загалом. Природничі дисципліни вивчають різні форми руху матерії в їхній ієрархії. Найпростішою є фізична форма руху матерії, яка властива фізичним процесам: механічному руху атомів, молекул, мікроскопічних і косміч них тіл; поширенню електромагнітних і гравітаційних хвиль; перемі щенню елементарних частинок. Ця форма руху матерії притаманна всім матеріальним тілам. Вивчаючи хімію, ви переконалися в тому, що з речовинами й іншими матеріальними об’єктами можуть відбуватися зміни. Це підтверджу ється взаємоперетворенням речовин, яке спостерігається під час хіміч них реакцій, і процесами, що відбуваються в клітинах живих організ мів. Але хімічні перетворення супроводжуються певними фізичними явищами: виділенням тепла, світла, зміною забарвлення тощо. Тому хімія вивчає хімічну форму руху матерії в тісному взаємозв’язку з фізичною. Хімічна форма руху матерії пов’язана зі сполученням атомів між собою та утворенням речовин і розпадом речовин на атоми, з яких під час хімічних реакцій утворюються нові речовини. Отже, хімія пояснює розви ток живої і неживої природи на рівні хімічних елементів та їхніх сполук. Складнішою за згадані є біологічна форма руху матерії. Вона охоплює різноманітні біологічні процеси в живих організмах: обмін речовин, саморегуляцію, зв’язки в біоценозах, біосферні зміни. Інакше кажучи, вона забезпечує взаємозв’язки живих організмів з навколишнім середо вищем. Ця форма руху матерії базується на хімічній формі руху. Розглядаючи місце хімії серед інших природничих наук, варто пам’ятати про важливість геохімії — науки про хімічний склад Землі. У 211

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

процесі еволюції з хімічних елементів Усесвіту сформувалася оболонка Землі, що дістала назву біосфера — середовище існування живих орга нізмів на Землі. Термін уперше застосував австрійський геолог Е. Зюсс (1875). Він виокремив біосферу як оболонку Землі, що населена живими організмами. Біосфера охоплює частини таких оболонок Землі, як нижня атмосфера, гідросфера й верхня літосфера. Межі біосфери доволі широкі. Вони сягають 20–25 км над поверхнею Землі, у середньому — від 1,5–2 км до 7–8 км у глиб літосфери. За визначенням В. Вернадського, геохімія — наука, що вивчає «істо рію хімічних елементів планети», досліджує хімічний склад Землі. Український учений довів, що в біосфері живі організми та середовище їхнього існування перебувають у взаємозв’язку одне з одним. Саме речо вини, які складаються з хімічних елементів, здійснюють цей взаємозв’язок. Володимир Вернадський (1863–1945) — видатний український учений-природодослідник і філософ. Як патріот своєї країни, багато зробив для відродження України, її культури й науки. Зокрема, був ініціатором створення Академії наук України та першим її президентом, заснов ником публічної бібліотеки в Києві, яка нині названа на його честь. В. Верн адський — один із перших учених, які сприймали Землю як єдиний живий організм, усвідомлюючи величезний перетворювальний вплив живих організмів на всі три оболонки Землі в планетарному масштабі. На цьому твердженні ґрунтується створена ним теорія біосфери (1934). В. Вернадський — основоположник сучасних напрямків розвитку геології, гідрології, мінералогії.

Розвиваючи вчення про біосферу, В. Вернадський довів тісну взаємо дію та взаємозалежність усіх форм життя. Він сформулював визна чення: «Біосфера є оболонкою життя — сферою існування живої речо вини». В. Вернадський охарактеризував вплив людини («сферу розуму») на біосферу. Через розумову діяльність і потреби людини природні об’єкти зазнають змін, які порушують природну рівновагу. Тому в праці «Де кілька слів про ноосферу» він зазначав, що ноосфера має стати цариною розуму, де панують закони мудрості й гармонії. На думку вчених, світ є матеріальним, а матерія постійно рухається та змінюється у формі найрізноманітніших речовин, що утворюють не живу й живу природу. У зв’язку з тим, що вплив людини часто є згуб ним для природних екосистем, ітиметься про збереження природних ресурсів для майбутніх поколінь у планетарному масштабі. Зважаючи на зазначене, можна дійти висновку, що хімічні зна ння — невід’ємна складова пізнання природи в усіх її проявах. 212

§ 37. Місце хімії серед наук про природу...

Хімія, як наука про речовини, є частиною загальної культури люд ства. Тому хімічна освіта сприяє розробленню та використанню нових хімічних технологій, дає можливість безпечно користуватися речови нами в побуті й на виробництві, запобігати екологічним ризикам, допо магає розуміти навколишній світ і взаємодіяти з ним. Знання хімії дає змогу сформувати правильну наукову картину світу, а отже, розуміти роль речовин у природі та житті суспільства. ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімія — наука, яка тісно пов’язана з фізикою та біологією і взаємодіє з іншими природничими науками: астрономією, екологією, геологією, географією. Однак різкої межі між природничими дисциплінами немає. • На межі фізики й хімії з’явилися такі науки, як фізична хімія і хімічна фізика, а на межі біології та хімії — біохімія, геології та хімії — геохімія. • Фізична хімія — галузь науки, що вивчає хімічні явища й процеси на основі загальних фізичних принципів та експериментальних методів; зосереджена на вивченні хімічних явищ. • Хімічна фізика — наука, яка досліджує хімічні процеси фізичними методами, зокрема молекулярної фізики та фізики твердого тіла. • Біологічна хімія — наука про хімічний склад організмів і процесів, які в них відбуваються. Досліджує склад та будову білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот, способи їхніх перетворень, використовуючи хімічні методи досліджень. • Геологічна хімія — наука про хімічний склад Землі, поширення та міграцію хімічних елементів у різних оболонках земної кулі. • Знання хімії дає змогу пояснити взаємозв’язки між різними формами руху матерії. Як наука про речовини, що пояснює розвиток живої й неживої природи, вона вивчає фізичну форму руху матерії та є підґрунтям біологічних процесів у живих організмах. • Учення про біосферу розкриває тісні зв’язки живих організмів із середовищем їх існування. І саме речовини, що складаються з хімічних елементів, забезпечують цей взаємозв’язок. • Розуміння хімічних явищ і процесів дає змогу логічно пояснити наукову картину світу. Така інформація була, є і буде частиною загальної культури людства. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Поясніть місце хімії серед наук про природу. 2. Охарактеризуйте науки, що виникли на межі: а) фізики та хімії; б) біології та хімії; в) геології та хімії. 3. Поясніть, як ви розумієте філософську категорію «матерія». Охарактеризуйте відомі вам форми руху матерії. 4. Обґрунтуйте взаємозв’язки між формами руху матерії. 5. Поясніть роль В. Вернадського в створенні вчення про біосферу. 6. Унаслідок фотохімічних процесів, що відбуваються в атмосфері, озон розкладається за схемою О3 → О2 + О. Обчисліть масу кисню, що утвориться внаслідок розкладання озону масою 24 кг.

213

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

§ 38. Хімічна наука й виробництво в Україні. ВИДАТНІ ВІТЧИЗНЯНІ ВЧЕНІ — ТВОРЦІ ХІМІЧНОЇ НАУКИ Вивчивши матеріал параграфа, ви зможете:

• знати про розвиток хімічної науки й хімічне виробництво в Україні, українських учених-хіміків; • називати імена видатних вітчизняних учених-хіміків, найважливіші хімічні виробництва в Україні; • характеризувати роль хімії для життя людини та суспільства; • оцінювати внесок хімічної науки для розвитку вітчизняного виробництва; • усвідомлювати значення громадянської позиції вченого.

Історичний розвиток хімічної науки. Ви завершуєте курс хімії основної школи, вивчення якого дало змогу зрозуміти, що хімія є однією з фунда ментальних наук про природу. Вона формує перші уявлення про наукову картину світу, роль речовин у розвитку природи, взаємозв’язки між неорганічними й органічними речовинами та їхнє значення в житті людини й суспільства, допомагає усвідомити єдність усіх процесів у при роді. Вивчаючи цю науку, ви дізналися про багато речовин і процесів, про те, що саме відбувається з ними, про їхні біологічні функції та значення. Як вам відомо, хімічна наука почала бурхливо розвиватися із серед ини ХVІІІ ст. Саме в той час з’явилися фундаментальні праці про те, що речовина складається з атомів і молекул; М. Ломоносов сформулю вав, а А. Лавуазьє повторно відкрив закон збереження маси речовин у процесі хімічних реакцій. Про цих визначних учених і їхній внесок у розвиток хімії ви вже довідалися з попередніх курсів. Далі вчення про атоми розвинув англійський учений Дж. Дальтон. Він увів термін «хімічний елемент», позначення символів і хімічних сполук, висловив гіпотезу про різні маси й розміри атомів тощо. Однак символи хімічних елементів, запропоновані Дж. Дальтоном, були незручними для користування, тому Є. Я. Берцеліус подав думку позна чати хімічні елементи символами, які складалися з однієї чи двох початкових літер їхньої латинської назви. Символи нововідкритих хімічних елементів трилітерні. Знайдіть у періодичній системі трилітерні символи й назвіть ці елементи.

Неоціненний внесок у класифікацію хімічних елементів зробив російський учений Д. Менделєєв. Відкритий ним періодичний закон і створена на його основі періодична система хімічних елементів започат кували вивчення будови атома, сприяли поясненню утворення хіміч ного зв’язку між атомами й обґрунтуванню існування речовин молеку лярної та немолекулярної будови. Геніальною стала робота італійського хіміка й фізика А. Авогадро, який, досліджуючи гази, відкрив закон, названий його іменем. 214

§ 38. Хімічна наука й виробництво в Україні... Сформулюйте періодичний закон, відкритий Д. Менделєєвим, і закон Авогадро.

Важливий внесок у відкриття нових хімічних елементів і в розвиток учення про радіоактивність атомів елементів зробили подружжя Марія та П’єр Кюрі. Французький учений, фізик і хімік польського походження М. Кюрі виявила радіоактивність хімічного елемента Торію, а разом із чоловіком відкрила два радіоактивні елементи — Полоній та Радій. Явище радіоактивності М. Кюрі використала для діагностування хвороб, створивши перші рентгенівські установки. Вона — лауреат двох Нобелівських премій: перша — з фізики (1903), друга — з хімії (1911). Розвиток хімічної науки в Україні. Видатні вітчизняні вчені-хіміки. Згаду ючи імена вчених світового масштабу, які стояли біля витоків хімічної науки, не можна оминути українських науковців-хіміків. Вивчаючи у 8 класі взаємодію металів із кислотами, ви ознайомилися з рядом активності металів. Його творцем був український та російський фізико-хімік Микола Бекетов (1827–1911). Узагальнивши результати досліджень як теорію витіснення металів, М. Бекетов установив ряд актив ності металів. Це сприяло відкриттю нового методу від новлення менш хімічно активних металів більш актив ними. Як відновник металів було використано металіч ний алюміній або магній, тож метод отримав назву алюмотермія та магнетермія. У 1854 р. М. Бекетов запропонував економічно доцільну схему одержання М. Бекетов сірки з гіпсу послідовним відновленням та окиснен ням: CaSO4 → CaS → H2S → S. Ці роботи набули широке застосування на хімічних виробництвах. Окрім того, М. Бекетов сформулював закон дії мас. Працював учений у Харківському університеті. Його вважають основоположником фізичної хімії. Олексій Бах (1857–1946) — український ученийбіохімік. Закінчив Київський університет Св. Воло димира. Ініціатор створення фізико-хімічного інсти туту імені Л. Я. Карпова; разом з О. Опаріним засну О. Бах вав Інститут біохімії АН СРСР, був його директором. Наукові досягнення стосуються досліджень окисновідновних процесів у живій клітині. О. Бах довів, що основою фотосин тезу органічної речовини (глюкози) зеленими листками рослин із вугле кислого газу й води є хімічна реакція. Учений створив пероксидну теорію повільного окиснення та довів, що саме пероксиди, які утворюються під час фотосинтезу, є джерелом молекулярного кисню, що виділяється в процесі асиміляції. О. Бах відкрив оксидаційні ферменти в рослинах і грибах, роз робив методику їх визначення. Теоретичні розвідки вченого про ферменти стали науковим підґрунтям розвитку харчової промисловості. 215

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

Серед його учнів — відомі природодослідники В. Енгельгардт, О. Браунштейн, О. Опарін та ін. Микола Бунге (1842–1915) — український уче ний-хімік, працював у галузях електрохімії та хіміч ної технології. Досліджував електроліз розчинів й органічних сполук, найцікавішими дослідженнями є вивчення електролізу органічних кислот. У докторській дисертації «До питання про електро ліз хімічних сполук» учений довів, що спирти, кислоти М. Бунге та їхні металічні похідні розкладаються електричним струмом у водних розчинах на водень або метал, що виділяється на катоді, і решту групи, яка виділяється на аноді, а також пояснив причини виді лення на аноді різних продуктів залежно від умов електролізу. Він першим виявив вплив сили струму та площі поверхні анода на результат електро лізу й найповніше дослідив вплив інших чинників на перебіг процесу. Роботи М. Бунге з технічної хімії пов’язані з виноробством і вироб ництвом цукру з буряка. Учений удосконалив методику газового ана лізу, вивчав процес виробництва цукру з цукрового буряка й умови його перебігу, зробив вагомий внесок у розвиток вітчизняної цукрової промисловості. Оксана Бодак (1942–2005) — учена-кристалограф. Закінчивши в 1964 р. хімічний факультет Львівського національного університету ім. Івана Франка, працю вала викладачем на кафедрі неорганічної хімії. Пройшла шлях від асистента, доцента, професора (1984) до завідувача кафедри (1989). У 1970 р. захис тила кандидатську дисертацію у Львові, а в 1984 р. — докторську в Києві з теми «Взаємодія рідкісноземель них металів у потрійних системах». Особливо цінною є ініціатива вченої-хіміка в налагодженні наукової О. Бодак співпраці зі спорідненими науковими установами багатьох країн. Занесена до книги «Жінки України». Алла Бондар (1921–1981) — засновниця кафедри кібернетики хімікотехнологічних процесів Київського політехнічного інституту, професор. Життєвий шлях і наукова робота А. Бондар — приклад для наслідування молодими поколіннями вчених. Як учена-дослідниця, А. Бондар з 1947 р. працювала в Київському політехнічному інституті викладачем, була доцентом кафедри технології неорганічних речо вин (1967–1974), завідувачем кафедри кібернетики хі міко-технологічних процесів (1974–1981), водночас працювала на посаді проректора з навчально-методич ної (1955–1958) і навчальної роботи (1974–1980). З 1958 р. — начальник Управління вищих навчальних А. Бондар 216

§ 38. Хімічна наука й виробництво в Україні...

закладів Міністерства вищої і середньої спеціальної освіти УРСР, перший заступник міністра освіти (1960–1962), міністр вищої освіти (1962–1967). У складі делегації України брала участь у роботі 15-ї та 16-ї Генеральної Асамблеї ООН (1960, 1961). А. Бондар керувала науковими дослідженнями в галузі основних процесів й апаратів хімічної технології, здійснила їхній математичний опис, використовувала ідеї планування експерименту для пошуку опти мальних режимів реалізації хіміко-технологічних процесів. Володимир Вернадський (1863–1945). Див с. 213. Іван Горбачевський (1854–1942). Див с. 191. Микола Зелінський (1861–1953) — український хімік-органік. Працював на кафедрі хімії в Новоросійському університеті в Одесі, а згодом — професо ром на кафедрі органічної й аналітичної хімії Московського університету. Об’єктом наукових досліджень М. Зелінського була нафта. Він установив її походження, дослідив хімічний склад нафти та продуктів її переробки, запропонував М. Зелінський каталітичний крекінг (розщеплення) і піроліз нафто продуктів, добування толуену, а на його основі — синтез вибухової речо вини тротилу. У роки Першої світової війни це відкриття мало важливе значення для оборонної промисловості. Учений запропонував використо вувати алюмосилікати й оксиди як доступні каталізатори під час промис лової переробки нафти, платину й паладій — у процесі добування нафте нів; синтезував етин (ацетилен) і бензен. Як практич ний результат досліджень із нафтою у Росії було від крито перший завод термічного крекінгу нафти. М. Зелінський уперше запропонував протигаз — засіб захисту від отруйних газів. Володимир Кістяківський (1865–1952) — україн ський учений-хімік. Навчався в університеті Св. Володимира в Києві та Санкт-Петербурзькому універси теті. Наукові дослідження стосуються електрохімії, В. Кістяківський колоїдної хімії, корозії металів і теорії рідин. В. Кістяківський відкрив фундаментальні законо мірності у фізичній хімії. Він упровадив новий науко вий напрямок — колоїдну електрохімію, вивчав елек трохімію магнію, хрому, заліза, алюмінію та інших металів, досліджував явище корозії. Анатолій Пилипенко (1914–1993) — академік НАН України, доктор хімічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України, лауреат Державної премії України, відомий учений у галузі аналітичної хімії та хімії комплексних сполук. А. Пилипенко 217

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

Основну увагу вчений приділяв проблемі захисту водного басейну України від забруднення техногенними відходами. Він працював над технологією створення замкнених циклів водопостачання в промисло вості, розробляв технологію комплексної переробки шахтних вод. До кінця життя А. Пилипенко керував виконанням аналітичної час тини державних програм «Чиста вода» і «Питна вода», брав активну участь у ліквідації наслідків Чорнобильської катастрофи, неодноразово бував у Прип’яті, вирішував нагальні питання, пов’я зані з очищенням води. Лев Писаржевський (1874–1938) — учений-хімік, академік. Працював у галузі фізичної хімії. Л. Писаржевський синтезував низку нових перок сидних сполук, зокрема амоній пероксид, перборати натрію та інших лужних елементів, що використову валися як ефективні дезінфекційні та відбілювальні засоби; започаткував електронну теорію окисно-від новних процесів і каталізу. Упродовж усього життя Л. Писаржевський вчений досліджував переміщення електронів під час хімічних реакцій. На основі нових світоглядних уявлень про хімічні реакції розвинув теорію гальванічного елемента. З ініціативи Л. Писаржевського було створено Український нау ково-дослідний інститут фізичної хімії (ІФХ), який швидко став про відним у цій галузі в Україні. Був одним з ініціаторів створення уні верситету в Дніпрі (нині — Дніпровський національ ний університет імені Олеся Гончара) і його хіміч ного факультету. Антон Думанський (1880–1967) — доктор хіміч них наук, професор, член-кореспондент АН СРСР (1933), академік АН УРСР (1945). Народився в родині вчителя гімназії. У 1889 р. закінчив реальне училище. У 1903 р. успішно захистив дипломну роботу на тему «Колоїдне срібло» у Київському політехнічному інституті. Після закін А. Думанський чення працював лаборантом кафедри загальної хімії в цьому самому інституті, а через рік став асистентом кафедри. Саме тоді організував першу лабораторію колоїдної хімії, де активно проводив власні дослідження. Магістерська дисертація була присвячена дослідженню колоїдних розчинів. Багато уваги приділяв ученню про дисперсність і вперше реа лізував ідею про застосування центрифуги для визначення розмірів колоїдних частинок. Розроблені ученим методи контролю дисперсних систем упроваджені у виробничі процеси харчової промисловості. А. Думанський є засновником фахового журналу «Колоїдний журнал». Ім’я вченого присвоєно Інституту колоїдної хімії і хімії води (м. Київ). 218

§ 38. Хімічна наука й виробництво в Україні...

Костянтин Яцимирський (1916–2005) — україн ський хімік-неорганік, професор, академік, лауреат Державної премії України (1991), заслужений діяч науки і техніки. Після закінчення лісового технікуму в 1936 р. всту пив до Середньоазіатського державного університету (м. Ташкент) на хімічний факультет. Будучи студен том, розпочав науково-дослідницьку роботу на кафе дрі органічної хімії. У повоєнні роки (1945–1961 рр.) працював в Іванівському хіміко-технологічному К. Яцимирський інституті, де досліджував перспективну, але прак тично не вивчену на той час галузь фізико-неорганічної хімії — термо хімію комплексних сполук. У 1961 р. його було обрано членом-корес пондентом АН УРСР, а через рік він переїхав до Києва, де працював заві-дувачем відділу хімії комплексних сполук Інституту загальної та неорганічної хімії АН УРСР. У 1964 р. К. Яцимирського було обрано академіком АН УРСР, а з 1969 по 1982 р. він очолював Інститут фізичної хімії ім. Л. В. Писаржевського АН УРСР, де продовжував наукову роботу. Ще з 1950-х років, окрім дослідження термодинамічних аспектів хімії координа ційних сполук, учений займається малодослідженою на той час галуззю неорганічної хімії — кінетика і механізм реакцій за участю металокомплексів. Особливо зацікавили його реакції, у яких йони металічних елементів або їх комплекси поводяться як каталізатори. У 1960-ті роки керує великим циклом робіт із вивчення електронної будови координаційних сполук із використанням широкого арсеналу фізичних методів. Значну увагу К. Яцимирський приділяв питанням біонеорганічної хімії. Усі видатні здобутки вченого — це досягнення в галузі фізико-неорганічної, аналітичної та біонеорганічної хімії. За заслуги перед наукою нагороджений численними урядовими відзна ками — орденом «Знак Пошани», багатьма медалями. Гідний внесок у хімічну науку зробили сучасні вчені А. Голуб, А. Кипріанов, С. Реформатський, В. Яворський. У Львівському національному університеті імені Івана Франка пра цює ціла плеяда хіміків-кристалографів. Хімічна промисловість в Україні. Не секрет, що продукти хімічної про мисловості оточують нас повсякчас і відіграють вирішальну роль у всіх сферах життя людини та суспільства. Вивчення речовин завжди пов’язане з їх застосуванням. Тому кожна вивчена вами речовина важлива або як сировина для виробництва інших речовин, або має своє практичне засто сування. Хімія — це будівельні матеріали, лікарські препарати й облад нання, мінеральні й органічні добрива та засоби боротьби зі шкідниками сільського господарства, енергоресурси, природні й синтетичні органічні 219

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства

речовини, космічна техніка, легка та харчова промисловість тощо. Важко перелічити всі галузі застосування речовин. Хімічна промисловість є пріоритетною серед інших виробництв, оскільки вона створює нові речовини й на їх основі — матеріали з напе ред заданими властивостями. Упродовж ХХ ст. і на початку ХХІ ст. хімія та хімічна промисловість стали визначальними чинниками цивілізованості суспільства. Швид кими темпами розвивався промисловий синтез амоніаку, виробництво мінеральних добрив, полімерів і полімерних матеріалів, лікарських препаратів у фармацевтичній промисловості, а також штучних і синте тичних волокон, фарб, лаків, клеїв, харчових продуктів і добавок тощо. Практично неможливо перелічити всі речовини й матеріали, які стали невід’ємною частиною життя людини. Пригадайте з курсу географії найважливіші хімічні виробництва України.

Локалізація хімічних підприємств здебільшого залежить від наяв ності сировини на тій чи іншій території України. Наприклад, на Львівщині було добре розвинуте виробництво сірки (м. Новий Розділ) і калійних добрив (Стебник), в Івано-Франківській області — калійної солі (Калуш), на Донеччині — кам’яної солі (Слов’янськ, Бахмут). Однією з галузей хімічної промисловості є виробництво мінераль них добрив: нітратних (Дніпро, Горлівка, Алчевськ, Лисичанськ, Рівне, Одеса), фосфатних (Вінниця, Одеса, Суми), калійних — у міс цях добування калійної солі. Сульфатну кислоту використовують у багатьох галузях хімічної про мисловості. Сировинною базою її виробництва є самородна сірка, заліз ний колчедан FeS2 і відходи нафтопереробної та коксохімічної промис ловості, металургії. Виробництво соди найчастіше організовують у місцях, де є родовища кухонної солі та ропи, вапняку. Назвіть, використавши знання з географії, основні підприємства органічного синтезу та їхнє розташування на території України.

Отже, хімічна промисловість України охоплює майже всі виробни цтва в галузях і сферах, необхідних для створення добробуту й поліп шення життя людини. Без її продукції практично неможливо обійтися. Однак хімічні виробництва можуть завдати чимало шкоди природі, якщо нехтувати чинниками, які зумовлюють глобальні екологічні ката строфи. Тому людина як частина природи, що наділена розумом і здат ністю творити, має виховувати в собі усвідомлення того, наскільки небезпечними можуть бути наслідки безгосподарного ставлення до при родних ресурсів і виробництв хімічної промисловості. Про це має знати й дбати насамперед молодь, яка будуватиме власне доросле життя, а відповідно, — і майбутнє України. 220

§ 38. Хімічна наука й виробництво в Україні... ПІДСУМОВУЄМО ВИВЧЕНЕ

• Хімія — наука про природу, що формує перші уявлення про наукову картину світу, роль речовин у розвитку природи, взаємозв’язки між неорганічними й органічними речовинами та їх роль у житті людини, допомагає зрозуміти єдність усіх процесів у природі. • Фундамент хімічної науки закладений визначними вченими-дослідниками світового масштабу М. Ломоносовим, А. Лавуазьє, Дж. Дальтоном, Д. Менделєєвим, А. Авогадро, М. Кюрі. • Значний внесок у розвиток хімічної науки зробили українські хіміки М. Бекетов, М. Бунге, А. Бондар, О. Бах, В. Вернадський, І. Горбачевський, М. Зелінський, Л. Писаржевський, А. Пилипенко. • Хімічна промисловість України охоплює майже всі виробництва в галузях і сферах, необхідних для створення добробуту та поліпшення життя людини. • Молоде покоління, яке будуватиме майбутнє нашої держави, має раціонально ставитися до природних багатств, берегти довкілля, виховувати в собі екологічну свідомість. ЗАВДАННЯ ДЛЯ СамоКОНТРОЛЮ

1. Назвіть учених-хіміків, на основі праць яких сформувалася хімічна наука. 2. Наведіть приклади хімічних підприємств в Україні. Навчальні проЄкти

І. Оберіть самостійно або з допомогою вчителя (учительки) тему навчального проєкту із запропонованого переліку. 1. Видатні вітчизняні хіміки як учені й особистості. 2. Екологічна ситуація в моїй місцевості: відчуваю, думаю, дію. 3. Анкетування учнів навчального закладу щодо їхньої участі в розв’язуванні екологічних проблем місцевості. 4. Дослідження достовірності реклами з погляду хімії. ІІ. Оберіть форму виконання проєкту відповідно до теми. ІІІ. Презентуйте проєкт у класі. Обговоріть його з однокласниками й однокласницями.

221

Відповіді до розрахункових задач § 2. 4. 4,66 г ВаSO4. 5. 1,98 г Са2+. § 6. 6. 0,25, або 25 %. § 7. 4. 50 г NаNO3, 200 г H2O. 5. 16 %. § 8. 4. 44,1 %. 5. 31 %. § 11. 6. 77,7 г СаСl2; 75,6 г H2O. § 12. 6. 4,66 г BaSO4. 7. 13,44 л. § 13. 1. 5,8 г. 2. 4,48 л. 3. 6 моль. 4. 7,02 г NaCl; 13,98 г BaSO4. 5. 5,1 г NaNO3; 0,03 моль H2SiO3. 6. 12,78 г Na2SO4; 2,016 л H2S. 7. 0,72 моль NaCl; 8,064 л SO2. § 14. 5. 21,525 г. 6. 2,02 г KNO3; 4,7 г AgI; по 0,02 моль кожного. 7. 6,99 г і 0,03 моль ВаSO4; 2,19 г і 0,06 моль НСl. 8. 10,7 г і 0,1 моль Fe(OH)3; 17,55 г і 0,3 моль NaCl. 9. 102 г і 1,2 моль NaNO3; 13,44 л і 0,6 моль СО2; 10,8 г і 0,6 моль Н2О. § 15. 6.5,6 л. 7.18,75 г і 0,125 моль Al2S3. 8. 34,2 г Ва(ОН)2. § 17. 8. 56,7 г Zn(NO3)2. 9. 28,7 г і 0,2 моль AgCl. § 18. 6. 270 г Н2; 135 г О2; 336 л Н2; 168 л О2. 7. 70 %; 19,6 л О2. 8. 24,15 г ZnSO4; 3,36 л H2. 9. 22,8 г FeSO4; 9,6 г і 0,15 моль Cu. § 19. 8. 23,4 г NaCl; 4,48 л SO2. 9. 74 г Mg(NO3)2; 32 г і 0,5 моль Cu. § 20. 6. 78,3 г Ba(NO3)2 і 31,8 г Na2CO3. 7. 42,6 г Na2SO4; 5,4 г H2O; 6,72 л CO2. § 22. 7. 448 л СО2. 8. 64,25 г CH3Cl; 46,44 г HCl. 9. 224 м3 Н2; 60 кг С. § 23. 5. В. 6. Г. 7. 114; С8Н18. 8. 280 л СО2; 270 г Н2О. § 24. 6. А. 7. 72; С5Н12; 4,48 л О2. § 25. 3. 448 л О2. 4. 40 л С3Н8; 200 л О2. 5. 94 %. 6. 1,975 м3, або 1975 л. 7. 457,6 л О2; 281,6 л СО2. § 26. 5. 720 л О2. 6. 560 л О2; 336 л СО2. 7. 591,36 л О2; 358,4 л СО2. § 27. 3. 82,76 %. 4. 40 м3 О2. 5. 474,88 м3 О2. 6. 1344 м3 О2; 6720 м3 повітря. 7. 59,75 м3 повітря. 8. 548,8 м3 повітря; 29,12 кг СО2. § 28. 3. Г. 4. А. 5. 18,4 г С3Н8О3; 13,44 л СО2. 6. 345 г С2Н5ОН; 504 л О2. 7. 47,04 л СО2; 50,4 г Н2О; 0,7 моль С3Н8О3. § 29. 5. 240 г СН3СООН. 6. Може бути три результати: 54 г СН3СООН і 36 г NaOH; 54 г СН3СООН і 20,7 г Na; 54 г СН3СООН і 56,7 г Na2СO3. 7. 41 г СН3СООNa; 4,5 г H2О; 5,6 л СО2. § 30. 5. 65,31 %. 6. 1836 кг; 6 кмоль. 7. 56,4 С17Н33СООН; 11,2 кг КОН; калій олеїноат. § 31. 4. 76,85 %. 5. 10,86 %. 6. 197,4 кг С17Н33СООН; 28 кг NaОН; натрій олеїноат. 7. 1280 кг С15Н31СООН; 1470 кг С15Н31СООК; 5 кмоль. § 32. 7. У 6 разів. 8. 67,2 л СО2; 54 г Н2О. 9. 268,8 м3 О2; 360 кг С6Н12О6. § 33. 4. 44,44 %. 5. 806,4 л СО2; 648 г Н2О. 7. 72,9 кг крохмалю; 8,1 кг Н2О. § 34. 6. 21,21 %. 7. 20 000. § 36. 7. 67,2 м3 СО2. 8. 268,8 л СО2; 216 г Н2О. § 37. 6. 16 кг О2. 222

SO32–

SO42–

NO3–

РО43–

CO32–

SiO32–

P M H риска

СН3СОО

—

Li+

К+

—

Ag+

—

Mg2+

—

Са2+

Ва2+

Zn2+

Мn2+

— розчинна речовина (розчинність понад 1 г речовини у 100 г води); — малорозчинна речовина (розчинність від 1 до 0,001 г у 100 г води); — практично нерозчинна речовина (розчинність менше 0,001 г у 100 г води); — речовина не існує або розкладається водою.

Na+

УМОВНІ ПОЗНАЧЕННЯ:

2–

I–

Вr

–

Сl

–

NН4+

Н+

–

Kaтіoн

ОН–

Аніон

Рb2+

—

Сu2+

РОЗЧИННІСТЬ КИСЛОТ, ОСНОВ, АМФОТЕРНИХ ГІДРОКСИДІВ І СОЛЕЙ У ВОДІ (ЗА ТЕМПЕРАТУРИ 20–25 °С)

—

Hg2+

Fe2+

—

Fe3+

—

Аl3+

—

Сr3+

Додатки

Додатки Додаток 1

223

224

36,5

128

OH–

Br–

I–

NO–3

S2–

SO32–

SO42–

CO2– 3

SiO2– 3

–

Cl–

PO43

—

O2–

H+

149

—

132

116

145

53,5

—

NH4

164

122

106

142

126

150

103

58,5

Na+

212

154

138

174

158

110

101

166

119

74,5

K+

601

213

197

233

217

169

261

391

297

208

171

153

310

116

100

136

120

164

294

200

111

Ba2+ Ca2+

262

100

120

104

148

278

184

Mg2+

122

282

—

342

294

150

213

408

267

133,5

102

Al3+

147

332

—

392

344

200

238

433

292

158,5

103

152

Cr3+

358

132

—

152

136

180

310

216

127

Fe2+

151

340

292

400

352

208

242

—

296

162,5

107

160

Fe3+

355

131

115

151

135

179

309

215

126

Mn2+

385

141

125

161

145

189

319

225

136

Zn2+

382

140

124

160

144

188

—

224

135

Cu2+

Відносні молекулярні маси неорганічних РЕЧОВИН

419

292

276

312

296

248

170

235

188

143,5

—

232

Ag+

811

283

267

303

287

239

331

461

367

278

241

223

Pb2+

Додатки Додаток 2

239

237

–С3Н7

–С6Н5

–С17Н35

–С17Н33

162

(–С6Н10О5–)

С6Н6

H2N–CH2–COOH

180

С6Н12О6

СН2–СН–СН2

–С2Н5

–СН3

—

–H

–ОН

—

О Н

–С OН

282

284

122

–С

—

102

О О–C2Н5

—

–NH2

—

123

—

–NO2

відносні молекулярні маси органічних речовин

—

157

123

109

–Br

—

112,5

78,5

64,5

50,5

36,5

–Cl

—

106

–С6Н5

Додатки

Додаток 3

225

Додатки

Додаток 4

Термінологічний словник А Аерозолі — системи, які характеризуються тим, що дисперсною фазою в них є рідина, а дисперсійним середовищем — гази. Алкани — група насичених вуглеводнів, що мають загальну формулу CnH2n+2. Амінокислоти — органічні речовини, що містять у своєму складі різні за характером групи атомів: карбоксильну, властиву кислотам, й аміногрупу, властиву органічним основам. Амфотерні гідроксиди — складні речовини немолекулярної будови, що виявляють подвійні хімічні властивості: під час реакцій із кислотами реагують як основи, а з лугами — як кислоти. Аналітична хімія — наука, яка вивчає методи визначення якісного й кількісного складу речовин. Аніон — негативно заряджений йон. Асоціація — сполучення різнойменно заряджених йонів у молекули внаслідок дії сил електростатичного притягання. Б Бензинова фракція — вуглеводні з карбоновим ланцюгом С5–С11, які утворюються за температури 40–80 °С. Білки — високомолекулярні органічні сполуки (природні полімери), молекули яких містять залишки молекул амінокислот, сполучених між собою пептидним зв’язком. Біологічна хімія — наука про хімічний склад організмів і процесів, що в них відбуваються. Біосфера — середовище існування живих організмів на Землі. В Валентність — число ковалентних хімічних зв’язків, якими один атом з’єднаний з іншими. Відновлення — процес приєднання електронів частинками реагентів. Відновники — атоми, молекули чи йони, які віддають електрони. Водневий зв’язок — електростатична взаємодія між молекулами внаслідок притягання атома Гідрогену однієї молекули й атома одного з найбільш електронегативних елементів (F, O, N) іншої молекули. Вуглеводи — органічні речовини, склад молекул яких відображає загальна формула Сm(H2O)n. Вузли — місця розміщення структурних частинок (атомів, молекул, йонів) у кристалічних ґратках.

226

Термінологічний словник Газифікація — перспективний спосіб переробки вугілля з низьким вмістом Карбону. Газойль — фракція, яка утворюється під час перегонки нафти й містить вуглеводні складу С11–С20. Галогенування — уведення галогенів у молекули ненасичених вуглеводнів. Гас — фракція, що утворюється під час перегонки нафти й містить вуглеводні складу С12–С18. Геологічна хімія — наука про хімічний склад Землі, поширення та міграцію хімічних елементів у різних оболонках земної кулі. Гідратація — взаємодія частинок речовини з молекулами води під час утворення водного розчину. Гідрати — продукти гідратації. Гідрогенізація — взаємодія ненасичених органічних сполук із воднем. Гідроксильна група — група атомів —ОН. Гідрування — реакції приєднання водню. Гліцерол — трьохатомний спирт, молекулу якого розглядають як похідну пропану, у якого один атом Гідрогену біля кожного атома Карбону заміщений на гідроксильну групу. Глюкоза — моносахарид, хімічна формула якого С6Н12О6. Гомологи — сполуки, що подібні за будовою та хімічними властивостями, але відрізняються за складом молекул на одну або кілька груп атомів —CH2—. Гудрон — залишок мазуту після одержання з нього вазеліну та парафіну. Д Диполь — частинка, на різних кінцях (полюсах) якої є різнойменні часткові заряди. Дисоціація — розклад молекул на простіші молекули, атоми, атомні групи або йони. Дисперсна система — система з двох чи більше речовин, одна з яких у подрібненому стані рівномірно розподілена серед частинок іншої. Дисперсна фаза — подрібнена речовина. Дисперсійне середовище — речовина, у якій міститься дисперсна фаза. Е Екзотермічні реакції — реакції, під час яких виділяється тепло. Електроліти — речовини, водні розчини яких або розплави проводять електричний струм. Електролітична дисоціація — розпад електроліту на йони внаслідок розчинення у воді (або розплавлення). Ендотермічні реакції — реакції, під час яких поглинається тепло. Емульсії — системи, у яких дисперсною фазою та дисперсійним середовищем є рідини, що не змішуються. Етаноати — солі етанової кислоти.

227

Додатки

Етанова кислота — представник насичених карбонових кислот, молекула якої містить залишок молекули метану –СН3 і карбоксильну групу –СООН. Етанол — одноатомний спирт, молекула якого містить залишок молекули насиченого вуглеводню етану –С2Н5 і гідроксильну групу –ОН. Ж Жири — продукти взаємодії гліцеролу й вищих карбонових кислот (тверді жири — насичених кислот, рідкі — ненасичених). І Істинні розчини — гомогенні системи, у яких молекули або йони розчиненої речовини рівномірно розподіляються між молекулами розчинника. Й Йонізація — утворення електрично заряджених частинок (вільних електронів і йонів) з електрично нейтральних частинок середовища. Йонний зв’язок — хімічний зв’язок між йонами. Йонні реакції — реакції обміну, що відбуваються в розчинах електролітів. Йонно-молекулярні рівняння — рівняння, які містять не тільки йони, а й формули сполук. К Кам’яне вугілля — тверда викопна вуглеводнева сировина. Карбоксильна група — група атомів –СООН, що зумовлює властивості органічних кислот. Катіон — позитивно заряджений йон. Кислоти — електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоціюють з утворенням катіонів лише одного виду — гідратованих катіонів Гідрогену. Коагуляція — злипання частинок колоїдів під час їх зіткнення в процесі теплового руху. Ковалентний зв’язок — зв’язок, що утворюється внаслідок перекривання атомних орбіталей та утворення спільних пар електронів. Коксування — спосіб перероблення кам’яного вугілля. Колоїдні розчини — високодисперсні системи (клеєподібний розчин), у яких розмір частинок становить 1–100 нм, а колоїдне середовище є рідиною. Кратні зв’язки — подвійний і потрійний зв’язки. Кристалізаційна вода — вода, що міститься в кристалогідраті. Кристалогідрати — речовини, що містять певну кількість молекул води. Крохмаль — природний полімер, склад якого відображає формула (–С6H10O5–)n. Л Лігроїн — фракція, що утворюється під час термічного розкладу нафти й містить суміш вуглеводнів складу С8–С14.

228

Термінологічний словник М Мазут — темна в’язка рідина, що залишається після перегонки нафти або виділення з неї нафтопродуктів. Метан — найпростіша за будовою органічна сполука, молекула якої містить один атом Карбону й чотири атоми Гідрогену. Метанол — найпростіший представник класу спиртів. Мило — натрієві та калієві солі вищих карбонових кислот. Модель — замінник, аналог об’єкта. Мономери — низькомолекулярні речовини, що є реагентами в реакціях полімеризації. Н Нафта — природна суміш вуглеводнів різних класів. Неелектроліти — речовини, водні розчини яких або розплави не проводять електричний струм. Необоротні реакції — хімічні реакції, що відбуваються в одному напрямку й завершуються повним перетворенням реагентів на продукти реакції. О Оборотні реакції — хімічні реакції, які одночасно відбуваються у двох протилежних напрямках. Окиснення — процес, під час якого частинки реагентів реакції віддають електрони. Окисники — частинки, які приєднують електрони. Окисно-відновні реакції — хімічні реакції, що відбуваються зі зміною ступенів окиснення елементів реагентів і продуктів реакції. Оксиди — складні речовини, що містять два хімічні елементи, один з яких — Оксиген зі ступенем окиснення –2. Органічні речовини — сполуки Карбону, які вивчає окрема галузь хімії — органічна хімія. Основи — електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоціюють з утворенням аніонів лише одного виду — гідратованих гідроксид-іонів. П Показник рН — величина, що характеризує концентрацію йонів Гідрогену в розчинах. Поліетилен — високомолекулярна сполука, що утворюється внаслідок реакції полімеризації етилену. Полімери — високомолекулярні сполуки, що утворюються внаслідок сполучення великої кількості молекул речовин, які мають у своєму складі кратні зв’язки. Полімеризація — процес утворення полімеру. Природний газ — природна суміш вуглеводнів, які утворилися в надрах Землі внаслідок розкладу органічних сполук.

229

Додатки

Процес розчинення — фізико-хімічний процес, який супроводжують теплові явища, що відбуваються внаслідок гідратації молекул або йонів у розчині. Р Рідке мило — калієві солі вищих карбонових кислот. Розчин — однорідна (гомогенна) система, що складається з двох або більше компонентів і продуктів їх взаємодії. Розчинена речовина — газ, рідина або тверда речовина. Розчинник — компонент розчину, який перебуває в такому самому агрегатному стані, що й розчин. Розчинність — це кількісний показник — маса розчиненої речовини, яка за певних умов (температури, тиску) може розчинитися в розчиннику масою 100 г. С Сапоніни — речовини, що містяться в рослинах і мають мийну дію. Сахароза — дисахарид, молекулярна формула якого С12Н22О11. Сильні електроліти — електроліти, ступінь дисоціації яких високий ( ≈ 1, або 100 %). Слабкі електроліти — електроліти, ступінь дисоціації яких низький і становить менше 3 %. Солі — електроліти, які у водних розчинах (розплавах) дисоціюють на гідратовані катіони металічних елементів та аніони кислотних залишків. Спирти — органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька гідроксильних груп. Ступінь електролітичної дисоціації — відношення кількості молекул (формульних одиниць), що розпалися на йони, до загальної кількості молекул (формульних одиниць) розчиненої речовини. Ступінь окиснення — умовний заряд атома, якщо припустити, що сполука містить тільки йони. Суспензії — системи, у яких частинки твердої речовини рівномірно розподілені між молекулами рідини (води). Т Тверде мило — натрієві солі вищих карбонових кислот. Тепловий ефект реакції — кількість тепла, що виділяється або поглинається під час хімічної реакції. Термохімічне рівняння — хімічне рівняння, у якому зазначено тепловий ефект реакції. Ф Фізична хімія — галузь науки, що вивчає хімічні явища та процеси на основі загальних фізичних принципів й експериментальних методів; зосере-джена на вивченні хімічних явищ.

230

Предметний покажчик Х Хімічна кінетика — учення про швидкість хімічних реакцій і їх механізм. Хімічна фізика — галузь науки, що досліджує хімічні процеси фізичними методами, зокрема молекулярної фізики та фізики твердого тіла. Хімічний зв’язок — зв’язок, утворений за рахунок взаємодії між частинками речовини (атомами, молекулами, йонами), унаслідок чого утворюються хімічно стійкі молекули або кристали. Хімія — наука про природу, що формує перші уявлення про наукову картину світу, роль речовин у розвитку природи, взаємозв’язки між неорганічними й органічними речовинами та їх роль у житті людини, допомагає зрозуміти єдність усіх процесів у природі. Ц Целюлоза — природний полімер, склад якого відображає формула(–С6H10O5–)n. Ш Швидкість хімічної реакції — зміна концентрації реагенту або продукту реакції за одиницю часу в одиниці об’єму. Я Якісні реакції — реакції, за допомогою яких можна виявити катіони й аніони в складі речовини.

231

Додатки

Додаток 5

Предметний покажчик Аерозолі 18, 78 Алебастр 40 Алкани 126 Амінокислоти 190, 191, 194, 202 Амфотерні гідроксиди 4, 6, 7, 10–12 Аналітична хімія 71 Аніони 14 Антрацит 146 Асоціація 51 Білки 192, 202 Біосфера 213 Валентність 88 Відновлення 92, 195, 112 Відновники 92, 95 Вода 26 Водневий зв’язок 25, 30 Вугілля 146, 149 Вуглеводи 180, 183, 184, 188, 201 Вуглеводні ненасичені 120, 133 Газифікація 147 Газойль 145 Галогенування 134 Гас 145 Гелі 19, 78 Гемодіаліз 27 Гідратація 30, 37, 44, 79 Гідрогенізація 175 Гідроксиди 5 Гідроксильна група 5, 9 Гідрування 134 Гіпс 40, 41 Гірка сіль 41 Глауберова сіль 41 Глікоген 188 Гліцерол 158, 159 Глюкоза 180, 183 Гомогенна система 20 Гомологи 127, 150 Гомологічна різниця 127 Грубодисперсна система 17, 78 Гудрон 146 Денатурація 193 Димери 26 Диполь 25, 26

232

Дисперсійне середовище 17, 78 Дисперсна система 17, 21, 78 Дисперсна фаза 17 Діаліз 27 Екзотермічні реакції 97–99 Екологія 212 Електроліти 44, 46, 53, 54, 80 Електролітична дисоціація 44, 46, 80, 164 Елементи-органогени 117, 118 Емульсії 18, 78 Ендотермічні реакції 97–99 Етанол 156, 160 Етанова кислота 163 Етен, етин 132–134 Жири 171, 173, 179 Закон об’ємних відношень газів 136 Залізний купорос 40, 41 Зв’язок хімічний 13, 16 — ковалентний 13, 14, 16, 117 —види 15 —йонний 14 —водневий 25, 30 —внутрішньомолекулярний 26 —міжмолекулярний 26 — одинарний 13 — подвійний 14, 132, 135 — потрійний 14, 135 — кратний 133, 135 — пептидний 193, 202 Золі 19, 78 Індикатори 8, 49, 55, 164 Істинні розчини 8, 19, 20, 78 Йонізація 45, 46 Йони 14 Йонно-молекулярні рівняння 63, 64 Калій перманганат 33, 42 Карбоксильна група 163, 202 Карбон 117 Катіони 14 Кислоти 5, 7–9, 48, 51, 71 — вищі карбонові 167, 178

Предметний покажчик Коагуляція 19 Коксування 147 Колоїдна хімія 17 Колоїдний розчин 18, 19 Крекінг 146 Кристалізаційна вода 39, 41 Кристалічна сода 41 Кристалічні гратки 15 Кристалогідрати 26, 39 Крохмаль 20, 184, 187, 189, 201 Лігроїн 145 Луги 10–12 Мазут 146 Метан 119, 125 Метанол 155 Метод моделювання 120, 125 — електронного балансу 93 Мило 168 Мідний купорос 29, 40 Мономери 139 Нафта 18, 20, 145, 148 Неелектроліти 46, 80 Нейропептиди 195 Необоротні реакції 105, 113 Окиснення 92, 112, 121 Окисники 92, 95 Оксиди 4, 5, 7, 8 Органічна хімія 115 Органічні речовини 115, 118, 197 Основи 5–7, 9, 10, 48, 49, 51

— повного окиснення 121 — горіння 129 — полімеризації 138 — необоротні 105 — ознаки класифікації 82 — сполучення 82, 111 — розкладу 83, 111 — екзотермічні 97–99, 133 — ендотермічні 97–99 — оборотні 106, 113 — заміщення 84, 111, 122 — обміну 84, 111 — приєднання 133, 134 Розчин 29, 31, 32, 34, 79 — концентрований 36 — розведений 36 — насичений 35 — ненасичений 35 Розчинність 33–37 Розчинення 30, 79 Сапоніни 169 Сахароза 29, 182, 183 Солі 6, 7, 11, 51, 71 Сольватація 46 Ступінь електролітичної дисоціації 52 — окиснення 87 Суспензії 18, 78 Спирти 156, 177 Тепловий ефект реакції 98 Термохімічне рівняння 98 Трансжири 175

Парафін 129, 130 Показник рН 55, 58, 81 Поліетилен 139–142 Полімери 138, 152 Полімеризація 139 Природний газ 143, 148

Фізична хімія 211 Фотосинтез 181, 182

Реакції окисно-відновні 91, 92, 111 — хімічні 82 — йонні 59, 64, 81

Целюлоза 186, 187, 189, 201

Хімічна кінетика 100, 104 Хімічна фізика 211 Хімія 212, 222

Якісні реакції 72, 74, 75, 134, 177, 182

233

Додатки

Додаток 6

ІМЕННИЙ ПОКАЖЧИК Арреніус, Сванте Август (1856–1927) — шведський фізик, хімік та астрофізик — 30, 46. Авогадро, Амадео (1776–1856) — італійський фізик, хімік — 215. Бантинг, Фредерік Грант (1891–1941) — канадський фізіолог — 195. Бах, Олексій Миколайович (1857–1946) — український хімік і біохімік — 217. Бекетов, Микола Миколайович (1827–1911) — український і російський фізико-хімік — 216. Бертло, П’єр Ежен Марселен (1827–1907) — французький хімік, громадський діяч, педагог — 171–172. Берцеліус, Єнс Якоб (1779–1848) — шведський хімік — 115, 215. Бондар, Алла Григорівна (1921–1981) — український радянський ученийхімік, державний діяч — 217. Браунштейн, Олександр Овсійович (1902–1986) — український і російський біохімік радянських часів — 217. Бунге, Микола Андрійович (1842–1915) — український хімік — 216, 222. Варбург, Отто Генріх (1883–1970) — німецький біохімік, доктор і фізіолог — 191. Велер, Фрідріх (1800–1882) — німецький хімік, за освітою лікар — 115. Вернадський, Володимир Іванович (1863–1945) — філософ українського походження, природознавець, мислитель, засновник геохімії, біогеохімії та радіогеології, космізму — 213, 217. Віндаус, Адольф Отто Рейнгольд (1876–1959) — німецький біохімік і хімікорганік — 191. Гей-Люссак, Жозеф-Луї (1778–1850) — французький хімік і фізик — 136, 137. Глаубер, Йоганн Рудольф (1604–1670) — німецький алхімік, аптекар і лікар — 41. Годжкін, Дороті Кроуфут (1910–1994) — британський біохімік — 195. Голуб, Андрій Матвійович (1918–1977) — український хімік — 219. Горбачевський, Іван (Ян) Якович (1854–1942) — український хімік, біохімік, гігієніст та епідеміолог, термінограф, громадсько-політичний та освітній діяч — 191, 217. Гумбольдт, Александер фон (1769–1859) — німецький природознавецьенциклопедист, мандрівник і географ, основоположник загального земле-знавства — 136. Дальтон, Джон (1766 –1844) — англійський хімік і фізик — 215.

234

Іменний покажчик Деві, Гемфрі (1778 –1829) — британський фізик і хімік — 44. Дільс, Отто Пауль Герман (1876–1954) — німецький хімік-органік — 191. Думанський, Антон Володимирович (1880–1967) — український хімік — 22, 219. Енгельгардт, Володимир Олександрович (1894–1984) — російський радянський біохімік — 217. Зелінський, Микола Дмитрович (1861–1953) — радянський учений українського походження, хімік-органік — 217. Зюсс, Едуард (1831–1914) — австрійський геолог — 213. Каблуков, Іван Олексійович (1857–1942) — радянський фізико-хімік; започаткував фізичну й хімічну теорію розчинів — 46. Кипріанов, Андрій Іванович (1896–1972) — український радянський хімік — 219. Кістяківський, Володимир Олександрович — український учений-хімік — 46, 218. Кюрі (Склодовська-Кюрі), Марія (1867–1934) — французький фізик, хімік, педагог, громадська діячка польського походження — 216. Кюрі, П’єр (1859–1906) — французький фізик— 216. Лавуазьє, Антуан Лоран де (1743–1794) — французький учений, один із засновників сучасної хімії — 215. Лебедєв, Сергій Васильович (1874–1934) — основоположник промислового способу виробництва синтетичного каучуку — 22. Ломоносов, Михайло Васильович (1711–1765) — російський учений-натураліст, геохімік — 215. Маклеод, Джон (1876–1935) — шотландський лікар, фізіолог — 195. Менделєєв, Дмитро Іванович (1834–1907) — російський хімік — 30, 31, 215. Опарін, Олександр Іванович (1894 –1980) — радянський біолог і біохімік — 217. Пилипенко, Анатолій Терентійович (1914–1993) — український хімік-аналітик — 218. Писаржевський, Лев Володимирович (1874–1938) — український радянський учений у галузі фізичної хімії — 218. Полінґ, Лайнус Карл (1901–1994) — американський квантовий хімік і біохімік, також відомий своїми дослідженнями в кристалографії, молекулярній біології та медицині — 192. Прегль, Фріц (1869–1930) — австрійський хімік і лікар словенського походження — 191. Реформатський, Сергій Миколайович (1860–1934) — російський та український радянський хімік-органік — 219.

235

Додатки

Сенгер, Фредерік (1918–2013) — британський біохімік — 195. Фарадей, Майкл (1791–1867) — англійський фізик і хімік — 44. Фішер, Еміль Герман (1852–1919) — німецький хімік — 191. Фуркруа, Антуан Франсуа де (1755–1809) — французький хімік і політичний діяч — 192. Шеврель, Мішель Ежен (1786–1889) — французький хімік — 171–172. Яворський, Володимир Полікарпович (1876–1942) — український хімікорганік — 219. Яцимирський, Костянтин Борисович (1916–2005) — український хімік-неорганік — 219–220.

236

ЗМІСТ Від авторки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Повторення найважливіших питань курсу хімії 8 класу § 1. Основні класи неорганічних сполук . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 2. Властивості основних класів неорганічних сполук . . . . . . . . . . . . § 3. Хімічний зв’язок і будова речовини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4 8 13

Тема 1. Розчини § 4. Поняття про дисперсні системи. Колоїдні й істинні розчини . . . . § 5. Будова молекули води, поняття про водневий зв’язок . . . . . . . . . § 6. Розчин та його компоненти. Розчинення як фізико-хімічний процес . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 7. Розчинність речовин, її залежність від різних чинників. Насичені й ненасичені, концентровані й розведені розчини . . . . § 8. Теплові явища, що супроводжують розчинення речовин. Кристалогідрати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 9. Електролітична дисоціація. Електроліти й неелектроліти . . . . . . § 10.Електролітична дисоціація кислот, основ і солей у водних розчинах . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 11.Ступінь електролітичної дисоціації. Сильні й слабкі електроліти. Поняття про рн розчину . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторні досліди 2, 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 12.Реакції обміну між електролітами в розчинах, умови їх перебігу. Йонно-молекулярні рівняння хімічних реакцій . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Практична робота 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 13. Розв’язування задач за рівняннями реакцій з використанням розчинів із певною масовою часткою розчиненої речовини . . . . . § 14. Виявлення в розчині гідроксид-іонів і йонів Гідрогену. Якісні реакції та їх застосування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 7 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 8 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Практична робота 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Повторюємо й узагальнюємо тему 1 «Розчини» . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17 23 27 33 37 42 47 50 52 56 59 62 62 63 65 67 71 72 73 74 75 77

237

Тема 2. Хімічні реакції § 15. Класифікація хімічних реакцій за кількістю та складом реагентів і продуктів реакцій . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 16. Ступінь окиснення . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 17. Окисно-відновні реакції. Процеси окиснення та відновлення, окисники й відновники . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 18. Екзотермічні й ендотермічні реакції. Термохімічне рівняння . . § 19. Швидкість хімічної реакції, залежність швидкості реакції від різних чинників . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 10 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 20. Оборотні й необоротні реакції . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Практична робота 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Повторюємо й узагальнюємо тему 2 «Хімічні реакції» . . . . . . . . . . . .

81 85 89 95 99 102 104 107 110

Тема 3. Початкові поняття про органічні сполуки § 21. Особливості органічних сполук. Елементи-органогени . . . . . . .

114

Вуглеводні § 22. Метан як представник насичених вуглеводнів . . . . . . . . . . . . . . § 23. Гомологи метану, їхні молекулярні формули та назви. Фізичні властивості гомологів метану . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 24. Етен (етилен) і етин (ацетилен) як представники ненасичених вуглеводнів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 25. Об’ємні відношення газів у хімічних реакціях . . . . . . . . . . . . . . § 26. Поняття про полімери на прикладі поліетилену. Застосування поліетилену . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 27. Поширення вуглеводнів у природі. Природні джерела вуглеводнів . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Узагальнення знань із підтеми «Вуглеводні» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

118 125 130 135 137 142 149

Оксигеновмісні органічні речовини § 28. Поняття про спирти. Метанол, етанол і гліцерол . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 11 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 29. Етанова (оцтова) кислота: фізичні та хімічні властивості, застосування . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Практична робота 4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 30. Вищі карбонові кислоти . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 31. Жири, їх біологічна роль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Узагальнення знань із підтеми «Спирти, кислоти, вищі карбонові кислоти, жири» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

238

154 158 161 165 166 170 176

Вуглеводи § 32.Вуглеводи: глюкоза, сахароза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 12 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 33.Вуглеводи: крохмаль, целюлоза . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 13 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Лабораторний дослід 14 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

179 180 183 184 185

Нітрогеновмісні органічні речовини § 34.Поняття про амінокислоти. Білки як біологічні полімери . . . . . Практична робота 5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 35.Природні й синтетичні органічні сполуки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Узагальнення знань із підтеми «Вуглеводи» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Узагальнення знань із теми «Нітрогеновмісні органічні речовини» . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

189 195 196 200 202

Тема 4. Роль хімії в житті суспільства § 36. Багатоманітність речовин і хімічних реакцій. Взаємозв’язки між речовинами та їх взаємоперетворення . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 37.Місце хімії серед наук про природу, її значення для розуміння наукової картини світу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . § 38. Хімічна наука й виробництво в Україні. Видатні вітчизняні вчені — творці хімічної науки . . . . . . . . . . . . Відповіді до розрахункових задач . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Додатки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Додаток 1. Розчинність кислот, основ, амфотерних гідроксидів і солей у воді . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Додаток 2. Відносні молекулярні маси неорганічних речовин . . . . . . Додаток 3. Відносні молекулярні маси органічних речовин . . . . . . . . Додаток 4. Термінологічний словник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Додаток 5. Предметний покажчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Додаток 6. Іменний покажчик . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

203 209 214 222 223 223 224 225 226 232 234

239