Ge + 4HNO3 (концентр.) = H2GeO3 + 4NO2 + H2O

Sn + 4HNO3 (концентр.) = H2SnO3 + 4NO2 + H2O

3Sn + 8HNO3 (разбавл.) = 3Sn(NO3)2 + 2NO + 4H2O

Pb + 4HNO3 (концентр.) = Pb(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

3Pb + 8HNO3(разбавл.) = 3Pb(NO3)2 + 2NO + 4H2O.

Все три элемента проявляют амфотерные свойства, т. к. наряду с кислотой, способны реагировать и со щелочью:

Pb + 2KOH + 2H2O = K2[Pb(OH)4] + H2

Sn + 2KOH + 2H2O = K2[Sn(OH)4] + H2

Ge + 2 KOH + 2H2O = K2GeO3 + 2H2.

Германий используется, главным образом, в качестве полупроводникового материала. С этой целью, его получают путем восстановления GeO2 водородом:

GeO2 + 2H2 = Ge + 2H2 ,

а затем очищают методом зонной плавки.

Олово и свинец производят карботермическим методом:

MeO2 + C = Me + CO2.

Олово и свинец используются, преимущественно, в виде простых веществ и их сплавов друг с другом, а также с висмутом и мышьяком.

В ряду высших оксидов, GeO2, SnO2 и PbO2, усиливаются окислительные свойства, вследствие чего PbO2 является очень сильным окислителем; в этом качестве он применяется в автомобильных аккумуляторных батареях. Наоборот, восстановительная способность низших оксидов уменьшается в ряду GeO, SnO и PbO. Оксиды и гидроксиды олова и свинца амфотерны..

p - металлы V группы периодической системы

В подгруппе VA, также как в IVA, только два из пяти элементов, сурьма и висмут, являются металлами. Мышьяк проявляет некоторые металлические свойства, а фосфор и азот - типичные неметаллы. Часто, мышьяк, сурьму и висмут называют полуметаллами; при этом у мышьяка преобладают неметаллические свойства а у сурьмы и висмута - металлические. Сравнительные данные о некоторых свойствах p - элементов V группы приведены в Таблице 8.5.

Таблица 8.5. Свойства p - элементов V группы периодической системы

Элемент	N	P	As	Sb	Bi
Валентные электроны	2s22p3	3s23p3	4s24p3	5s25p3	6s26p3
Агрегатное состояние	газ	твердые неметалл	полуметалл	металл	металл
Плотность, г.см-3	-210	44	817	630	271
Энергия ионизации, кДж.моль-1	-196	257	1615	1635	1560
Окислительно - восстановительный потенциал (M/M2+),В	3.1	2.1	2.2	1.8	1.7

Мышьяк, сурьма и висмут

В подгруппе, мышьяк, сурьма и висмут следуют непосредственно за фосфором. Известно, что белый фосфор имеет четырехатомные молекулы P4. Мышьяк и сурьма, подобно фосфору, также имеют молекулярные аллотропные формы, As4 и Sb4, известные как желтый мышьяк и желтая сурьма, соответственно. Кроме того, они имеют аллотропные формы со слоистой кристаллической структурой, подобной красному фосфору, а у сурьмы существует и металлическая форма, термодинамически устойчивая при обычных условиях. Висмут же является типичным металлом, похожим на свинец.

Все три элемента способны образовывать газообразные гидриды, которые являются химическими аналогами аммиака NH3 и фосфина PH3: AsH3, SbH3 и BiH3. Эти гидриды могут быть получены действием HCl на сплавы As, Sb или Bi с активными металлами, например, с Mg. Все эти гидриды неустойчивы и чрезвычайно ядовиты.

В соединениях с кислородом все три элемента проявляют валентность III и V.

Оксиды и гидроксиды мышьяка и сурьмы, как трехвалентных, так и пятивалентных, проявляют амфотерные свойства. Bi2O3 и Bi(OH)3 проявляют только основные свойства. В щелочной среде, Bi(OH)3 может быть окислен в соль несуществующей метависмутовой кислоты HBiO3:

Bi(OH)3 + Br2 + 3NaOH = NaBiO3 + 2NaBr + 3H2O.

Соль NaBiO3 называется висмутатом натрия. Висмутаты - очень сильные окислители.

Мышьяк, сурьма и висмут используются для получения полупроводниковых соединений (GaAs, InSb, Bi2Te3, и др.), а также как компоненты сплавов с низкими температурами плавления.

Пример. Покажите с помощью реакций окислительные свойства висмутата натрия..

Решение. Кислородсодержащие соли проявляют окислительные свойства в кислой среде сильнее чем в нейтральной или щелочной. Для демонстрации сильных окислителных свойств NaBiO3 , следует взять слабый восстановитель. Подходящим восстановителем является хлороводородная кислота HCl, которая, с одной стороны, слабый восстановитель, а с другой стороны, сама создает нужную среду:

NaBiO3 + 6HCl = Cl2 + BiCl3 + NaCl + 3H2O.

Пример. Покажите с помощью реакций амфотерные свойства Sb(OH)3.

Решение. Амфотерность - это способность реагировать по отдельности с кислотой и со щелочью::

Sb(OH)3 + 3HCl = SbCl3 + 3H2O

Sb(OH)3 + NaOH = Na[Sb(OH)4]

Контрольные вопросы

1. Каковы физические и химические свойства р - металлов III группы и их соединений?

2. Каковы физические и химические свойства р - металлов IV группы и их соединений?

3. Каковы физические и химические свойства р - металлов V группы и их соединений?

Лекция № 16. Вода, её химические свойства, состав природной воды. Вода, жесткость воды и виды её устранения

Цель: Изучить сотав и свойства воды. Виды жесткости и её устранение

Литература

1. Ахметова Н.С. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М. 1981 г.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. «Химия», Ленинград, 1987г.

3. Некрасов В.Б. Основы общей химии. Изд. «Химия», М. 1971г

4. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М.1983г

5. Коржуков Н.Г. Неорганическая химия. Москва «МИСИС», 2001г

6. Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия Изд. ТПУ. Томск 2003г.

7. Курнакова Н.С. Современные проблемы общей и неорганической химии. М. «Химия» М., 2004г.

Основное содержание

В пещерах спелеологии встречаются с красивейшими известковыми образованьями - свешивающимися со сводов сталактитами и растущими вверх сталагмитами. С точки зрения химии, возникновение этих удивительных творений природы - это жесткость подземных вод. Понятие жесткости воды мы встречаем не только в спелеологии и в геологии, а, вообще, повсеместно - в химии, техники и даже в быту. И поэтому это понятие очень важно для определения качества воды.

Ввиду широкого распространения кальция и магния в природе, соли их всегда содержатся в природной воде. По содержанию этих солей в воде судят о ее жесткости. При этом различают жесткость временную, постоянную и общую.

Временная жесткость обусловлена присутствием в воде бикарбонатов кальция и магния. Временной она называется потому, что может быть устранена простым кипячением воды: бикарбонаты при этом разрушаются и осаждаются труднорастворимые карбонаты кальция и магния:

Постоянная жесткость воды обусловлена присутствием в ней солей, не дающих осадка при кипячении. К таким солям относится CaSO4, который мало растворим и оседает при испарении большого количества воды в виде плотной накипи на стенках.

Общая жесткость характеризуется суммарным содержанием растворенных солей кальция и магния, независимо от природы аниона. Жесткость выражается суммарным количеством миллимоль ионов кальция и магния, содержащихся в 1л воды. Один миллимоль соответствует содержанию 40,08 мг кальция или 24,30 мг магния.

Определение жесткости воды

Жёсткость воды - свойство воды (не мылиться, давать накипь в паровых котлах), связанное с содержанием растворимых в ней соединений кальция и магния, это параметр, показывающий содержание катионов кальция, магния в воде.

Жесткость - это особые свойства воды, во многом определяющие её потребительские качества и потому имеющие важное хозяйственное значение.

Жесткая вода образует накипь на стенках нагревательных котлов, батареях и прочие, чем существенно ухудшает их теплотехнические характеристики. Такой тонкий слой на греющей поверхности вовсе не безобиден, так как продолжительность нагревания через слой накипи, обладающей малой теплопроводностью, постепенно возрастает, дно прогорает все быстрее и быстрее - ведь металл охлаждается с каждым разом все медленнее и медленнее, долго находится в прогретом состоянии. В конце концов, может случиться так, что дно сосуда не выдержит и даст течь. Этот факт очень опасен в промышленности, где существуют паровые котлы Жесткая вода мало пригодна для стирки. Накипь на нагревателях стиральных машин выводит их из строя, она ухудшает еще и моющие свойства мыла. Катионы Ca2+ и Mg2+ реагируют с жирными кислотами мыла, образуя малорастворимые соли, которые создают пленки и осадки, в итоге снижая качество стирки и повышая расход моющего средства, т.е. жесткая вода плохо мылится.

В разных странах существуют свои нормы жесткости для воды. У нас в стране вода классифицируется по жесткости таким образом:

Мягкая вода с жесткостью менее 3,0 мг-экв/л,

Средней жесткости - 3,0-6,0 мг-экв/л

Жесткая - более 6,0 мг-экв/мл.

Методы устранения жесткости.

Чтобы избавиться от временной жесткости необходимо просто вскипятить воду. При кипячении воды, гидрокарбонатные анионы вступают в реакцию с катионами и образуют с ними очень мало растворимые карбонатные соли, которые выпадают в осадок.

Ca2 + 2HCO3- = CaCO3 + H2O + CO2-

С ионами железа реакция протекает сложнее из-за того, что FeCO3 неустойчивое в воде вещество. В присутствии кислорода конечным продуктом цепочки реакций оказывается Fe(OH)3, представляющий собой темно-рыжий осадок. Поэтому, чем больше в воде железа, тем сильнее окраска у накипи, которая осаждается на стенках и дне сосуда при кипячении.

С постоянной жесткостью бороться труднее. Один из вариантов:

вымораживание льда. Необходимо просто постепенно замораживать воду. Когда останется примерно 10 % жидкости от первоначального количества, необходимо слить не замершую воду, а лед превратить обратно в воду. Все соли, которые образую жесткость, остаются в не замершей воде.

Еще один способ - перегонка, то есть, испарение воды с последующие ее конденсацией. Так как соли относятся к нелетучим соединениям, они остаются, а вода испаряется.

Но такие методы, как замораживание и перегонка пригодны только для смягчения небольшого количества воды. Промышленность же имеет дело с тоннами. Поэтому используют другие методы. Наиболее широко используется катионообменный способ, основанный на применении специальных реагентов -катионитов, которые загружаются в фильтры и при пропускании через них воды, заменяют катионы кальция и магния на катион натрия.

С последствием жесткости воды - накипью, с точки зрения химии можно бороться очень просто. Нужно на соль слабой кислоты воздействовать кислотой более сильной. Последняя и занимает место угольной, которая, будучи неустойчивой, разлагается на воду и углекислый газ. В состав накипи могут входить и силикаты, и сульфаты, и фосфаты. Но если разрушить карбонатный “скелет”, то и эти соединения не удержатся на поверхности.

В качестве средства для удаления накипи применяются также адипиновая кислота и малеиновый ангидрид, которые добавляются в воду. Эти вещества слабее сульфаминовой кислоты, поэтому для снятия накипи необходимо так же кипячение.

Контрольные вопросы

1. Каковы физико - химические свойства воды?

2. Напишите реакции взаимодействия воды с металлами, неметаллами и солями?

3. Что такое жесткость воды и её виды?

4. Определение жесткости воды.

5. Методы устранения жесткости воды

Лекция -17. Классификация органических веществ, изомерия. Строение Бутлерова. Предельные и непредельные углеводороды

Цель: Изучение органических соединений

Литература

1. Ахметова Н.С. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М. 1981 г.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. «Химия», Ленинград, 1987г.

3. Некрасов В.Б. Основы общей химии. Изд. «Химия», М. 1971г

4. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М.1983г

5. Коржуков Н.Г. Неорганическая химия. Москва «МИСИС», 2001г

6. Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия Изд. ТПУ. Томск 2003г.

7. Курнакова Н.С. Современные проблемы общей и неорганической химии. М. «Химия» М., 2004г.

Основное содержание

Углеводороды - это органические соединения, состоящие из двух элементов - углерода и водорода. Таких соединений очень много.

Алканы - название предельных углеводородов по международной номенклатуре. Парафины - исторически сохранившееся название предельных углеводородов ( лат parrum affinis - малоактивный). По сравнению с другими углеводородами они относительно менее активны.

Нам уже известно строение молекул углеводородов метана СН4, пропана С3Н8, бутана С4Н10. В молекулах этих соединений все валентные связи углерода и водорода полностью насыщены.

Углеводороды с общей формулой СnH2n+2, которые не присоединяют водород и другие элементы, называются предельными углеводородами, или алканами (парафинами).

В общей формуле буква n - целое число, показывающее, сколько атомов углерода содержится в молекуле данного углеводорода. Так, например, в молекуле углеводорода декана содержится 10 атомов углерода. Его молекулярная формула С10Н2*10+2, т.е. С10Н22.

Простейшим представителем предельных углеводородов является метан.

Строение молекулы метана. Молекулярная формула метана СН4 . Так как атом углерода имеет большую электроотрицательность (2,5), чем водород (2,1) то в молекуле метана происходит незначительное смещение общих электронных пар в сторону атома углерода. Однако такая формула не отражает пространственного строения молекулы. Чтобы это показать, необходимо вспомнить о формах электронных облаков и размещении электронов по энергетическим уровням и подуровням.

Гомологический ряд метана. Существует много углеводородов, сходных с метаном, т.е. гомологов метана (греч. «гомолог» - сходный). В их молекулах имеются два, три, четыре и более атомов углерода. Каждый последующий углеводород отличается от предыдущего группой атомов СН2. Например, если мысленно к молекуле метана СН4 добавить группу СН2 (группу СН2 называют гомологической разностью) , то получается следующий углеводород ряда метана - этан С2Н6 и т.д.

Электронное и пространственное строение предельных углеводородов. Электронное и пространственное строение других представителей предельных углеводородов сходно со строением молекулы метана.

В молекуле этана С2Н6 химическая связь образуется между двумя атомами углерода перекрыванием двух гибридных электронных облаков.

Так как гибридные электронные облака атомов углерода направлены к вершинам тетраэдра, то при образовании молекулы пропана С3Н8 направление химической связи между вторым и третьим атомами углерода не может совпадать с направлением связи между первым и вторым томами углерода. Образуется угол 109028,. Такие же углы существуют между четвертым, пятым и другими томами углерода. Углеродная цепь поэтому принимает зигзагообразную форму, но при изображении формул эти углы не показывают (СН3-СН2-СН3 и т.д.).

Изомерия и номенклатура. Так как углеводородов очень много, то для них международным союзом теоретической и прикладной химии принята специальная номенклатура - ИЮПАК. Она была уточнена в 1979г. Чтобы пользоваться ею, необходимо более подробно ознакомиться с понятием «радикал» и явлением изомерии.

Если мысленно вычесть из формул предельных углеводородов по одному атому водорода, то получаются группы атомов, которые называются радикалами. Названия радикалов образуются от названий соответствующих углеводородов путем изменения суффикса -ан на -ил, например: метил СН3 -, этил СН3-СН2 -, пропил СН3-СН2-СН2-, бутил СН3-СН2-СН2- СН2- и т.д.

С возрастанием числа атомов углерода в молекуле число изомеров резко увеличивается. Так, например, у бутана их 2, у пентана - 3, у гексана - 5, а у декана С10Н22 - уже 75. Для составлений названий предельных углеводородов с разветвленной цепью принимают, что во всех молекулах атомы водорода замещены различными радикалами. Для определения названий данного углеводорода придерживаются определенного порядка:

1. Выбирают в формуле более длинную углеродную цепь и символы атомов углерода в ней нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе разветвление:

1 2 3 4 5 3 4 5

а) СН3-СН2-СН2- СН2-СН3 б) СН3-СН-СН2- СН3

| 2 |

СН3 СН2

1 |

СН3

2. Называют радикалы (начиная с простейшего) и при помощи цифр указывают их место у нумерованных атомов углерода. Если у одного и того же атома углерода находятся два одинаковых радикала, тогда номер повторяют дважды. Число одинаковых радикалов указывают при помощи чисел на греческом языке ( «ди» - два, «три» - три, «тетра» - четыре и т.д.)

а) 2-метил…. б) 3-метил

3. Полное название данному углеводороду дают по числу атомов углерода в нумерованной цепи:

а) 2-метилпентан б) 3-метилпентан

Нахождение в природе. Простейший представитель предельных углеводородов - метан - образуется в природе в результате разложения остатков растительных и животных организмов без доступа воздуха. Этим объясняется появление пузырьков газа в заболоченных водоемах. Иногда метан выделяется из каменноугольных пластов и накапливается в шахтах. Метан составляет основную массу природного газа (80-97%). Он содержится и в газах, выделяющихся при добыче нефти. В состав природного газа и нефтяных газов входят также этан С2Н6 , пропан С3Н8 , бутан С4Н10 и некоторые другие. Газообразные, жидкие и твердые предельные углеводороды содержатся в нефти.

Получение. В лаборатории метан получают при нагревании ацетата натрия СН3СООNa с твердым гидроксидом натрия

СН3СООNa + NaОН > СН4| + Na2СО3

Этан и другие предельные углеводороды с более длинной углеродной цепью можно получить при взаимодействии однородных галогенопроизводных предельных углеводородов с металлическим натрием:

СН3- I Na

| + > СН3 - СН3 + 2NaI

СН3- I Na

иодметан этан

Первым эту реакцию в 1855г. осуществил французский химик А. Вюрц (реакция Вюрца).

Физические свойства. Метан - газ без цвета и запаха, почти в 2 раза легче воздуха, мало растворим в воде. Этан, пропан, бутан при нормальных условиях - газы, от пентана до пентадекана - жидкости, а следующие гомологи - твердые вещества. Пропан и бутан под давлением могут находиться в жидком состоянии и при обыкновенной температуре.

С увеличением относительных молекулярных масс предельных углеводородов закономерно повышаются их температуры кипения и плавления.

Химические свойства. 1. Наиболее предельными реакциями предельных углеводородов являются реакции замещения. Так, например, при освещении метан реагирует с хлором (при сильном освещении может произойти взрыв):

H H

| t |

Н - С - [Н + Cl] - Cl > H - C - Cl + HCl

| |

H H

Хлорметан, или хлористый метил

Фактически реакции предельных углеводородов с галогенами происходят более сложно. Нам уже известно, что при поглощении световой энергии молекулы хлора распадаются на атомы.

Атомы хлора с одним не спаренным электроном химически очень активны. При их столкновении с молекулой метана происходит реакция, в результате которой образуется свободный химически очень активный радикал метил.

Активность радикала метила тоже объясняется наличием не спаренного электрона (неиспользованной валентности).

Частицы, имеющие не спаренные электроны обладающие в связи с этим неиспользованными валентностями, называются свободными радикалами.

Из вышесказанного следует, что реакция метана с хлором протекает по свободнорадикальному механизму. Радикал метил (который существует лишь несколько тысячных долей секунды) реагирует с молекулой хлора, разрывает связи между атомами и отщепляет свободные атомы хлора с не распаренными электронами. Таким образом рождаются новые химически активные частицы, которые вызывают дальнейшие превращения. Примером является взаимодействие хлора с водородом.

Реакции, в результате которых происходит цепь последовательных превращений называются цепными реакциями.

Аналогично реагируют с хлором этан, пропан и другие предельные углеводороды. Образовавшиеся вещества называются галогенопроизводными. Многие из них используются в качестве растворителей. Так как предельные углеводороды реагируют с галогенами только при повышенной температуре или под воздействием света, бромную воду при обычной температуре они не обесцвечивают. Все придельные углеводороды горят с образованием оксида углерода (IV) и воды. Метан горит бесцветным пламенем, с выделением теплоты:

СН4 + 2О2= СО2 + 2Н2О +880 кДж

Смесь метана с кислородом (в объемном отношении 1:2) или с воздухом (1:10) при поджигании сгорает со взрывом. Взрыв может происходить и при других объемных отношениях смеси предельных углеводородов с воздухом. Поэтому смеси метана, этана, пропана и бутана с воздухом очень опасны. Они иногда могут образовываться в каменноугольных шахтах, заводских котельных, в мастерских и жилых помещениях.

При сильном нагревании (выше 10000С) без доступа воздуха предельные углеводороды разлагаются:

t>10000С

СН4 -------> С + 2Н2

Если метан нагреть до более высокой температуры (15000С), то реакция происходит так:

15000С _______

2СН4 -------> С2Н2 + 3Н2

ацетилен

Эта реакция дегидрирования (отщепления водорода) имеет большое промышленное значение (производство каучука, пластмасс и др.), так же как и дегидрирование других предельных углеводородов, в том числе этана С2Н6: 5000С

Н3С - СН3 -----> Н2С = СН2 + Н2

этан этилен

Этилен широко используют в производстве спирта, синтетических каучуков и других веществ.

4. Углеводороды нормального строения под влиянием катализаторов и при нагревании подвергаются реакциям изомеризации и превращаются в углеводороды разветвленного строения:

t, AlCl3

СН3-СН2-СН2СН2-СН3 -----> СН3-СН-СН2-СН3

|

СН3

2-метилбутан

Взаимное влияние атомов в молекулах галогенопроизводных углеводородов. Самое характерное химическое свойство предельных углеводородов - реакция замещения. Примером такой реакции являются взаимодействие предельных углеводородов с галогенами. Мы подробно рассмотрели реакцию метана с хлором. Аналогично с галогенами реагируют и другие предельные углеводороды:

СН3-СН3 + Cl2 > CH3-CH2-Cl + CHCl

этан этилхлорид

Галогенопроизводные углеводороды обладают некоторыми особенностями. Согласно теории А.М. Бутлерова, это объясняется взаимным влиянием атомов и атомных групп в химических соединениях. С точки зрения современных представлений об электронных облаках и их взаимном перекрывании с учетом электроотрицательности химических элементов взаимное влияние атомов и атомных групп, например, в метилхлориде объясняется так. У атомов хлора электроотрицательность больше, чем у атомов углерода. Поэтому электронная плотность связи (область перекрывания электронных облаков) смещена от атома углерода в сторону атома хлора. Вследствие этого атом хлора приобретает частично отрицательный заряд, а атом углерода частично положительный заряд.

Приобретенные частичные заряды обозначаются д+ д-.

д+ д-.

СН3 > Cl

Влияние атома хлора распространяется не только на атом углерода, но и на атом водорода. Из-за этого электронная плотность от атомов водорода смещается в сторону атомов углерода и химические связи между атомами водорода и углерода становятся более полярными. В результате атомы водорода в молекуле метилхлорида оказываются менее прочно связанными с атомом углерода и легче замещаются на хлор, чем первый атом водорода в молекуле метана. Из-за смещения электронных плотностей от атома водорода к атому углерода значение положительного заряда последнего уменьшается. Поэтому ковалентная связь между атомами углерода и хлора становится менее полярной и более прочной.

Применение метана очень разнообразно. В виде природного газа метан широко используется в качестве топлива. Метан является исходным продуктом для получения метанола, уксусной кислоты, интетических каучуков, синтетического бензина и многих других ценных продуктов. Для синтеза многих упомянутых продуктов в промышленности используется так называемый синтез- газ, который получают из метана. Обычно объемный (молярный) состав этого газа соответствует смеси, состоящей из одного объема окиси углерода (II) и двух объемов водорода (СО+2Н2) синтез-газ можно получить: 1) в газогенераторах и 2) из метана.

Для получения синтез-газа из метана обычно используются два процесса, протекающие при 800-9000С и в присутствии катализаторов (Ni, MgO или Al2O3 ):

t, катализатор

а) СН4 + Н2О ---------> СО + 3Н2

t, катализатор

б) СН4 + СО2 ---------> 2СО + 2Н2

На производстве часто одновременно проводятся обе реакции. Большое практическое значение имеют и хлорпроизводные метана. Например, хлорметан СН3Cl - газ, который легко сжигается и при последующем испарении поглощает большое количество теплоты. Поэтому он применяется в холодильных установках. Дихлорметан СН2Cl2, трихлорметан (хлороформ) СНCl3 и тетрахлорметан (тетрахлорид углерода) СCl4- жидкости, которые используются в качестве растворителей.

Средние члены гомологического ряда (С7-С17) применяются как растворители и моторное топливо. Высшие алканы - для производства высших жирных кислот, синтетических жиров, смазочных масел и др.

Этилен. Гомологи этилена.

Углеводороды ряда этилена по международной номенклатуре называют алкенами.

Химическая формула и строение молекул этилена. Элементный анализ этилена показывает, что в его состав входят примерно 87,5% углерода и 14,3% водорода. Плотность этилена по отношению к водороду равна 14. По этим данным можно найти молекулярную формулу этилена:

С:Н = _85,7_ : _14,3_ = 7,14 : 14,3 = 1 : 2

1

Следовательно, простейшая формула этилена СН2. Молярная масса, соответствующая этой формуле, следующая:

М = 12+2=14; М=14 г/моль

На основе закона Авогадро находим истинную молярную массу этилена:

М = 2D (H2) = 2•14=28; М=28 г/моль

Отсюда следует, что простейшую формулу нужно удваивать. Поэтому молекулярная формула этилена С2Н4.

Если между двумя взаимно связанными атомами углерода разместить четыре атома водорода, то структурную формулу этилена следовало бы изобразить так:

H H

| |

Н-С-С-Н

| |

Однако, свободных связей в молекуле не должно быть, поэтому в структурной формуле и сокращенной структурной формулы этилена изображают двойную связь:

H H

| |

Н-С=С-Н

Следовательно, в отличие от предельных углеводородов в молекулах которых между атомами углерода имеется одинарная связь, в молекулах углеводородов ряда этилена между атомами углерода имеется дна двойная связь. Поэтому углеводородам ряда этилена можно дать следующие определение:

Углеводороды с общей формулой СnH2n , в молекулах которых между атомами углерода имеется одна двойная связь, называются углеводородами ряда этилена или алкенами.

Экспериментально доказано, что в молекулах этилена и других углеводородов этого ряда одна из двойной связи относительно легко разрывается, а вторая является более прочной. Так, например, если пропустить этилен через бромную воду, то происходит обесцвечивание в результате присоединения атомов брома:

Н2С=СН2 + Br2 > BrН2С-СН2Br

1,2-дибромэтан

Почему в молекуле этилена одна из двойной связи между атомами углерода является менее прочной? Ответить на этот вопрос можно, основываясь на современных представлениях о р- и д- связях. Следует также вспомнить, что в атоме углерода в результате распаривания 2S-электронов на наружном энергетическом уровне имеются как S, так и Р -электроны, облака которых могут подвергаться гибридизации.

В молекуле этилена подвергаются гибридизации одно S- и два Р - электронных облаков атомов углерода (SP2-гибридизация). Таким образом каждый атом углерода имеет по три (всего шесть) гибридных электронных облака и по одному (всего два) негибридному облаку. Два из гибридных облаков атомов углерода взаимно перекрываются и образуют между атомами углерода д- связь. Остальные четыре гибридных электронных облака атома углерода перекрываются в той же плоскости с четырьмя S - электронными облаками атомов водорода и также образуют четыре д- связи. Не гибридные 2Р- облака атомов углерода взаимно перекрываются в плоскости, которая расположена перпендикулярно плоскости д- связей, т.е. образуется одна р-связь. Следовательно в молекуле этилена между атомами углерода имеется одна д- и одна р-связь. В углеродных соединениях р-связь значительно слабее, чем д-связь. Под воздействием реагентов р-связь легко разрывается.

Легко понять, что в молекулах предельных углеводородов атомы углерода могут свободно вращаться вокруг д-связи. Если же между атомами углерода существует не только д-связь, но и р-связь, то такое вращение без разрыва последней не возможно.

Изомерия и номенклатура. Формулы углеводородов ряда этилена можно вывести из соответствующих формул предельных углеводородов.

Название углеводородов ряда этилена образуют путем изменения суффикса - ан соответствующего предельного углеводорода на -ен или илен:

-2Н

СН3-CH3> СН2=СН2

этилен, или этен

-2Н

СН3-CH2-CH3> СН2=СН-СН3

пропан пропилен, или пропен

Углеводородов ряда этилена изомерия проявляется не только в строении углеродного скелета, как у предельных углеводородов, но и в положении двойной связи в молекуле. Так, например, от формулы нормального бутана можно вывести формулы двух непредельных изомеров. Чтоб их назвать, атомы углерода нумеруют, начиная с того конца цепи, к которому ближе двойная связь. Положение двойной связи обозначают в начале названия номером того углеродного атома, от которого она начинается:

-2Н 1 2 3 4

> СН2=СН-СН2-СН3

1-бутен

СН3-CH2-CH2-СН3 -2Н 1 2 3 4

> СН3-CH=СН-СН3

2-бутен

От формулы 2-метилпропана (изобутана) можно вывести формулу одного непредельного изомера:

-2Н

СН3-CH-СН3 > СН2=С-СН3

| |

СН2 СН3

У этиловых углеводородов возможна также пространственная изомерия. Так, например, из-за двойной связи в молекулах 2-бутена группы

Н

/

=С

\

СН3

Не может свободно вращаться вокруг своей оси. Поэтому метильные группы в пространстве могут располагаться в двух разных положениях. Если замещающие группы в молекуле изомера находятся по одну сторону двоной связи, то его называют цис-изомером, а если по разные -транс-изомером.

В отличие от известных нам видов изомерии (изомерия углеродного скелета и положения двойной связи) в том случае наблюдается различное размещение в пространстве атомов или атомных групп. Такой вид змерии называется пространственной или стереоизомерией. Она возможна у непредельных углеводородов, в составе которых есть разные атомы или группы атомов. Поэтому у этилена нет пространственной изомерии.

Получение.

Этилен в лаборатории получают при нагревании смеси этилового спирта кс концентрированной серной кислотой:

t>140 C, H2SO4 (к)

С2Н5ОН --------------> Н2С=СН2 + НОН

Углеводороды ряда этилена можно получить также дегидрированием предельных углеводородов:

550-650 С, катализатор

2СН4 ----------------> С2Н4 + 2Н2

метан этилен

На производстве этилен получают из природного газа и при процессах крекинга и пиролиза нефти.

Углеводороды ряда этилена можно получить при взаимодействии дигалогенопроизводных предельных углеводородов с металлами:

СН2Br-CHBr-СН3 + Zn > Н2С=СН-СН3 + ZnBr2

1,2-дибромпропан пропилен

При действии спиртовых растворов щелочей на галогенопроизводные отщепляется галогеноводород и образуется углеводород с двойной связью.

Физические свойства. Этилен - бесцветный газ, почти без запаха, немного легче воздуха, плохо растворим в воде.

Химические свойства. Химические свойства этилена и его гомологов в основном определяются наличием в их молекулах двойной связи. Для них характерны реакции присоединения, окисления, полимеризации.

Реакции присоединения.

1.Этилен его гомологи взаимодействуют с галогенами. Так, например, обесцвечивают бромную воду:

Н2С=СН2 + Br2 > СН2Br-CH2Br

1,2-дибромэтан

2. Аналогично происходит присоединение водорода (гидрирование этилена и его гомологов):

t, катализатор

Н2С=СН2 + H2 ------------> Н3С-CH3

этилен этан

3. В присутствии серной или ортофосфорной кислоты и других катализаторов этилен присоединяет воду (реакция гидратизации):

t, p, катализатор

Н2С=СН2 + HОН ------------> СН3-CH2-ОН

этилен этиловый спирт

Этой реакцией пользуются для получения этилового спирта в промышленности.

4.Этилен и его гомологи присоединяют также галогеноводороды:

Н2С=СН2 + HBr > СН3-CH2Br

этилбромид

Н2С=СН2 + HCl > СН3-CH2Cl

этилхлорид

Этилхлорид применяют для местной анестезии.

Пропилен и последующие углеводороды ряда этилена реагируют с галогеноводородами согласно правилу В.В. Марковникова.

Водород присоединяется к наиболее, а атом галогена - к наименее гидрированному атому углерода:

СН2=СН-СН3 + HBr > СН3-CHBr-СН3

пропилен 2-бромпрапан

Многие химические реакции, в которых участвуют органические вещества, протекают либо по свободно радикальному, либо по иному механизму. Во всех этих реакциях происходит разрыв одних связей и образование новых. Разрыв связей в общем виде можно изобразить так:

А : В > А* + В* (свободнорадикальный механизм)

А : В > А+ + В- (ионный механизм)

Реакции окисления.

Этилен и его гомологи способны гореть в воздухе:

С2Н4 + 3О2 > 2СО2 + 2Н2О

С воздухом этилен и его гомологи образуют взрывчатые смеси.

2. Этилен и его гомологи легко окисляются, например, кислородом перманганата калия; при этом раствор последнего обесцвечивается, что упрощенно можно показать так:

KMnO4

СН2=СН2+О2+Н2О------------> НО-СН2-СН2-ОН

Этиленгликоль

Этиленгликоль широко применяется для производства малозамерзающих жидкостей антифризов, а также синтетического волокна лавсана, взрывчатых веществ.

Большое промышленное значение имеет частичное окисление этилена кислородом воздуха:

150-350 С, катализатор

2СН2=СН2+О2-----------------> 2СН2-СН2

\ /

О

Оксид этилена используют для синтеза различных органических веществ, для производства уксусного альдегида, синтетических моющих средств, лаков, пластмасс.

Реакции полимеризации. При повышенной температуре, давлении ив присутствии катализаторов молекулы этилена соединяются друг с другом вследствие разрыва двойной связи. В упрощенном виде эту реакцию можно отразить так:

катализатор

nСН2=СН2----------->( -СН2-СН2-)n

Полиэтилен (политен) - соединение с массой, выражаемой десятками и сотнями тысяч атомных единиц массы.

Процесс соединения многих одинаковых молекул в более крупные называется реакцией полимеризации.

Контрольные вопросы

1. Назовите десять предельных и непредельных углеводородах.

2. Как получают предельные и непредельные углеводороды.

3. Каковы их физико - химические свойства

4. Напишите структурные формулы предельных и непредельные углеводородах.

Лекция -18. Химия полимеров, способы получения полимеров. Химические свойства

Цель: Дать знания студентам о синтетических высокомолекулярных веществах и полимерах.

Литература

1. Ахметова Н.С. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М. 1981 г.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. «Химия», Ленинград, 1987г.

3. Некрасов В.Б. Основы общей химии. Изд. «Химия», М. 1971г

4. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М.1983г

5. Коржуков Н.Г. Неорганическая химия. Москва «МИСИС», 2001г

6. Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия Изд. ТПУ. Томск 2003г.

7. Курнакова Н.С. Современные проблемы общей и неорганической химии. М. «Химия» М., 2004г.

Основное содержание

Понятие о высокомолекулярных соединениях.

Полимеры, получаемые в реакциях полимеризации. Строение молекул.

Вы уже ознакомились с реакцией полимеризации этилена. Она характерна для многих органических веществ, в молекулах которых имеются двойные или тройные связи, например:

nСН2=СН > ( -СН2-СН-)n

| |

СН3 СН3

пропилен полипропилен

В результате таких реакций образуются высокомолекулярные соединения, которые называются полимерами (греч. «полив» - много, «мерос» -часть). Вещества из которых получают полимеры, называют мономерами, а молекулы полимеров - макромолекулами ( греч «макрос» - большой, длинный).

Буква n показывает сколько молекул мономера взаимно соединилось в процессе полимеризации; её называют степенью полимеризации, а многократно повторяющиеся в макромолекуле группы атомов - структурными звеньями, например, структурные звенья полиэтилена и полипропилена такие:

-СН2-СН2- и -СН2-СН-

|

СН3

Характерно, что степень полимеризации не является величиной постоянной. Так, при полимеризации этилена могут образовываться макромолекулы, у которых число n колеблется от 300 до 100000 тысяч. Поэтому обычно указываемая для данного полимера относительная молекулярная масса, является его средней молекулярной массой.

Рассмотрим два представителя полимеров - полиэтилен и полипропилен. Они относятся к так называемым линейным полимерам, хотя фактически имеют зигзагообразное строение. Их молекулы сильно изогнуты в различных направлениях, иногда даже свернуты в клубки.

В процессе полимеризации, например, пропилена, может образоваться полимер со стереонерегулярной структурой:

Н СН3 Н Н Н СН3 Н Н

| | | | | | | |

- C - C - C - C - C - C - C - C -

| | | | | | | |

Н Н Н СН3 Н Н Н СН3

Стереонерегулярной эта структура называется потому, что радикалы - СН3 в ней размещены хаотически - по одну и другую сторону цепи. Обычно в процессе полимеризации образуются полимеры со стереонерегулярной структурой.

Ученые установили, что качество полимеров значительно улучшается, если образовавшийся полимер имеет стереорегулярную структуру. Но для получения таких полимеров требовалось изыскать особые условия (специфические катализаторы, оптимальные температура и давление). Таким путем удалось, например, полипропилен со стереорегулярной структурой. Для полипропилена стереорегулярность характеризована двумя вариантами строения углеродной цепи в макромолекуле. В одном случае метильные радикалы расположены только по одну сторону углеродной цепи:

Н СН3 Н CН3 Н СН3 Н CН3

| | | | | | | |

- C - C - C - C - C - C - C - C -

| | | | | | | |

Н Н Н Н Н Н Н H

В другом случае метильные радикалы расположены по обе стороны углеродной цепи, но строго регулярно:

Н СН3 Н Н Н Н Н Н

| | | | | | | |

- C - C - C - C - C - C - C - C -

| | | | | | | |

Н Н Н CН3 Н CН3 Н CН3

Этот пример еще раз подтверждает тезис А.Б. Бутлерова о том, что свойство веществ, в том числе и полимеров, зависят от их строения.

Получение. Ещё недавно полиэтилен (-СН2-СН2-)n получали под высоким давлением при повышенной температуре. Реализация такого производственного процесса была весьма сложной, последнее время полимеризацию проводят при атмосферном давлении в комнатной температуре в присутствии триэтилалюминия и хлорида титана (IV).

Физические свойства. Полиэтилен значительно легче воды, его плотность примерно 0,92 г/см3. Он эластичен, в тонком слое бесцветный, прозрачный, на ощупь несколько жирный, напоминающий парафин. Если кусочек полиэтилена нагреть, то уже при температуре 110 0С, он становится мягким и легко изменяет форму. При охлаждении полиэтилен затвердевает и сохраняет приданную ему форму.

Свойства тел изменять форму в нагретом состоянии и сохранять её после охлаждения называют термопластичностью.

Химические свойства. Полиэтилен и полипропилен обладают свойствами предельных углеводородов. При обычных условиях эти полимеры не реагируют ни с серной кислотой, ни со щелочами. Концентрированная (дымящая) азотная кислота разрушает полиэтилен, особенно при нагревании. Они не обесцвечивают бромную воду и раствор перманганата калия даже при нагревании.

Применение. Полиэтилен и полипропилен химически устойчивы, механически прочны, поэтому их широко применяют при изготовлении оборудования в различных отраслях промышленности (аппараты, трубы, сосуды). Они обладают высокими электроизоляционными свойствами. Полиэтилен и полипропилен в тонком слое хорошо пропускают ультрафиолетовые лучи. Пленки из этих материалов используются вместо стекла в парниках и теплицах. Их применяют также для упаковки разных продуктов.

Полимеры, получаемые в реакциях поликонденсации. Строение молекул. С реакциями поликонденсации мы уже ознакомились при изучении свойств полисахаридов, аминокислот. Теперь рассмотрим, как при реакции поликонденсации образуются фенолформальдегидные смолы. Нам уже известно, что в молекуле фенола в положениях 2,4 и 6 атомы водорода весьма подвижны, а для альдегидов характерны реакции присоединения, обусловленные наличием в них р - связи.

При повышенной температуре и давлении между разветвленными молекулами полимера происходит химическое взаимодействие и образуется полимер с пространственной структурой. Такой материал теряет термопластичность и становится более прочным.

Полимеры, которые при повышенной температуре не размягчаются и не плавятся в отличие от термопластичных полимеров, называются термореактивными.

Применение. Из фенолформальдегидного полимера (смолы), добавляя различные наполнители (древесная мука, хлопчатобумажная ткань, различные красители и т.д.), получают фенолформальдегидные пластмассы, которые сокращенно называют фенопластами.

Синтетические каучуки

Получение. В настоящее время для получения синтетических каучуков в основном используются углеводороды, содержащиеся в нефтяных газах и продуктах переработки нефти.

Производство бутадиенового каучука основывается на полимеризации 1,3 - бутадиена в присутствии катализатора:

СН2=СН-СН=СН2+СН2=СН-СН=СН2+…>

| | | |

>-СН2-СН-СН-СН2-+- СН2-СН-СН-СН2-+…>

>(-СН2-СН=СН-СН2-)n,

где n может достигать нескольких тысяч.

Однако, оказалось СН2- в звеньях макромолекул в отличие от природного каучука расположены по разные стороны двойной связи, т.е. находятся в транс-положении:

Н СН2 -

\ /

C=C

/ \

- СН2 Н

В последствии на основе изучения пространственного строения природного каучука ученым удалось решить проблему синтеза дивинилового и изопренового каучуков стереорегулярного строения.

Уравнение реакции образования синтетического изопренового каучука аналогично уравнению реакции, аналогично уравнению реакции образования природного каучука.

Некоторые синтетические каучуки получают из различных мономеров в результате их совместной полимеризации, называемой сополимеризацией. Так, например, при сополимеризации 1,3-бутадиена со стиролом синтезируют бутадиен стирольный каучук:

Процесс вулканизации синтетических каучуков аналогичен процессу вулканизации природного каучука.

Синтетические волокна.

Из жизненного опыта вам известны природные волокна (льняные, шерстяные, хлопковые, шелковые). При изучении химических свойств целлюлозы вы ознакомились с представителем искусственных волокон - ацетилцеллюлозой (ацетатным шелком).

Капрон относится к полиамидным волокнам. Для его производства используются некоторые аминокислоты, например, капролоктан. Его можно рассматривать как продукт внутримолекулярного взаимодействия карбоксильной группы и аминогруппы - 6 аминогексановой кислоты:

Капроновые ткани устойчивы к истиранию и не мнутся при деформации. Однако они разрушаются кислота и не выдерживают высоких температур, поэтому их нельзя гладить горячим утюгом.

Из капрона делают кордную ткань, которая служит каркасом для авто и авиапокрышек, шины с кордом из капрона более высокоустойчивы, чем шины с вискозом и хлопчатобумажным кордом.

Капроновая смола используется для получения пластмасс из них изготавливают различные детали машин шестерни, вкладыши для подшипников и т.д. Предметы из капроновых пластмасс обладают большой прочностью и износоустойчивостью.

Лавсан - полиэфирное волокно. По составу лавсан - сложный эфир терефталевой кислоты и этиленгликоля. С этиленгликолем вы уже знакомы - это двухатомный спирт НО- СН2-СН2-ОН. Чтобы понять, что такое терефталевая кислота, вспомним процесс окисления толуола, в результате которого образуется бензойная кислота. Сходным образом окисляется n-ксилол с образованием терефталевой кислоты.

Волокно лавсан добавляют к шерсти для изготовления не мнущихся высококачественной ткани и трикотаж. Его применяют также для производства транспортных лент, ремней парусов, занавесей и т.д.

Контрольные вопросы

1.Какие вещества относятся к полимерам?

2.Каким способом получают полимеры?

3.Назовите физические и химические свойства полиэтилена и полипропилена?

4.Расскажите как получают синтетические каучики?

5. Расскажите что вы знаете о синтетических волокнах?

Лекция №19. Химия и охрана окружающей среды

Цель: Изучить загрязнение атмосферы земли и глобальные экологические проблемы

Литература

1. Ахметова Н.С. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М. 1981 г.

2. Глинка Н.Л. Общая химия. Изд. «Химия», Ленинград, 1987г.

3. Некрасов В.Б. Основы общей химии. Изд. «Химия», М. 1971г

4. Карапетьянц М.Х., Дракин С.И. Общая и неорганическая химия. Изд. «Химия», М.1983г

5. Коржуков Н.Г. Неорганическая химия. Москва «МИСИС», 2001г

6. Савельев Г.Г., Смолова Л.М. Общая химия Изд. ТПУ. Томск 2003г.

7. Курнакова Н.С. Современные проблемы общей и неорганической химии. М. «Химия» М., 2004г.

Основное содержание

Происхождение атмосферы Земли. Атмосфера начала образовываться вместе с формированием Земли. В процессе эволюции планеты и по мере приближения ее параметров к современным значениям произошли принципиально качественные изменения ее химического состава и физических свойств. Согласно эволюционной модели, на раннем этапе Земля находилась в расплавленном состоянии и около 4,5 млрд. лет назад сформировалась как твердое тело. Этот рубеж принимается за начало геологического летоисчисления. С этого времени началась медленная эволюция атмосферы. Некоторые геологические процессы, (например, излияния лавы при извержениях вулканов) сопровождались выбросом газов из недр Земли. В их состав входили азот, аммиак, метан, водяной пар, оксид СО и диоксид СО2 углерода. Под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации водяной пар разлагался на водород и кислород, но освободившийся кислород вступал в реакцию с оксидом углерода, образуя углекислый газ. Аммиак разлагался на азот и водород. Водород в процессе диффузии поднимался вверх и покидал атмосферу, а более тяжелый азот не мог улетучиться и постепенно накапливался, становясь основным компонентом, хотя некоторая его часть связывалась в молекулы в результате химических реакций (см. ХИМИЯ АТМОСФЕРЫ). Под воздействием ультрафиолетовых лучей и электрических разрядов смесь газов, присутствовавших в первоначальной атмосфере Земли, вступала в химические реакции, в результате которых происходило образование органических веществ, в частности аминокислот. С появлением примитивных растений начался процесс фотосинтеза, сопровождавшийся выделением кислорода. Этот газ, особенно после диффузии в верхние слои атмосферы, стал защищать ее нижние слои и поверхность Земли от опасных для жизни ультрафиолетового и рентгеновского излучений. Согласно теоретическим оценкам, содержание кислорода, в 25 000 раз меньшее, чем сейчас, уже могло привести к формированию слоя озона со всего лишь вдвое меньшей, чем сейчас, концентрацией. Однако этого уже достаточно, чтобы обеспечить весьма существенную защиту организмов от разрушительного действия ультрафиолетовых лучей.