Бесплатный фрагмент - От водорода до мейтнерия: неорганика на ладони

Здравствуйте, уважаемые читатели! Меня зовут Шоричева Алина. По образованию я провизор, поэтому по роду своей деятельности мне приходилось изучать такую науку, как химия. Много наук — химий, ведь они тоже бывают разными. Копился материал, рисунки, заметки, написанные от руки, а в голове роились мысли: как бы всему этому материалу «дать ума», превратить его в нечто оформленное. Но не хватало то времени, то смелости. Будем считать, что все приходит и получается тогда, когда должно. Так вот, этот книжный цикл — моя попытка взять на себя смелость и создать свое универсальное пособие, в котором бы понятно и емко рассказывалось о каждом элементе (и его ключевых соединениях) всей таблицы Д. И. Менделеева. Я надеюсь, что мои книги станут вашими верными помощниками при подготовке к урокам, экзаменам, когда требуется что-то повторить или вспомнить, не прибегая ко множеству разных учебников.

В первой части я предлагаю начать изучение свойств металлов и неметаллов главных подгрупп периодической системы Д. И. Менделеева. Ну что же, в добрый путь, ведь, как говорил поэт В. В. Маяковский: «Если звезды зажигают, значит, это кому-нибудь нужно!»

Глава 1

Водород. Всегда на первом месте

Будем знакомы

Химический элемент Н (водород) в периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева (здесь и далее — ПСХЭ) занимает клеточку-«квартиру» под номером 1. Правда, размещаться она имеет право сразу в двух местах: главной подгруппе I группы (IA) и главной подгруппе VII группы (VIIA).

Строение атома водорода: ядро (1 протон, 0 нейтронов) и 1 электрон.

Водород может «отдать» свой единственный электрон другому атому, проявляя свойства восстановителя. В этом отношении он близок к щелочным металлам (IA группа). А может присоединить 1 электрон, стать окислителем, как неметаллы VIIA группы.

В соединениях водород имеет валентность I.

Это интересно

Помните, водород существует в виде трех изотопов:

— протий. Самый распространенный. Строение его атома: 1 протон, 0 нейтронов, 1 электрон;

— дейтерий («тяжелый» водород). Строение атома: 1 протон, 1 нейтрон, 1 электрон;

— тритий. Еще тяжелее предыдущих за счет дополнительного нейтрона. Строение атома: 1 протон, 2 нейтрона и 1 электрон. Радиоактивен.

Какой я?

Молекулы простого вещества водорода состоят из двух атомов.

Это газ без цвета, вкуса и запаха. Легче воздуха. В воде нерастворим (обратим внимание на это свойство!). Температура кипения составляет -253 градуса. Взрывоопасен!

Получение водорода

Способы получения водорода различаются в зависимости от назначения газа. Водород получают как в лабораторном кабинете (для исследований), так и на заводе для нужд промышленности.

Водород активно используется в химической промышленности. Он необходим для производства аммиака, хлороводорода, метанола. С помощью водорода можно получить некоторые металлы из их оксидов. Без водорода не обойтись и при производстве твердых жиров (маргарин) из жидких. А в смеси с кислородом водород возгорается, температуры такого пламени достаточно для сварки металлов.

Химические свойства водорода

1. Реакции с металлами (щелочными и щелочно-земельными). При нагревании.

2. Реакции с неметаллами (с образованием летучих водородных соединений).

3. Реакции с оксидами металлов. Водород — в роли восстановителя. Он «забирает» себе кислород у оксида (окисляется). Так получают в промышленности некоторые металлы (медь, железо, молибден, вольфрам, цирконий).

4. Реакция с угарным газом как промышленный способ получения метанола.

И напоследок…

1. «Чистый» водород без примеси воздуха не взрывается, а сгорает тихо, со свистом.

2. Водород благодаря малым размерам атома при определенном давлении способен растворяться в расплавах ряда металлов. Затем при охлаждении, когда металл затвердевает, часть водорода как бы «испаряется», так получают пористые металлические структуры.

Глава 2

Кислород. Горение поддерживающий

Наш следующий «химический» герой — всем известный кислород, неметалл, с которым ассоциируется не «что-нибудь», а воздух, дыхание, значит, и сама жизнь.

«Квартира» кислорода в ПСХЭ Д. И. Менделеева имеет номер 8 (второй период, VIА группа). Строение его атома (имеются в виду атомы наиболее распространенных в природе изотопов): ядро (8 протонов, 8 нейтронов) и 8 электронов.

До завершения внешнего энергетического уровня кислороду не хватает двух электронов. Он может принять их и получить степень окисления -2. Это самая распространенная степень окисления кислорода в соединениях. Вступая в реакцию с более электроотрицательным фтором, кислород наоборот «отдает» 2 своих электрона и приобретает степень окисления +2. В пероксидах степень окисления кислорода -1.

Простое вещество «кислород» состоит из двух атомов и по агрегатному состоянию является газом. Чтобы запомнить физические свойства кислорода, не будем ходить далеко, вдохнем полной грудью воздух вокруг нас (эх, хорошо бы сейчас где-нибудь на берегу моря оказаться). Есть ли вкус у газа? Нет. И запаха нет. И цвета тоже нет. Неядовитый.

Кислород мало растворим в воде, температура кипения -183 градуса. Жидкий кислород имеет голубоватый цвет.

Впервые кислород был получен английским исследователем Джозефом Пристли в 1774 году. Открытие состоялось, в общем-то, неожиданно. С помощью линзы Пристли собирал солнечные лучи и направлял их на пробирку с красным оксидом ртути. Пробирка была развернута вверх дном и помещена в сосуд с жидкой ртутью. Оксид ртути сильно нагревался и разлагался на составляющие: ртуть и кислород, который собирался в основании пробирки. Джозеф Пристли заметил, если в этот неизвестный газ внести тлеющую лучинку, она разгорится с новой силой.

Сейчас кислород по способу Джозефа Пристли не получают, ведь пары ртути и ее соединения ядовиты.

В настоящее время кислород в лабораторных условиях получают разложением некоторых веществ: перманганата калия («марганцовка»), нитратов активных металлов, перекиси водорода, хлората калия (бертолетова соль). Причем для последних двух реакций требуется присутствие катализатора — оксида марганца (IV).

А вот в промышленности кислород получают в прямом смысле из воздуха. Воздух — это достаточно многокомпонентная смесь газов:

— 78% азота;

— около 21% кислорода;

— примерно 1% приходится на «благородные» газы (в основном аргон);

— 0,03% отдают углекислому газу.

Вначале воздух сжимают под большим давлением с помощью компрессора. Затем охлаждают: сперва водой, потом потоками холодного воздуха, постепенно уменьшая давление. Цель — довести температуру до таких низких значений, когда воздух сможет превратиться в жидкость. И тогда сжиженный воздух начинают разделять на компоненты (фракции), постепенно повышая температуру. При -196 градусах отделяется азот (снова превращается в газ), чуть позже при -183 градусах «кипит» кислород. Далее по трубопроводам газ поступает к месту назначения, на предприятие. «Чистый» кислород часто вновь превращают в жидкость и хранят в цистернах из нержавеющей стали.

Не забудем упомянуть и про старый добрый электролиз воды, когда под действием электрического тока на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород.

Вообще, надо сказать, что кислород очень реакционноспособен и как второй по электроотрицательности элемент (уступает лишь фтору) берет на себя роль окислителя (принимает «чужие» электроны). Со многими веществами он взаимодействует уже при комнатной температуре. Если же температуру повысить, добавить освещение, катализатор, то реакции с кислородом будут протекать очень стремительно, бурно, сопровождаясь выделением большого количества тепла.

Реакции с металлами

Продукт реакции — оксид металла.

Небольшой нюанс касается щелочных металлов. Литий с кислородом образует оксид, натрий — пероксид, а калий, рубидий и цезий — надпероксиды.

Надпероксиды — особые структуры, за счет своего строения они имеют яркую окраску.

Реакции с неметаллами

Продукт реакции — оксид неметалла.

С гелием, неоном и аргоном кислород не образует химических соединений. Таковы уж они, благородные газы, инертные вещества. Лишь ксенон несколько «разблагородился». В 2016 году в научном журнале Nature Chemistry вышла статья, где было сказано о том, что химики с большим трудом смогли получить смесь оксидов ксенона. Соединять до этого «несоединимые» газообразные ксенон и кислород ученым пришлось при огромном давлении (в миллион раз больше, чем нормальное атмосферное). Смесь газов поместили в устойчивую к давлению ячейку, выполненную из алмаза, и нагревали лазером.

Реакции со сложными веществами

Продукт реакции — оксиды тех элементов, из которых состояло сложное вещество.

Многие металлы находятся в горных породах в соединении с серой (сульфидные руды). Один из этапов извлечения металлов из руды — перевод сульфидов в оксиды.

Таков он, вездесущий кислород: ни горение, ни ржавление, ни дыхание не обходятся без его участия.

Глава 3.

Озон. Рожденный молнией

Говоря о кислороде, нельзя не упомянуть о его «брате-неблизнеце» озоне. Озон — аллотропная модификация, его молекулы состоят из трех атомов кислорода.

Озон при нормальных условиях — газ светло-голубого цвета. Постепенно охлаждаясь, он из газового состояния переходит в жидкое (темно-синяя жидкость), а затем — в твердое (черно-синие кристаллы). В минимальной концентрации запах озона ощущается как «аромат свежести», в больших количествах он приобретает резкий, неприятный характер.

Интересное строение имеет молекула озона. В ней средний атом кислорода связан ковалентными неполярными связями с двумя боковыми атомами. Но есть еще одна ковалентная связь, электронная плотность которой распределена между всеми тремя атомами кислорода. При этом атомы расположены друг относительно друга под углом порядка 117 градусов.

В атмосфере озон образуется из кислорода во время грозовых электрических разрядов, ультрафиолетового облучения в слоях стратосферы (10—15 км от Земли). Все мы, наверное, слышали об озоновом «экране», защищающем нашу среду обитания от губительного солнечного излучения. Этот «экран» хрупок и сам нуждается в защите от некоторых опасных промышленных соединений, например, атомарных хлора и брома. Эти вещества у нас на слуху под общим названием фреоны. Они применяются для работы холодильных установок и как пропелленты (наполнители) в аэрозольных баллончиках.

Озон способен быстро распадаться, выделяя атомарный кислород — сильнейший окислитель, оказывая тем самым мощное бактерицидное действие. Фактически удаляются все органические загрязнения на самых разных поверхностях, будь то одежда, инструменты, помещение в целом, вода и даже воздух. Отбеливание целлюлозы по современным методам тоже проводят с помощью озона. В общем, отдадим должное озону, важную роль он играет в жизни и деятельности человека. Но так ли отчаянно благороден этот «рыцарь в стальных доспехах»?

Запах озона ощущается рядом с работающими копировальными аппаратами и бактерицидными облучателями, то есть вблизи тех предметов, где есть электрический разряд, искра. В количествах, превышающих предельно допустимые, озон вызывает у человека сбой сердечно-сосудистой, дыхательной систем, сильную головную боль, общее плохое самочувствие. Озон может быть очень токсичным, вредным для здоровья. Поэтому так важно сотрудникам предприятий вести наблюдение за концентрацией этого газа в помещениях.

К тому же нужно учитывать «взрывоопасность» озона, многие органические вещества способны воспламеняться в его атмосфере. Но вот что интересно: не всякое органическое вещество сгорает в озоне, некоторые вещества с двойными связями в молекуле в среде разбавленного озона образуют с ним соединения-озониды. Химики-исследователи потом по составу получившегося озонида устанавливают строение исходной молекулы органического вещества.

Таков он, газ озон, рыцарь благородный и опасный. Так важно научиться правильно его применять, уважать его свойства, и тогда он будет для человека другом и помощником.

Глава 4

Перекись водорода. Антисептик с пузырьками

Как гласит народная мудрость: «Назвался груздем — полезай в кузовок!» Начал разбирать тему, так договаривай. О «брате» кислорода — озоне — мы упомянули, сам кислород тоже вниманием не обделили. А где кислород, там рядышком и соединения под названием пероксиды. Самый «знаменитый» из них — водорода пероксид (или перекись, как нам привычнее слышать).

Молекула пероксида водорода неплоская, состоит из двух атомов кислорода, соединенных друг с другом (пероксидный «мостик»), и двух атомов водорода. Связи О-Н расположены под углом относительно пероксидного «мостика».

Перекись водорода — бесцветная жидкость, несколько тяжелее воды, причем в воде растворяется неограниченно, а также в спирте и эфире. Под действием света, некоторых ферментов или катализатора (оксид марганца (IV)) пероксид водорода быстро распадается на воду и кислород.

Химические свойства пероксида водорода

1. Как сильного окислителя. Окисляет многие восстановители: соли железа (II), йодиды, сульфиты, нитриты.

2. Как восстановителя (с более сильными окислителями, например, с хлорной водой). Выделяется кислород.

3. Как очень слабой кислоты (взаимодействие с некоторыми щелочами с образованием пероксидов тех металлов, которые входили в состав щелочи).

Пероксид водорода находит широкое применение в медицине и промышленности. В виде трехпроцентного водного раствора известен как антисептическое средство. Все мы замечали, наверное: капнешь перекись на ранку, и ранка начинает «пузыриться», чуть ли не шипит. Это происходит распад перекиси и выделение кислорода, который рану дезинфицирует. А затевает реакцию фермент каталаза, содержащийся в крови.

В промышленности используются концентрированные растворы пероксида водорода, называемые пергидролями. Они помогают отбеливать ткани, бумагу, осветлять старые слои красок на картинах, а в смеси с моющими средствами пригодны для уборки, дезинфекции. Только очень важно при работе с пергидролем беречь кожу, чтобы не получить сильный ожог. Кроме того, пергидроль взрывоопасен.

Ой, еще про одно известное применение пероксида водорода не сказали. Многие женщины знают, что он входит в состав красок для волос в качестве осветляющего пигмент волос компонента.

Глава 5.

Фтор. Господин окислитель

Следующим на повестке дня станет химический элемент, который по праву заслужил обращение «господин окислитель». Этот элемент, как многие, наверное, догадались, — фтор. Я заметила, что в большинстве учебников по химии фтору уделяется мало внимания, да и в заданиях ЕГЭ он находится в тени своих «собратьев» по группе — хлора, брома, йода. Попробую «реабилитировать» фтор, ведь каждый достоин внимания и заботы.

Месторасположение фтора в таблице Д. И. Менделеева — пересечение «2 период, VIIA группа» (как в морском бое). Фтор открывает собой группу галогенов — сильнейших окислителей.

В состав атома фтора входит ядро (в нем 9 протонов, 10 нейтронов) и 9 электронов, которые вращаются вокруг ядра, разместившись на двух уровнях.

До завершения внешнего энергетического уровня (до 8 электронов) фтору не хватает всего 1 электрона. Ему проще «принять» электрон от другого элемента и так завершить свой уровень, чем «отдавать» кому-то 7 своих электронов и затрачивать на это колоссальную энергию. Прибавьте к этому малый радиус атома — и вот она, окислительная природа фтора, элемента с самой высокой электроотрицательностью. Электроотрицательность, условно говоря, — способность элемента «перетягивать» на себя чужие электроны. Поэтому степень окисления фтора в соединениях равна -1.

Молекула фтора состоит из двух атомов, соединенных друг с другом ковалентной неполярной связью. При обычных условиях фтор — это газ зеленовато-желтого цвета с резким запахом. Тяжелее воздуха. Ядовит! При температурах ниже минус 188 градусов переходит в жидкое состояние. В виде жидкости неограниченно растворяется в жидких кислороде, озоне.

Фтор по своей природе очень реакционноспособен. Реакции протекают с выделением большого количества тепла, вплоть до горения, взрыва.

Как всегда, для наглядности разделим реакции на группы:

1. Реакции с неметаллами

Фтор взаимодействует со всеми неметаллами за исключением гелия, неона и аргона.

Причем часто в результате образуются продукты переменного химического состава, смесь веществ с разным «набором» атомов. Для удобства числовые индексы при элементах принимают за Х и У.

2. Реакции с металлами

Фтор вступает в реакции с большинством металлов. С щелочными и щелочно-земельными происходит воспламенение, причем на холоду, а с остальными — реакции при незначительном нагревании или при комнатной температуре. Даже сама платина «фторируется», но при высоких температурах.

3. Реакции со сложными веществами

Представляете, и стекло способно медленно разлагаться в атмосфере фтора! Реакция ускоряется в присутствии воды.

Получение фтора в промышленности?

Спрашивали? Отвечаем! Получают фтор электролизом расплава смеси KF-HF.

Хранят фтор в аппаратах из никеля, его сплавов, латуни, нержавеющей стали. Важно, чтобы металл или сплав реагировал с фтором с образованием пленки фторида металла, нерастворимой для остального фтора в аппарате.

Фтор очень токсичный газ. В малых концентрациях его запах напоминает запах хлора, иногда озона. На предприятиях обязательно контролируют предельно допустимую концентрацию фтора в воздухе.

Глава 6

Плавиковая кислота. «Стекло, берегись!»

Каким образом мастера на производстве делают надписи на стекле или наносят на него рисунки? В этом им помогает плавиковая кислота — «гроза» всех стекол. Как у нее это получается?

Плавиковая, или, химически говоря, фтористоводородная кислота с формулой HF, — одноосновная кислота, состоит из одного атома водорода и одного атома фтора. Водород и фтор соединены между собой ковалентной полярной связью, общая электронная пара смещена к атому фтора (мы помним, что фтор — «чемпион» по электроотрицательности среди всех элементов). При этом молекулы HF объединяются в димеры, образуя молекулярную кристаллическую решетку, каркас из молекул.

Название «плавиковая» появилось от плавикового шпата, фторида кальция — минерала, из которого получают фтороводород. При растворении фтороводорода в воде выделяется тепло. Плавиковая кислота — бесцветная жидкость с резким запахом, тяжелее воды, затвердевает при температуре ниже минус 75 градусов. Не горюча. Если в воду добавить небольшое количество плавиковой кислоты, то такая «вода» замерзнет при более низких температурах.

По степени диссоциации плавиковую кислоту можно отнести к слабым кислотам. Она реагирует с большинством металлов, кроме платины, палладия и золота. Свинец также не растворяется в плавиковой кислоте благодаря образующейся защитной пленке фторида свинца. Фториды щелочных металлов растворимы в воде, щелочно-земельных — малорастворимы.

Плавиковая кислота разъедает стекло и другие силикатные материалы (кварц, фарфор).

Мастера предварительно покрывают стекло парафином, а потом прорезают на парафине отверстия (контур) будущего рисунка. Эти отверстия обрабатывают плавиковой кислотой, остальное стекло под слоем парафина в безопасности (парафин устойчив к плавиковой кислоте). Логично, что хранят плавиковую кислоту в полиэтиленовой таре.

Плавиковая кислота в промышленности:

— катализатор в органическом синтезе;

— реактив для растворения силикатов;

— реактив для получения фторидов и фторорганических соединений.

Плавиковая кислота очень ядовита, обладает раздражающим действием, вызывает ожоги. Кроме того, фториды способны связывать кальций в крови, это ведет к нарушению сердечной деятельности, серьезным сбоям в организме человека. Опасность состоит еще и в том, что пагубное действие плавиковой кислоты имеет отложенный эффект, человек поздно обращается за помощью, когда патологический процесс уже запустился. Поэтому так важно работать с кислотой в защитной одежде, респираторе, очках, перчатках и в помещении с хорошей вытяжкой. В случае внештатных ситуаций плавиковую кислоту осторожно дезактивируют, основываясь на свойствах кислот нейтрализовываться щелочами (гашеной известью или содой).

Глава 7

Хлор. «Кто тут главный? Я тут главный!»

Наш следующий герой — любимец учебников по химии и заданий ЕГЭ, «звезда» группы галогенов — хлор.

Элемент хлор располагается в 3 периоде VIIA группе периодической системы Д. И. Менделеева. Атом хлора имеет в своем составе 17 протонов и, соответственно, 17 электронов, а вот число нейтронов варьируется. В природе наиболее широко распространены изотопы с массовыми числами 35 и 37 (массовое число = количество протонов + количество нейтронов). Исходя из процентного соотношения изотопов, относительную атомную массу хлора высчитали как равную 35,5. Этот момент необходимо помнить при решении задач.

На внешнем энергетическом уровне у атома хлора — 7 электронов. Принимая еще один электрон, атом приобретает степень окисления -1. Но у атома хлора, в отличие от «соседа сверху» — фтора, есть дополнительные орбитали, а именно — пять d-орбиталей. Хлор ведь в третьем периоде находится. Поэтому при определенных условиях электроны с р- и даже s-подуровней способны «перебегать» на d-орбитали и занимать там единолично «вакантные» места. Электроны — они ведь, как люди, в душе немного эгоисты. Каждому хочется иметь свою комнату, свое жизненное пространство. Одиночные электроны — возможность разнообразить степени окисления и образовать различные соединения с другими атомами.

Хлору проще принять один электрон, довести свой энергетический уровень до завершенности и получить степень окисления, равную -1 (самая распространенная в соединениях). Хлор — сильный окислитель.

Молекулярный хлор состоит из двух атомов и представляет собой ядовитый газ желто-зеленого цвета с резким запахом, растворимый в воде. Значительно тяжелее воздуха. Легко сжижается, ведь его температура кипения всего -34 градуса. Кстати слово «хлор» с греческого языка переводится как «зеленый».

Получение хлора

По традиции рассмотрим отдельно лабораторные и промышленные способы получения.

Впервые хлор удалось получить немецкому химику Карлу Шееле в 1774 году путем воздействия соляной кислоты на минерал пиролюзит (оксид марганца (IV)). Шееле заметил, что образовавшееся вещество обладает отбеливающими свойствами и имеет запах царской водки. Помимо способа Шееле в лаборатории хлор получают по реакции соляной кислоты с каким-нибудь сильным окислителем, например, с перманганатом или дихроматом калия. Соляная кислота выступает в роли восстановителя.

В заводских условиях хлор получают электролизом раствора поваренной соли. Хлор собирается на аноде, на катоде восстанавливается водород, а в растворе остается гидроксид натрия.

Полученный хлор хранят в стальных баллонах.

Применение хлора

Для чего же мы его получали? А вот для чего:

— синтез хлорорганических соединений;

— отбеливание тканей, бумаги, картона. Правда, здесь есть один нюанс: отбеливает не сам хлор, а хлорноватистая кислота, которая образуется после растворения хлора в воде. Об этом мы еще поговорим;

— обеззараживание воды;

— производство неорганических соединений (соляная кислота, хлориды металлов, удобрения).

Хлор сам по себе очень токсичен, да еще и тяжелее воздуха, первым делом поражает дыхательную систему человека, вызывая ожоги и удушье. Поэтому спецодежда, противогаз и перчатки — неотъемлемый атрибут для сотрудников на производстве. При внештатной ситуации на короткое время защититься от воздействия хлора поможет ткань, смоченная раствором сульфита или тиосульфата натрия.

Химические свойства хлора

1. Реакции с неметаллами

Хлор активно вступает в реакции с неметаллами, с водородом и вовсе — вплоть до взрыва. Но с углеродом, азотом, кислородом и благородными газами хлор непосредственно не реагирует!

2. Реакции с металлами

Хлор реагирует почти со всеми металлами и выступает в роли сильного окислителя, приобретая отрицательную степень окисления. При этом продуктом взаимодействия являются различные соли. Такой порядок характерен не только для хлора, а для группы галогенов вообще. Недаром «галоген» означает «рождающий соль».

3. Реакции со сложными веществами