Физические и химические явления 7 страница

В 1808 г., в период вторжения войск Наполеона в Испанию и подавления вспыхнувшего в стране народного восстания, лаборатория Пруста и его коллекции погибли. Пруст, который в это время находился во Франции, решил остаться там. В 1816 г. учёный был избран членом Парижской академии наук.

Самым выдающимся научным достижением Пруста стало открытие закона постоянства состава. В Испании Пруст занимался исследованием свойств и состава соединений различных металлов – олова, меди, железа, никеля и др. Он доказал, что при определении состава оксидов металлов многие его современники допускали ошибки, считая гидроксиды оксидами. Пруст показал также, что различные оксиды одного и того же металла имеют вполне определённый состав, который меняется скачкообразно. Исследование состава различных оксидов металлов, а также их хлоридов и сульфидов, выполненное в 1797–1809 гг., послужило основой для открытия им закона постоянных отношений. Пруст сформулировал его так: «Всегда неизменные отношения, эти постоянные признаки, характеризующие истинные соединения, как искусственно полученные, так и природные; одним словом, это постоянство природы, так хорошо виденное Шталем, всё это, я утверждаю, подвластно химику не более, чем закон избирательности <сродства>, который управляет всеми реакциями соединения».

Оппонентом Пруста в возникшей дискуссии о постоянстве состава химических соединений выступил его соотечественник – известный химик Клод Луи Бертолле. Полемику двух учёных, продолжавшуюся с 1801 по 1808 г., выдающийся французский химик Жан Батист Дюма позже охарактеризовал так: «...начался между этими двумя великими противниками, столь достойными помериться силами, длительный научный спор, замечательный как талантом, так и хорошим вкусом его участников. И по форме и по содержанию это один из прекраснейших образцов научной дискуссии».

Благодаря тому, что измерения Пруста были исключительно точными для своего времени, дискуссия закончилась в пользу Пруста и закон постоянства состава получил признание большинства химиков, став одним из краеугольных камней химической теории периода классической химии.

§14. Валентность

Валентность

До сих пор вы пользовались химическими формулами веществ,  приведенными в                         учебнике,      или

теми, которые вам называл учитель. Как же правильно составлять химические формулы?

Химические формулы веществ составляются на основе знания качественного и количественного состава вещества. Веществ существует гигантское количество, естественно запомнить все формулы невозможно. Это и не нужно! Важно знать определенную закономерность, согласно которой атомы способны соединяться друг с другом с образованием новых химических соединений. Такая способность называется валентностью.

Рассмотрим модели молекул некоторых веществ. Таких, как вода, метан и углекислый газ.

                              

Рисунок 92. Модели некоторых молекул

Видно, что в молекуле воды атом кислорода присоединяет два атома водорода. Следовательно, его валентность равна двум. В молекуле метана атом углерода присоединяет четыре атома водорода, его валентность в данном веществе равна четырем. Валентность водорода в обоих случаях равна одному. Такую же валентность углерод проявляет и в углекислом газе, но в отличие от метана, атом углерода присоединяет два атома кислорода, так как валентность кислорода равна двум.

Существуют элементы, валентность которых не меняется в соединениях. О таких элементах говорят, что они обладают постоянной валентностью. Если же валентность элемента может быть различной – это элементы с переменной валентностью. Валентность некоторых химических элементов приведена в таблице 2. Валентность принято обозначать римскими числами.

Таблица 2. Валентность некоторых химических элементов

Символ элемента	Валентность	Символ элемента	Валентность
H, Li, Na, K,F, Ag	I	C, Si, Sn, Pb	II, IV
Be, Mg, Ca, Ba, Zn,O	II	N	I, II, III, IV
Al, B	III	P, Sb	III, V
S	II, IV, VI	Cl	I, II,III, IV,V, VII
Br,I	I, III, V	Ti	II, III, IV
Cu, Hg	I, II	Mn	II, III, IV, VI, VII
Fe, Co, Ni	II, III	Cr	II, III, VI
Au	I, II, III	Os	II, III, IV, VI, VIII

Стоит отметить, что высшая валентность элемента численно совпадает с порядковым                              номером         группы Периодической Системы, в которой он находится. Например, углерод находиться в IV группе, его высшая валентность равна IV.

Исключение составляют три элемента:

· азот – находится в V группе, но его высшая валентность IV;

· кислород – находится в VI группе, но его высшая валентность II;

· фтор – находится в VII группе, но его высшая валентность – I.

Исходя из того, что все элементы расположены в восьми группах Периодической Системы, валентность может принимать значения от I до VIII.

 

Составление формул веществ при помощи валентности

Для составления формул веществ при помощи валентности воспользуемся определенным алгоритмом:

Алгоритм	Пример
1.    Записать химические формулы элементов	P O
2.    Вверху, над символами элементов записать значение их валентности. Для элементов с переменной валентностью, конкретная валентность указана в условии	V II P O
3.    Найти наименьшее общее кратное значений валентности, записать его вверху	10 V II P  O
4.    Поделить НОК на значения валентностей элементов – это индексы, выражающие число атомов	10: V = 2 (P) 10: II = 5 (O) P 2O 5

Определение валентности по формуле вещества

Чтобы определить валентность элементов по формуле вещества, необходим обратный порядок действий. Рассмотрим его так же при помощи алгоритма:

Алгоритм	Пример
1.   Записать формулу вещества	Сl 2O
2.   Указать известную валентность элемента (для элементов с постоянной валентностью)	II Cl2O
3.   Найти наименьшее общее кратное валентности и индекса элемента	2 II Cl2O 1
4.   Поделить значение НОК на индекс элемента, валентность которого неизвестна	2: 2 = 1 I II Cl2O

При изучении данного параграфа были рассмотрены сложные вещества, в состав которых входят только два вида атомов химических элементов. Формулы более сложных веществ составляются иначе.

 

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Что такое валентность? Каково минимальное и максимальное значение валентности для химического элемента.

Приведите примеры разных химических элементов, указав их минимальную и максимальную валентность.

Какие соединения называют бинарными?

Группу химических элементов: гелий, неон, аргон, криптон, ксенон, радон, называют инертными газами. Значение их валентности можно принять равным нулю. Объясните, что это значит.

Укажите символы химических элементов, имеющих переменную валентность: Ba, Fe, F, O, Cu, Pb, Zn, Ni, Au, N, H, Li, Br.

Определите валентность элементов в следующих соединениях: NH3, ZnO, Al2O3, KBr, OsO4, TiO2, Na2O, I2O5, CrO3, Ca3P2, Na3N, Mn2O7, BaH2, PbO2, Au2O3, PH3.

Составьте формулы соединений, образованных химическими элементами с постоянной валентностью: калием и водородом; магнием и кислородом; алюминием и кислородом; кальцием и фтором; бором и кислородом, бором и водородом, барием и фтором.

Составьте формулы соединений, в состав которых входит кислород (запишите его в формуле на втором месте) и такие химические элементы: N(II), As(V), Cr(III), Li, Cu(I), S(VI), Si(IV), Ni(II), B.

Составьте формулы соединений при помощи значений валентности элементов, которые входят в их состав: а) Cu(II) и S(II); б) Si(IV) и Cl(I); в) W(VI) и О; г) C(IV) и S(II); д) Al и P(III); е) Cr(III) и Br(I); ж) S(VI) и F; з) P(III) и Cl(I); и) Al и S(II).

Определите валентности элементов в соединениях с хлором (проявляет валентность I): AgCl, FeCl2, AsCl3, ТіСl4, SbCl5, UCl6.

Определите валентности элементов в соединениях с серой (проявляет  валентность II): Cu2S, CoS, Bi2S3, SnS2, As2S5, MoS3, Re2S7.

Определите валентность азота в его оксидах: a) N2O; б) NO; в) N2O3; г) NO2; д) N2O5.

Определите валентность ванадия в его соединениях: VCl2, VCl3, VCl4, VOCl, VOCl2, VOCl3, VO2Cl.

Напишите формулы соединений с кислородом следующих элементов: а) меди (проявляет валентности I и II);

б) железа (проявляет валентности II и III); в) кремния (проявляет валентность IV);

г) фосфора (проявляет валентности III и V); д) хрома (проявляет валентности II, III и VI); е) осмия (проявляет валентности IV и VIII).

Составьте формулы соединений с кислородом (оксидов неметаллов):

 

a)

IV II S O

б)

VI II S O

в)

III II P O

г)

V II P O

д)

II II C O

е)

IV II C O

Составьте формулы по валентности:

a)

II Na S

III Ca P

III Mg N

I Al Cl

б)

II I Pb I

I Zn Br

IV Al C

IV Mg Si

Составьте формулы водородных соединений неметаллов, если валентность неметалла минимальна: a) HF; б) НСl; в) HS; г) РН; д) NH; е) СН; ж) НВr; з) HSe; и) HI; к) НТе; л) SiH; м) НО.

Зная, что в соединениях с металлами сера и хлор проявляют свою  минимальную валентность, определите валентность металлов: a) FeCl3; б) Cu2S; в) FeCl2; г) PbS; д) МnСl2; е) СrСl3.

Определите валентности элементов в соединениях, формулы которых SiH4 и MgCl2. Составьте формулы соединения магния с кремния и соединения водорода с хлором, если валентности элементов в них такие же, как и в соединениях SiH4 и MgCl2.

Определите валентности элементов в соединениях, формулы которых АlВr3 и СН4. Составьте формулы соединений алюминия с углеродом и водорода с бромом, если валентности элементов в них такие же, как и в соединениях АlВr3 и СН4.

Для определения порядка последовательности соединения атомов используют структурные (графические) формулы веществ. В таких формулах валентности элементов обозначают валентными штрихами (черточками). Определите валентности химических элементов в соединениях, для которых приведены следующие структурные формулы:

H H   C   O   H H	H   N   H H	H   O H   O   P   O H   O	H   O       O S H   O       O
а)	б)	в)	г)

Определите валентность элементов в соединениях:

 

 

Н−С≡N		N≡N
а)	б)	в)	г)	д)
H−H	O=C=O		O=N−Cl	H−C≡C−H
е)	ж)	з)	и)	к)
				Н−Br
л)	м)	н)	о)	п)

Определите валентность элементов в следующих соединениях и изобразите их структурные формулы: PH3, SO2, Cl2O, HF, PCl5.

a) IV II S O4   б) IV II Si2O4   в) V I PCl5   г) III II Al2O3   д) I III Li N   е) IV II W O3   ж) III Mg3P   з) II CuO2

При составлении формул по валентности были допущены ошибки. Исправьте их.

 

В свободное время изготовьте модели молекул веществ. В качестве материала для изготовления моделей можно использовать пластилиновые шарики и зубочистки, или спички.

Блокнот эрудита

46. Что такое валентность

Понятие валентности в химии долго считалось одним из основных.

«Валентность – фундаментальное свойство атома, – писал более века назад знаменитый немецкий учёный, один из создателей теории химического строения Фридрих Кекуле, – свойство такое же постоянное и неизменяемое, как и самый атомный вес». Однако в современной научной литературе этот термин употребляется не очень широко.

Впервые идею об определённой «ёмкости насыщения» атомов металлов и кислорода высказал в 1853 г. английский химик Эдуард Франкленд (1825–1899). К концу 50-х гг. XIX в. большинство химиков признавали, что валентность (тогда говорили «атомность») углерода равна четырём, кислорода и серы – двум, фтора и хлора – единице. Сам термин «валентность», предложенный в 1868 г. берлинским профессором Карлом Вихельхаусом (1842–1927), был взят из латыни (от лат. valentia

– «сила»), однако длительное время почти не употреблялся. В классическом труде

«Основы химии» Д.И. лишь несколько раз использует как синоним валентности понятие «атомность», не останавливаясь на нём детально и не давая однозначного определения.

И это не случайно. «Ни одно понятие в химии не получало такого количества неясных и неточных определений, как понятие валентности», – писал в 1917 г. американский педагог Александр Смит. Вначале химики ошибочно полагали, что каждый элемент имеет одну валентность. Это неминуемо приводило к искажению химических формул, которые просто «подгоняли» к такому допущению. В частности, формулы двух известных хлоридов меди записывали так: Cl—Cu—Cu—Cl и Cl—Cu—Cl. По этому поводу Смит делает важный и актуальный во все времена вывод: «Вполне противно научному методу – изобретать или искажать факты в целях поддержки представления, которое, не будучи основано на опыте, является результатом простого предположения. Однако история науки показывает, что подобные ошибки наблюдаются часто».

Термин «валентность» потерял однозначность и первоначальную простоту определения и фактически, по мере развития химии, разделился на несколько понятий – парциальную валентность, главную и побочную и т.д.

Первые осложнения начались с признания, что валентность – величина переменная. Теорию немецкого химика Фридриха Карла Иоганнеса Тиле (1865– 1918) о парциальных, или частичных, валентностях Чугаев считает одной из первых попыток расширить классическое понятие валентности. Швейцарский химик Альфред Вернер предположил, что наряду с главными, или основными, единицами валентности существуют другие, побочные. Например, в соединении СоСl3·6NH3 атом кобальта связан одновременно с девятью атомами хлора и азота!

Теория немецкого химика Рихарда Абегга (1869–1910) об электровалентности, которая может быть положительной (в высших кислородных соединениях) или отрицательной (в соединениях с водородом) была весьма продуктивной. Валентность при этом определялась числом отдаваемых или принимаемых в реакции электронов.

Какие же напрашиваются выводы? По-видимому, традиционное понятие валентности имеет чёткий и однозначный смысл только для соединений, в которых все химические связи являются осуществляются парами электронов, расположенными между двумя соседними атомами, проще говоря – для соединений типа HCl, СО2, С5Н12 и т.п. Попытки же дать определение валентности «на все случаи жизни» малопродуктивны и вряд ли нужны.

47. Сера, Sulfur, S (16)

Сера известна человеку со времен глубокой древности. Легендарный древнегреческий поэт Гомер, живший между XII и VIII вв. до нашей эры, автор эпических поэм «Иллиада» и «Одиссея», указывает, что сера употреблялась для курений при религиозных обрядах.

Сера входит в состав знаменитого в истории древнего мира греческого огня.

Секретом его изготовления владели греческие цари в течение четырех веков.

В 941 г. под стенами Царьграда был уничтожен флот киевского князя Игоря.

«Повесть временных лет» – летописный свод событий, составленный в Киеве, заканчивал словами очевидцев описание похода Игоря: «Словно молнию... которая на небе, Греки имеют у себя и пускали ее, сжигая нас, поэтому мы и не одолели их».

Встречаясь в виде серных жил в трещинах земли вулканических местностей (в Италии, на о. Милосе, в Греции и др.), а также внутри кратеров вулканов, сера издавна считалась продуктом деятельности подземного бога Вулкана. Красивое сине-голубое пламя серы, удушливый запах вблизи огнедышащих гор укрепляли представление о божественном происхождении серы. В представлении древних натуралистов, особенно алхимиков, сера играла особую роль. Мысль, высказанная в VIII в. арабским алхимиком и врачом Джа-бир-ибн-Хайяном (Гебером), о том, что все металлы состоят из серы и ртути, стала основным принципом алхимического

«учения» о металлах. Формула: «Все металлы состоят из ртути и серы в изменчивых количествах» теоретически обосновывала возможность превращения неблагородных металлов в золото. По мысли алхимиков, оно состояло из самой чистой ртути, смешанной с небольшим количеством самой чистой серы. Алхимики считали, что путем простого изменения соотношения между серой и ртутью и очищения их любой металл может быть превращен в золото.

О древнейшем знакомстве человека с серой свидетельствует и происхождение ее названия, заимствованное у санскритского слова «сира», что значит светло-желтый. Химический знак – от латинского «сульфур» – сера.

Сера относится к весьма распространенным элементам. В земной коре содержание серы достигает 0,03%. Сера встречается в самородном состоянии во многих странах. Особенно широко распространена сера в виде многочисленных и разнообразных соединений с металлами (минералы – колчеданы, обманки, блески), а также в виде солей (ангидрит, астраханит, вантгоффит, гипс, кругит, леонит и др.).

Сера входит в состав белков. При анализе различных белков количество серы, в пересчете на сухое вещество, колеблется от 0,3 до 2,5%. Большое количество серы находится в белках покровных тканей, из которых образованы копыта, ногти, волосы, перья. Сера входит в состав некоторых гормонов (например, в инсулин),

витаминов и ряда других органических соединений, играющих большую роль в обмене веществ.

Сейчас трудно перечислить отрасли техники и промышленности, где бы можно было обойтись без серы; она входит в состав спичечной зажигательной массы, широко используется в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями и болезнями виноградников, хлопчатника и других растений.

Сера – незаменимый материал в производстве резины. Ценнейшие свойства каучука – упругость, эластичность – могут сохраняться в узком интервале температуры. Летом, в жару, изделия из каучука размягчаются и липнут. Зимой, в мороз, становятся хрупкими и ломкими. Было установлено, что каучук, соединяясь с серой при нагревании, дает резину (от французского слова – древесная смола). Жара и мороз ей не страшны. Процесс получения резины называется вулканизацией (от латинского «вулканус» – огонь).

 

 

Рисунок 93. Кристаллы серы

Рисунок 94. Пластичная сера

Рисунок 95. Сера не смачивается водой

В больших масштабах сера применяется для получения многочисленных производных – сероуглерода, сульфитной целлюлозы, фармацевтических препаратов, некоторых сортов синтетических каучуков, серной кислоты.

Оксид серы – сернистый газ SO2, хорошо растворяется в воде (1 объем воды при 0°С растворяет 80 объемов газа). Сернистый газ бесцветен, ядовит, обладает резким запахом. Обладая способностью обесцвечивать в присутствии влаги органические краски, сернистый газ применяется в текстильной промышленности для отбеливания шерсти и шелка.

В медицинской и ветеринарной практике сернистый газ употребляется как превосходное дезинфицирующее средство. В бумажно-целлюлозной промышленности сернистый газ используется для получения целлюлозы из древесины. При пропускании смеси сернистого газа с кислородом воздуха над нагретым катализатором образуется серный ангидрид SO3. При температуре 44,8°С серный ангидрид превращается в бесцветную летучую жидкость, затвердевающую при 16,8°С.

Соединение серного ангидрида с водой сопровождается большим выделением тепла. В результате образуется серная кислота.

Огромные количества серной кислоты расходуются в производстве минеральных удобрений, применяются для очистки поверхности железа от окислов перед нанесением металлических покрытий (цинка, олова и др.). Серная кислота

используется для получения медного и цинкового купороса, сернокислого алюминия, некоторых кислот, а также для очистки органических продуктов и особенно нефтепродуктов.

Большие количества серной кислоты требуются для свинцовых аккумуляторов.

Соли серной кислоты – сульфаты широко распространены в природе. Из них особого упоминания заслуживает Na2SO4, содержащийся в морской воде или в минеральных озерах и заливах.

В истории химии сульфат натрия (он кристаллизуется с 10 молекулами воды) играл видную роль. Он был открыт и искусственно получен химиком Иоганном Глаубером, за что и назван глауберовой солью. За ряд своеобразных свойств (слабительное действие, легкость выветривания, способность давать пересыщенные растворы и др.) сульфат натрия был назван Глаубером «удивительной солью». От латинского названия этой соли («саль мирабилис») произошло и ее минералогическое название – мирабилит.

Сульфат натрия одно время в больших количествах получали искусственным путем. Французский химик Леблан использовал мирабилит, как естественный так и искусственный, для получения соды.

Профессор Петербургской Академии Лаксман в 1764 г. при варке стекла заменил поташ глауберовой солью. Стекольная промышленность стала одним из крупнейших потребителей сульфата натрия. В настоящее время это соединение является одним из важнейших видов сырья многих отраслей промышленности.

Другая кислота серы – сероводородная – в больших количествах содержится во многих источниках вулканических местностей. В небольших количествах она присутствует в минеральных грязях, образующихся на дне неглубоких соляных озер. Сероводородная кислота – водный раствор сероводорода – бесцветного, с характерным запахом газообразного соединения серы с водородом. Сероводород очень ядовит. Он относится к числу аккумулятивных ядов, т.е. таких, которые, постепенно накапливаясь в организме, вызывают отравление даже в тех случаях, когда их концентрация в воздухе сама по себе не должна вызывать отравлений у человека, если он не находится в этом помещении сравнительно долго.

В природе сероводород в свободном состоянии встречается в составе вулканических газов. В растворенном и отчасти в свободном состоянии сероводород содержится в Черном море, начиная с глубины 200 и более метров. В небольших количествах он образуется всюду, где происходит разложение или гниение органических веществ.

§15. Расчеты по химическим формулам

Молекулярная  и формульная  масса вещества

Молекулы обладают определенной массой. Но поскольку массы молекул, как и атомов, чрезвычайно малы, пользуются значениями не их абсолютных, а относительных масс.

Относительная молекулярная масса

(обозначается символом M r) рассчитывается как и относительная атомная масса, относительно 1/12 части массы атома углерода.

Например, молекула кислорода имеет абсолютную массу 5,32·10−23 г. Масса атома углерода – 1,994·10−23 г:

12

m(O₂) 5,32·10^–23 г