Физические и химические явления 17 страница

Немаловажную роль  играют и различные соединения свинца. Так,

некоторые окислы свинца, а также его соли используются в качестве отличных

красок для ускорения высыхания олифы. Растворимые соединения свинца применяются в медицине как вяжущие, болеутоляющие и противовоспалительные средства. Свинцовая примочка известна многим. Иногда ее называют «свинцовым сахаром» за сладковатый вкус. Не следует забывать о большой ядовитости свинцового сахара.

Соединения свинца

 

 

Рисунок 178. Иодид свинца PbI2 (опыт «золотой дождь»)

Рисунок 179. Сурик Рb3О4

Рисунок 180. Минерал галенит PbS

В рассказе о титане говорилось о том, что старые картины и иконы, написанные красками на основе свинцовых белил, со временем темнеют. Однако, если такое изображение протереть слабым раствором перекиси водорода, которая

известна с 1818 г., то образовавшийся под воздействием сероводорода  черный

сульфид  свинца перейдет в  белое  соединение     – сульфат свинца. Картина просветлеет,                     обновится. Используя это явление, церковники     неоднократно

«чудесным образом» «обновляли» иконы, дурача верующих.

Для обновления сначала использовали концентрированный раствор уксуса, а в конце XIX – начале XX в. пользовались для этой цели уксусной эссенцией, прекрасно смывавшей черневший от времени слой олифы, которой всегда покрывалась живопись икон. Как видно, никакого чуда в таком «обновлении» нет.

 

 

§29. Молярный объем газов

Закон Авогадро

В 1811 году, итальянским физиком Амадео Авогадро была сформулирована гипотеза, что в равных объемах газов, при одинаковых значениях давления и температуры содержится одинаковое число частиц.

Гипотеза была подтверждена множеством экспериментальных исследований. Впоследствии предположение Авогадро стало законом Авогадро. Закон Авогадро формулируется следующим образом:

 

Нормальными условиями считают температуру 0°С и нормальное атмосферное давление. В системе СИ единицей давления является паскаль (Па). Нормальное атмосферное давление равно 101,3 кПа. В тексте нормальные условия принято обозначать сокращенно: «н.у.».

Закона Авогадро имеет несколько следствий.

Первое следствие: при нормальных условиях 1 моль любого газа содержит одинаковое количество частиц, то есть имеет один и тот же объем.

 

Объем 1 моль любого газа при нормальных условиях, называют молярным объемом. Молярный объем газа обозначают символом V m. С учетом того, что 1 моль любого газа имеет объем 22,4 литра при н.у., то молярный объем газа определяется как отношение этих величин:

Путем простейших арифметических действий выразим формулы для расчета объема газа и количества вещества:

Путем комбинирования формул, по которым можно рассчитать количество вещества, можно пользоваться не несколькими формулами, а одной. Это более логично, и требует меньше времени на расчеты. Например, если известна масса вещества, а необходимо рассчитать его объем, расчетные формулы можно скомбинировать следующим образом:

 

n = m; V = n ∙ V M

® V = m

M

∙ V_m.

Так же можно комбинировать расчетные формулы для нахождения количества вещества по массе и объему:

n = m; n = V ® m = V.

                                                     

M   V_m  M V_m

Примеры решения задач

Задача 1. Определите, какой объем кислорода, содержащегося в его образце массой 9,8 г.

Дано: m(O2) = 9,8 г

Решение: Начнем решать задачу с конца. Определим формулу, по которой вычислим объем кислорода: V = nVm Отсюда нам известен только молярный объем Vm. Как найти количество вещества, если известна масса? Очевидно, по формуле: n = m M Определим молярную массу кислорода, для этого рассчитаем его молекулярную массу: Mr(O2) = 2Ar(O) = 16·2 = 32 M(O2) = 32 г/моль Подставим значение молярной массы и массы кислорода в формулу: ν(O) = m =   9,8 г = 0,3 моль 2   M 32 г/моль Теперь рассчитаем объем: V(O) = n∙V = 0,3 моль·22,4 л = 6,72 л 2          m                              моль Задачу можно решить проще. Для этого необходимо скомбинировать расчетные формулы: V = m ∙ V M m V =  9,8 г ∙ 22,4 л = 6,72 л 32 г/моль       моль Ответ: 6,72 л

V(O2) –?

Задача 2. Какой объем (при н.у.) займут 2,41·1025 молекул хлора?

Дано: N(Cl2)= 2,41·1025

Решение:   Для нахождения объема, мы должны использовать формулу V = nVm Для нахождения количества вещества хлора воспользуемся формулой ν = N NA Скомбинируем эти формулы. Подставим в первую формулу количество вещества из второй формулы V = N ∙V NA m V = 2,41·1025 молекул ·22,4 л = 0,4·102 моль·22,4 л = 896,7 л 6,02·1023 молекул                моль                                       моль моль Ответ: 896,7 л

V(Cl2) –?

Задача 3. Определите молярную массу газа, 2,24 л которого (н.у.) имеют массу

1,6 г.

Дано: V(газа) = 2,24 л m(газа) = 1,6 г	Решение: Для решения задачи воспользуемся комбинированием формул n = m; n = V ® m = V M    Vm  M Vm m = V ® M = m∙Vm = 1,6 г·22,4 л/моль = 16 г/моль M Vm             V            2,24 л Ответ: 16 г/моль.
М(газа) –?

 

Подведем итоги

Вопросы, упражнения и задачи

Какой объем займут: а) 0,2 моль водорода; б) 0,25 моль азота; в) 0,225 моль фтора? Молекулы всех газов – двухатомны!

Жидкий кислород перевозят в больших стальных баллонах, вмещающих 3,2 т кислорода. Какой объем займет эта масса газообразного кислорода при нормальных условиях?

В мире производится около 30 млн. т водорода. Какой объем это составляет: а) в литрах; б) в м3?

Сколько молекул содержится в 0,75 л (н.у.) углекислого газа?

Знаменитый английский химик У. Рамзай в конце XIX века выделил из воздуха образец гелия объемом 20 см3. Определите массу данного образца гелия.

Резервуар объемом 50 м3 вмещает 25 т жидкого аммиака NH3. Во сколько раз больше должен быть объем резервуара, чтобы вмещать ту же массу аммиака при нормальных условиях?

В сосуде находится водород. Определите количество атомов водорода в сосуде, если объем водорода в сосуде в два раза меньше объема 4 моль кислорода.

Какой объем займет смесь газов следующего состава: 2,35 моль кислорода, 0,656 моль азота и 1,31 моль углекислого газа?

На чашках весов находятся колбы с хлором и углекислым газом объемом по 0,5 л. В сторону какой колбы отклониться стрелка весов при взвешивании?

Проведите необходимые расчеты и выбери верное утверждение. В пропане (С3Н8) объемом 3,36 л содержится столько молекул пропана, сколько:

а) молекул метана (СН4) в порции массой 3,36 г;

б) молекул кислорода в 3,36 л кислорода; в) атомов кислорода в 1,68 л кислорода.

Вычислите массу кислорода, взятого объемом 0,2 м3 (1 м3 = 1000 л).

Вычислите число молекул сероводорода, если его объем равен 112 л.

В одном сосуде находится 5,6 л хлора и 33,6 л хлороводорода. Определитее массу сосуда со смесью газов.

Вычислите объем смеси, содержащей оксид азота (IV) массой 23 г и кислород массой 4 г.

Масса газа объемом 4,48 л составляет 8,8 г. Определите молярную массу этого газа.

Определите молярную массу газа, если этот газ массой 110 г занимает объем 56 л (н.у.).

Заполните в таблице клеточки со знаками вопроса:

№	Вещество	Vm, л/моль	М, г/моль	n, моль	V, л	m, г	N
1.	Сl2	?	?	?	6,72 л	?	?
2.	СН4	?	?	5 моль	?	?	?
3.	SO2	?	?	?	?	12,8 г	?
4.	NH3	?	?	?	?	?	0,6·1023 молекул
5.	?	?	?	?	112 л	1,60 г	?

Составьте предложения по следующим записям:

1) Vm  = 22,4 л/моль;                    4) N(О2) = 7,8·1023  молекул;

2) V(SО2) = 78 л;                           5) N(H) = 2,4·1023 атомов;

3) M(NH3) = 17 г/моль;                6) n(О2) = 5 моль.

Составьте и решите задачи по схемам:

Составьте и решите задачи, если газ:

а) кислород;                                              б) оксид серы (IV):

 

 

Блокнот эрудита

86. «ХИМИЧЕСКАЯ ГРЕЛКА»

Известно несколько видов «обыкновенных химических грелок». Устройство их очень простое: обычно это два пакета (маленький и большой) из водонепроницаемого и химически стойкого материала (пленки, ткани). Внутри маленького пакета – вещество или смесь веществ. Чтобы грелка начала работать, сюда надо добавить немного воды и перемешать содержимое пакета. Потом пакет закрывают, вставляют в большой и еще раз тщательно закупоривают; теперь грелкой можно пользоваться. Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция СаО (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция:

СаО + Н2О = Са(ОН)2.

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70–80°С. В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей. Совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (Al) стружки с солями меди (например, CuCl2) можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100°С за счет реакции:

Fe + CuCl2 = FeCl2 + Сu.

При этом грелка, в которой хлорид меди CuCl2 превращается в хлорид железа FeCl2, сохраняет тепло около десяти часов.

87. ДВАЖДЫ КАВАЛЕР ОРДЕНА СВЯТОЙ АННЫ ЮСТУС ФОН ЛИБИХ

Юстус фон Либих (1803–1873), немецкий профессор органической химии, был выдающимся химиком своего времени. Большая часть его работ посвящена изучению вопросов питания растений и рациональному применению удобрений. За услуги, оказанные земледелию России, ему были вручены два ордена Святой Анны, а за повышение урожайности сельскохозяйственных культур в Германии он получил звание барона, давшее ему право на приставку «фон». За работы Либиха  по  применению  минеральных

удобрений     предлагались     баснословные

Рисунок 181. Юстус фон Либих (1803–1873)

гонорары. Либих заложил основы химии пищевых продуктов. Он                   родоначальник

технологии производства мясного экстракта, дожившего до наших дней под именем «бульонных кубиков». Либих выдвинул первую теорию катализа и теорию основности органических кислот, разработал методы анализа органических соединений.

Он родился в семье аптекаря в г. Дармштадте, столице Гессенского герцогства. Из семьи правителей этого герцогства происходила и российская императрица Мария Александровна, супруга Александра II, основательница российского «Красного креста».

В возрасте 21 года Либих был назначен профессором Гессенского университета по рекомендациям двух выдающихся ученых – Гей-Люссака и Александра-Фрейхерра-Вильгельма фон Гумбольдта (1769–1859) – немецкого физика, географа и путешественника.

Юстус Либих в возрасте 23 лет женился на девятнадцатилетней Генриетте Мольденхауер, дочери дармштадтского чиновника. Генриетта, или, по- домашнему, Йетхен, была очень красива, а главное – добра. Ей нравились галантные манеры молодого черноволосого профессора, его веселый характер и целеустремленная натура. Брак их оказался счастливым. У Генриетты и Юстуса родилось пятеро детей. В обращении с ними Либих был строг, редко позволял себе шутки, хотя и очень любил детей. Всю жизнь Либих относился к жене с неизменной любовью. Либих, по его собственному утверждению, никогда не читал стихов и не любил романы. Театры и концерты он посещал редко, но любил прогулки и путешествия.

У Либиха был воинственный и надменный нрав. Это был человек, с которым, по немецкой поговорке, «вишни есть вместе не сядешь»: по-русски это означает примерно «палец в рот не клади». Азартный полемист, Либих в пылу борьбы не разбирал, где друзья, где враги.

Неистовая научная работа и бескомпромиссная борьба с консерваторами от агрохимии привели к тому, что уже в 50 лет Либих был человеком с разрушенным здоровьем, страдавшим бессонницей и головными болями. Весной 1870 г. Либих

серьезно заболел и даже заказал себе гроб, но, поправившись, велел спрятать его в чулан... В апреле 1873 г. во время отдыха в саду Либих простудился; простуда перешла в воспаление легких, и через две недели он скончался. Генриетта пережила своего супруга на восемь лет.

Опасная проба

Вот как описывает Карл Фогт (1817–1895) – химик, работавший вместе с Либихом, – один случай. Входит Либих, у него в руках склянка с притертой пробкой.

«Ну-ка, обнажите руку», – говорит он Фогту и влажной пробкой прикасается к руке.

«Не правда ли, жжет? – невозмутимо спрашивает Либих. – Я только что добыл безводную муравьиную кислоту». После этой пробы у Фогта остался белый шрам на руке: муравьиная, или метановая, кислота НСООН – самая сильная из всех карбоновых кислот.

Нерадивый гимназист

Юстус Либих был одним из неуспевающих учеников в Дармштадтской гимназии (Германия), где в то время почти не изучались естественные науки. После очередной неудовлетворительной оценки по латинскому языку директор гимназии спросил Либиха, что он думает делать в жизни.

— Я буду химиком, – гордо ответил Юстус Либих.

И директор, и весь класс разразились громким смехом.

— Да разве вообще существует такая профессия? Я слыхал, что таким термином обыкновенно обозначают обманщиков, мошенников, изобретателей изготовления золота, – сказал директор...

«Ценитель» вин

Либих до конца жизни не мог привыкнуть к вину и совершенно в нем не разбирался. Как-то случайно он стал обладателем партии отличного рейнвейна изготовления 1811 г. Либиху это вино показалось кисловатым, и он обработал его химическими веществами, после чего с восторгом отметил, что «вино приобрело мягкость, не потеряв ни одного из своих достоинств». Либих посылает ящик вина, обработанного реактивами, Вёлеру, чтобы тот мог «насладиться его редкостью». В ответ он получил письмо: «Что касается подарка, то я благодарен тебе скорее за дружеские намерения, чем за само вино. Оно слишком старо и похоже по вкусу на лекарство. Я поменял его на красное вино».

Либих – судебный эксперт

В 1847 г. в доме графа Герлица в Дармштадте после пожара нашли обгорелый труп графини. Медицинские эксперты предположили, что тело графини самовоспламенилось от выпитого спиртного. Но по городу поползли слухи, что в смерти виновен ее муж. Тем временем был арестован медник – отец камердинера графини: у него обнаружили несколько драгоценностей, в том числе и кольцо в виде двух переплетенных змей желтого и белого цвета. Граф Герлиц потребовал нового расследования, утверждая, что такое кольцо было у графини более 20 лет. Однако медник заявил, что кольцо принадлежит ему сорок с лишним лет. На повторном суде Либих – лучший химик-аналитик Германии – выступал в качестве эксперта и доказал, что самовозгорание человеческого тела невозможно, а белая змея изготовлена из платины, а не из серебра, как утверждал медник. Платину же стали применять в ювелирном деле в самое последнее время, и, следовательно, медник

лгал. Так удалось установить, что убийцей графини был ее камердинер, причем он попытался сжечь труп, чтобы скрыть преступление.

88. Кремний – Silicium, Si (14)

Третьим элементом, наиболее распространенным в природе, является кремний. Название этого элемента произошло от латинского «ляпис креманс», что значит – камень, дающий огонь. Так назывался твердый камень, дававший при ударе искру и долгое время служивший человеку вместо спичек для получения огня. После изобретения огнестрельного оружия кремень использовали для зажигания пороха в кремневых ружьях и пистолетах.

«Камень, дающий огонь», или кремень, как обычно называют его, – одно из многочисленных соединений кремния, часто входящее в состав большинства горных пород.

Кремень – по-латыни «силекс»; от этого слова происходит научное название элемента – силициум.

Это песок морских берегов, рек, бескрайних пустынь, мощные отложения глин, песчаники и сланцы, граниты и гнейсы, горные хребты и земная кора на глубину до 20 км состоят, главным образом, из соединений кремния. На долю кремния приходится около 17% от общего числа атомов земной коры, или 30% от ее веса. И не случайно академик А.Е. Ферсман назвал кремний основой земной коры.

Самым распространенным в природе соединением кремния является кремнезем, или кварц.

Чистая и прозрачная разновидность кварца, называемая горным хрусталем, была известна уже древним грекам. Они считали горный хрусталь льдом, так сильно замерзшим, что он навсегда утратил способность таять. Греки называли горный хрусталь кристаллом – «кристаллос», что значило лед. Впоследствии это слово вошло в минералогию и, получив широкое распространение, стало употребляться для обозначения твердых тел, имеющих форму правильных многогранников.

Кроме горного хрусталя, кристаллы которого достигают иной раз огромной величины (нескольких метров), кварц встречается в природе в виде окрашенных соединений. Среди них чистые и прозрачные разновидности, окрашенные в фиолетовый (аметисты) и в лимонно-желтый цвет (цитрины) относятся к числу драгоценных и полудрагоценных самоцветов. Общее число разновидностей кварца достигает двухсот, количество природных соединений, содержащих кварц, измеряется многими сотнями.

Из всех элементов периодической таблицы кремний является одним из немногих, соединения которого служат человеку очень давно и чрезвычайно разнообразно.

Первым соединением кремния, с которым первобытный человек «выходил в люди», был кремень – твердый камень. Используя способность кремня раскалываться на длинные прочные пластинки, первобытный человек, терпеливо отбивая от них осколки ударами другого камня, изготовлял ножи для обработки шкур, острия для копий, наконечники для стрел.

Но до того, как кусок кремня, подобранный с земли первобытным дикарем, превратился с помощью его рук в каменный скребок или нож, прошел огромный период времени, в сравнении с которым известный нам исторический период

является таким же малым, как жизнь одного человека в сравнении с этим историческим периодом.

Если в доисторический период важная роль принадлежала кремнию, то с первых дней исторического времени и до сих пор не менее важную роль в практической деятельности человека играет кварц. Кварц служит основным материалом для изготовления стекла. В популярных книгах и брошюрах, касающихся вопросов происхождения стекла, очень часто приводится рассказ римского ученого Плиния Старшего о случайном открытии стекла финикийскими купцами-мореплавателями. Застигнутые сильной бурей, они были вынуждены переждать ее в небольшой бухте. Не найдя на ее песчаных берегах каких-либо камней для очага, чтобы сварить пищу, они воспользовались глыбами соды, которой был нагружен корабль. Утром один из моряков, разгребая тлеющие остатки костра, нашел в золе водянисто-блестящие, твердые слитки, непохожие ни на одно известное в то время вещество. Это, по утверждению Плиния, и было стекло, получившееся в результате сплавления соды с морским песком.

В наши дни рассказ Плиния (погибшего, кстати говоря, при извержении Везувия в 79 г.) был проверен специалистами-стекловарами. На песчаном морском берегу из кусков соды они сложили очаг. В нем всю ночь пылало пламя. Однако опыт не увенчался успехом. Утром, когда пламя очага угасло, слитков стекла в золе не нашли. Очевидно температура, которую дает пламя костра, недостаточна для того, чтобы сода могла сплавиться с песком и превратиться в стекло.

Сейчас невозможно точно сказать, кто и когда изобрел стекло, так же как невозможно указать, кто и когда впервые обжег горшок, слепленный из глины. Известно лишь, что стекло является одним из древнейших изобретений человечества. Так, ожерелье, найденное на шее мумии египетской царицы Хатшепсут, состоящее из зеленовато-черных стеклянных бусин, насчитывает 3400 лет. Еще старше возраст стеклянной бусины из могилы города Фив, насчитывающей 5500 лет.

Высокого совершенства в стеклоделии достигли мастера древнего Рима. О большом искусстве получения цветных стекол свидетельствует мозаичный пол с изображением цепной собаки. Эта мозаика была обнаружена в одном из домов при раскопках Помпеи. Еще более оригинальна мозаика в вилле римского императора Адриана, известная в искусстве под названием «Неподметенный пол». Выложенная на полу столовой, она изображает его неподметенным: на полу разбросаны кости от съеденной дичи, хлебные крошки, различный мусор.

Римские стеклоделы были также большими мастерами производства различных изделий из стекла. Они делали кувшины для воды, масла и вина; чаши и кубки, вазы; специальные сосуды, так называемые труллы, служившие для омовения рук; слезницы – крошечные флакончики для духов. Некоторые из таких предметов дошли до наших дней; они бережно хранятся в музеях крупнейших городов Западной Европы. Среди образцов подлинного искусства особого упоминания заслуживает ваза Аюджио из дома богача Meлегера в Помпее. Это красивейший сосуд из темно-синего стекла, украшенный венком из винограда и плюща, сделанным из молочно-белого стекла. Подобным шедевром является и ваза, найденная в гробнице римского императора Александра Севера, из темно-голубого

стекла, украшенная резными рисунками, изображающими греческий миф о Язоне и волшебнице Медее.

Изучение состава древнерусских стекол домонгольского времени показывает замечательную самобытность русских мастеров, сумевших создать совершенно оригинальную рецептуру. Наиболее типичными для древнерусского самобытного стеклоделия являются свинцово-кремнеземные, калиево-свинцово-кремнеземные стекла. Из них древнерусские умельцы изготовляли бусы, браслеты, мозаику, посуду, оконные стекла. Свинцово-кремнеземные стекла были обнаружены также в Польше. В других странах стекла такого состава еще не найдены.

Одно из самых древних изобретений – стекло – приобрело в жизни человека огромное значение. Стекло видно всюду, оно на каждом шагу – в повседневности нашего быта, в промышленности, в технике, в науке, в произведениях искусств. Оконное, бутылочное, ламповое, зеркальное стекло; стекло домашней, хозяйственной, лабораторной посуды и аппаратов; стекло оптическое – от стекол очков до сложных анастигматов фотокамер; линзы бесчисленных оптических приборов – от микроскопов, открывающих огромный, но для простого глаза невидимый мир, до телескопов, уносящих нас в бесконечные просторы мироздания. Трудно перечислить все области применения стекла и невозможно сосчитать различные предметы, сделанные из него.

Не случайно еще в 1752 г. основоположник научной химии М.В. Ломоносов, готовясь к открытию стекольного завода, в письме, написанном на имя И.И. Шувалова, в стихотворной форме о пользе стекла, заканчивая перечисление предметов, изготовляемых из стекла, подчеркивает его достоинства словами:

«Далече до конца Стеклу достойных хвал, На кои целый год едва бы мне достал».

Большой вклад в развитие художественного стеклоделия в России был внесен Ломоносовым. В созданной им в 1748 г. химической лаборатории было проведено около 4000 опытов по варке цветного стекла, для которых Ломоносов «не токмо рецепты сочинял, но и материалы... своими руками по большей части развешивал и в печь ставил...».

На основе рецептов, разработанных Ломоносовым, стекольный завод, также созданный его усилиями в Усть-Рудице в 1753 г., начал изготовлять стекло:

«разноцветное прозрачное для выделки бисера, стекляруса, посуды и прочих

«галантерейных изделий»; и непрозрачное, так называемая смальта, для мозаики». Из смальты Ломоносов выполнил несколько мозаичных картин, среди которых

«Полтавская баталия» получила наибольшую известность и сохранилась до наших дней.

Успехи современной химии в области изучения свойств стекла сделали его материалом, из которого изготовляются несгораемые ткани, театральные занавеси, декорации, ковры, изоляционные ленты, вата, войлок и многие другие предметы техники и быта.

Ценные свойства кварца (пропускает ультрафиолетовые лучи, малый коэффициент расширения, химическая инертность, тугоплавкость и др.) обеспечили ему широкое применение в различных областях науки и техники.

Тончайшие, исключительно прочные, нити, получаемые из кварца, расплавленного в пламени гремучего газа, применяются в точных электроизмерительных приборах и инструментах для подвешивания деталей (стрелок, указателей, рычагов и т.д.). Из тугоплавкого кварцевого стекла изготовляют термометры для измерения высоких температур. Малый коэффициент расширения позволяет употреблять кварц для изготовления сосудов, трубок, лабораторной посуды и разнообразной химической аппаратуры применяемой в условиях резких колебаний температуры. Оптические свойства кварца обеспечивают его применение в производстве всевозможных оптических приборов, в изготовлении ламп «горного солнца», в устройстве закрытых соляриев и т.д.