поэтому закон сохранения массы в ядерных процессах нарушается. Однако, закон сохранения энергии остается справедливым и в этом случае, если учитывать энергию покоя.
В химических реакциях изменение массы, вызванное выделением или поглощением энергии, очень мало. Типичный тепловой эффект химической реакции по порядку величины равен 100 кДж/моль. Посчитаем, как при этом изменяется масса:
Δm = ΔЕ/с2 = 105/(3·108)2 ≈ 10−12 кг/моль = 10−9 г/моль.
Ясно, что такое малое изменение массы невозможно зарегистрировать экспериментально, поэтому можно утверждать, что в химических реакциях закон сохранения массы выполняется практически точно.
52. Магний, Magnesium, Mg (12)
В 1695 г. один из химиков, стремясь получить «философский камень», выпаривал воду, вытекавшую из недр земли близ города Эпсом (Англия). Он получил соль, обладающую... горьким вкусом и слабительным действием. Спустя пять лет было обнаружено, что соль Эпсома, взаимодействуя с «постоянной щелочью» (так почти до конца XVIII в. называли соду и поташ), образует рыхлый белый легкий порошок. За внешнее сходство с другим таким же легким и рыхлым порошком, который получался при прокаливании каменистой горной породы, находящейся близ греческого города Магнезии (в Восточной Фессалии), полученный порошок стали называть белой магнезией.
Есть основания полагать, что название могло произойти и от двух других городов древней Греции с теми же самыми «именами». Один из них – Магнезия в Лидии у подножья горы Сипеле. Другая Магнезия – в Ионии, известная как подарок персидского царя Артаксеркса афинскому государственному деятелю Фемистоклу. В окрестностях этих городов тоже встречалась порода, дававшая при обжиге белый порошок, получивший название магнезии.
В 1808 г. после того, как Дэви выделил металл, способный образовывать белую магнезию, этому металлу было присвоено «имя» магний.
Магний широко распространен в природе в виде разнообразных соединений, образующих минералы: магнезит, доломит, силикаты – оливин, авгит, асбест, тальк, морская пенка и др.
Магнезит образует мощные скопления, из доломита состоят целые горные хребты. Не меньшие количества соединений магния находятся в воде морей и океанов, где в пересчете на чистый магний его содержится не менее 60 000 000 000 000 000 т. Являясь биоэлементом, магний входит в состав живого вещества. Если в животных организмах количество магния не превышает сотых долей процента, то в растениях его уже значительно больше. Магний – необходимая составная часть красящего вещества растений – хлорофилла, играющего важную роль в процессах усвоения углекислоты.
Хлорофилл – одно из замечательных веществ в природе. Он поглощает солнечные лучи, за счет энергии которых в листе осуществляются сложные химические превращения. В результате этих превращений из углекислого газа (продукта дыхания человека, животных и растений, отброса фабрик и заводов) и воды в зеленых частях растений создаются сложные органические вещества (сахар, крахмал и др.). Эти вещества необходимы для питания человека и животных. Данное превращение есть единственный на нашей планете естественный процесс образования органических веществ. Вот что писал по этому поводу великий русский ученый К.А. Тимирязев: «Все органические вещества, как бы они ни были разнообразны, где бы они ни встречались – в растении ли, в животном или человеке, прошли через лист... вне листа... в природе не существует лаборатории, где бы выделывалось органическое вещество. Без усвоения растениями углерода на земле не было бы жизни в том виде, в каком она есть сейчас». В этом заключается мировая, или, как говорил К.А. Тимирязев,
космическая, роль растений.
Процесс образования, или синтез органических веществ в листьях, называется фотосинтезом (от греческого слова «фотос» – свет). Фотосинтез сопровождается выделением из листьев кислорода и поглощением солнечных лучей, энергия которых закрепляется в виде скрытой энергии органических веществ в растении. Таким образом, с помощью хлорофилла растения осуществляют санитарную роль на Земле: очищают ее от углекислоты, жизнь в которой невозможна для животных и людей, и аккумулируют солнечное тепло. Просто схватить и спрятать луч Солнца невозможно, но с помощью растения, с помощью его зеленой ветки, зеленого листа можно не только извлечь углерод из воздуха, но и вместе с ним положить в запас и поглощенный хлорофиллом луч Солнца. В состав хлорофилла входит до 2% магния. Без магния нет хлорофилла, а без него не могла бы быть на Земле и жизнь. Такова роль магния.
Что же представляет собой магний? Магний – металл, серебристо-белого цвета, очень легкий (плотность 1,7), устойчивый на воздухе, так как быстро покрывается тонким слоем окиси, защищающим металл от дальнейшего окисления. Если магний поместить в пламя спички, он загорается и сгорает ярким пламенем с образованием густого белого дыма (окиси магния). При этом выделяется большое количество ультрафиолетовых лучей и тепла. Теплом, выделяющимся при сгорании одного грамма магния, можно нагреть 100 г (полстакана) ледяной воды до 50°С.
Рисунок 101. Металлический магний в слитках
Рисунок 102.
Фотограф с магниевой вспышкой
Рисунок 103. Лекарственный препарат с магнием
Магний в минувшей войне использовался германской армией для изготовления зажигательных бомб и осветительных ракет. В фотографии при недостатке естественного освещения также используется магниевая вспышка.
Способность магния давать прочные и легкие сплавы используется в металлургии. Из технических сплавов нашли широкое применение в машиностроении сплавы магналий и
«электрон». Магналий – сплав 5–30% магния с алюминием. Этот сплав тверже алюминия, но легче обрабатывается и полируется. Под названием «электрон» понимают ряд сплавов магния с алюминием (до 10,6%), цинком (до 4,5%) и марганцем (до 1,7%). Иногда в состав этих сплавов вводят медь, бериллий, титан и др.; обладая прекрасными техническими свойствами,
«электрон» лишь немногим тяжелее (1,8) чистого магния.
§17. Уравнения химических реакций
Схема химической реакции
Для характеристики определенной химической реакции необходимо уметь составить запись, которая будет отображать условия протекания химической реакции, показывать какие вещества вступили в реакцию, а какие образовались. Для этого используют схемы химических реакций.
Рассмотрим в качестве примера реакцию взаимодействия угля и кислорода. Схема данной реакции записывается следующим образом:
| С | + | О 2 | ® | СО 2. |
| уголь | взаимодействует | с кислородом | с образованием | углекислого газа |
Углерод и кислород – в данной реакции реагенты, а полученный углекислый газ –
продукт реакции. Знак «®» обозначает протекание реакции. Часто над стрелкой пишут условия, при которых происходит реакция.
t° Р
Например, знак «→ » обозначает, что реакция протекает при нагревании. Знак «→ »
hn
обозначает давление, а знак «→ » – что реакция протекает под действием света. Также над
стрелкой могут указывать дополнительные вещества, участвующие в реакции. Например,
О2
«→ ».
Если в результате химической реакции образуется газообразное вещество, то в схеме
реакции, после формулы этого вещества записывают знак «». Если при протекании реакции образуется осадок, его обозначают знаком «¯».
Например, при нагревании порошка мела (он содержит вещество с химической формулой CaCO3), образуются два вещества: негашеная известь СаО и углекислый газ. Схема реакции записывается так:
t°
СaCO 3 → CaO + CO 2 .
В тех случаях, когда и реагенты и продукты реакции, например, являются газами, знак
«» не ставят. Так, природный газ, в основном состоит из метана CH4, при его нагревании до 1500°С он превращается в два других газа: водород Н2 и ацетилен С2Н2. Схема реакции записывается так:
t°
CH 4 → C 2 H 2 + H 2.
Важно не только уметь составлять схемы химических реакций, но и понимать, что они
обозначают. Рассмотрим, еще одну схему реакции:
эл.ток
H 2 O → Н 2 + О 2 .
Данная схема означает, что под действием электрического тока, вода разлагается на два
простых газообразных вещества: водород и кислород.
Схема химической реакции является подтверждением закона сохранения массы и
показывает, что химические элементы во время химической реакции не исчезают, а только перегруппировываются в новые химические соединения.
Уравнения химических реакций
Согласно закону сохранения массы исходная масса продуктов всегда равна массе полученных реагентов. Количество атомов элементов до и после реакции всегда одинаковое, атомы только перегруппировываются и образуют новые вещества.
Вернемся к схемам реакций, записанным ранее:
t°
СaCO 3 → CaO + CO 2 ; С + О 2 ® СО 2.
В данных схемах реакций знак «®» можно заменить на знак «=», так как видно, что
количество атомов до и после реакций одинаковое. Записи будут иметь следующий вид:
СaCO 3 = CaO + CO 2 ; С + О 2 = СО 2.
Именно такие записи называют уравнениями химических реакций, то есть, это –
записи схем реакций, в которых количество атомов до и после реакции одинаковое.
Если мы рассмотрим другие, приведенные ранее схемы уравнений, можно заметить, что на первый взгляд, закон сохранения массы в них не выполняется:
t°
CH 4 → C 2 H 2 + H 2.
Видно, что в левой части схемы, атом углерода один, а в правой – их два. Атомов
водорода поровну и в левой и правой частях их по четыре. Превратим данную схему в уравнение. Для этого необходимо уравнять количество атомов углерода. Уравнивают химические реакции при помощи коэффициентов, которые записывают перед формулами веществ.
Очевидно, чтобы количество атомов углерода стало одинаковым слева и справа, в левой части схемы, перед формулой метана, необходимо поставить коэффициент 2:
t°
2CH 4 → C 2 H 2 + H 2.
Видно, что атомов углерода слева и справа теперь поровну, по два. Но теперь
неодинаково количество атомов водорода. В левой части уравнения их 2∙4 = 8. В правой части уравнения атомов водорода 4 (два из них в молекуле ацетилена, и еще два – в молекуле водорода). Если поставить коэффициент перед ацетиленом, нарушится равенство атомов углерода. Поставим перед молекулой водорода коэффициент 3:
2CH 4 = C 2 H 2 + 3H 2.
Теперь количество атомов углерода и водорода в обеих частях уравнения одинаковое.
Закон сохранения массы выполняется!
Рассмотрим другой пример. Схему реакции Na + H 2 O ® NaOH + H 2 необходимо превратить в уравнение.
В данной схеме различным является количество атомов водорода. В левой части два, а в правой – три атома. Поставим коэффициент 2 перед NaOH:
Na + H 2 O ® 2NaOH + H 2.
Тогда атомов водорода в правой части станет четыре, следовательно, коэффициент 2 необходимо добавить и перед формулой воды:
Na + 2H 2 O ® 2NaOH + H 2.
Уравняем и количество атомов натрия:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2.
Теперь количество всех атомов до и после реакции одинаковое.
Таким образом, можно сделать вывод: чтобы превратить схему химической реакции в уравнение химической реакции, необходимо уравнять количество всех атомов, входящих в состав реагентов и продуктов реакции при помощи коэффициентов. Коэффициенты ставятся перед формулами веществ.
Подведем итоги
Вопросы, упражнения и задачи
В чем разница между схемой реакции и уравнением химической реакции?
Расставьте коэффициенты в следующих химических реакциях:
| 1. | Сa + O2 ® CaO | 11. | Mg + HCl ® MgCl2 + H2 |
| 2. | Mg + N2 ® Mg3N2 | 12. | Al + HBr ® AlBr3 + H2 |
| 3. | Al + Cl2 ® AlCl3 | 13. | Li + H2O ® LiOH + H2 |
| 4. | N2 + H2 ® NH3 | 14. | NH3 + O2 ® N2 + H2O |
| 5. | H2 + Br2 ® HBr | 15. | Al + Fe2O3 ® Fe + Al2O3 |
| 6. | C + O2 ® CO | 16. | Al(OH)3 ® Al2O3 + H2O |
| 7. | SO2 + O2 ® SO3 | 17. | Cu(NO3)2 ® CuO + NO2 + O2 |
| 8. | NaNO3 ® NaNO2 + O2 | 18. | C2H4 + O2 ® CO2 + H2O |
| 9. | Al2О3 + HI ® AlI3 + H2О | 19. | CO + O2 ® CO2 |
| 10. | NH3 + O2 ® NO + H2O | 20. | P + O2 ® P2O5 |
Расставьте коэффициенты в схемах реакций:
| a) | Mg + НI ® MgI2 + Н2 | б) | АlВr3 + Сl2 ® АlСl3 + Вr2 |
| Са + Н2O ® Са(ОН)2 + Н2 | ВiСl3 + Zn ® ZnCl2 + Ві | ||
| Аl + H2SO4 ® Al2(SO4)3 + Н2 | AgNO3 + Mg ® Mg(NO3)2 + Ag |
Расставьте коэффициенты в схемах реакций:
| a) | Li2O + НСl ® LiCl + Н2O | б) | NaOH + СO2 ® Na2CO3 + Н2O |
| Сr2O3 + HNO3 ® Cr(NO3)3 + Н2O | KОН + Сr2O3 ® KСrO2 + Н2O | ||
| Аl2O3 + H2SO4 ® Al2(SO4)3 + Н2O | Ва(ОН)2 + Р2O5 ® Ва3(РO4)2 + Н2O |
Расставьте коэффициенты в схемах реакций:
| a) | Са(ОН)2 + НСl ® СаСl2 + Н2O | б) | LiOH + Cu(NO3)2 ® Cu(OH)2¯ + LiNO3 |
| Ва(ОН)2 + H2SO4 ® BaSO4¯ + Н2O | KОН + Cr2(SO4)3 ® Cr(OH)3¯ + K2SO4 | ||
| NaOH + Н3РO4 ® Na3PO4 + Н2O | NaOH + FeCl3 ® Fe(OH)3¯ + NaCl |
Расставьте коэффициенты в схемах реакций:
| a) | NaF + H2SO4 ® Na2SO4 + HF | б) | СаСl2 + K3РO4 ® Са3(РO4)2¯ + KСl |
| ВіСl3 + H2S ® Bi2S3¯ + HCl | Pb(NO3)2 + KІ ® РbІ2¯ + KNO3 | ||
| CaCO3 + НСl ® СаСl2 + СO2 + Н2O | ВаСl2 + Cr2(SO4)3 ® BaSO4¯ + СrСl3 |
Расставьте коэффициенты в схемах реакций:
| a) | t° KNO3 → KNO2 + O2 | б) | t° Al2(SO4)3 → Аl2O3 + SO3 |
| t° (NH4)2S → NH3 + H2S | t° Zn(NO3)2 → ZnO + NO2 + O2 | ||
| t° NH4NO3 → N2O + H2O | t° Ag2CO3 → Ag + CO2 + O2 |
Вместо точек запишите формулы простых веществ, которые вступили в реакцию,
расставьте коэффициенты:
| 1. | … + … ® NaCl | 6. | … + … ® Li2S |
| 2. | … + … ® Al2S3 | 7. | … + … ® HI |
| 3. | … + … ® BaO | 8. | … + … ® PH3 |
| 4. | … + … ® Li3N | 9. | … + … ® Al4C3 |
| 5. | … + … ® P2O3 | 10. | … + … ® Na2O2 |
Исправьте ошибки в следующих уравнениях химических реакций:
| 1. | 2Ca + H2SO4 = CaSO4 + H2 | 6. | HgO = Hg + O2 |
| 2. | FeCl2 + 3Cl3 = FeCl3 | 7. | 2LiCl + AgNO3 = AgCl + 2LiNO3 |
| 3. | Na + S = Na2S | 8. | CuSO4 = CuO + SO2 |
| 4. | SO3 = 2SO2 + O2 | 9. | 5Sb + 2Cl2 = 5SbCl5 |
| 5. | 2Cr + 6HCl = 2CrCl3 + 2H2 | 10. | PbO + 2Al = Al2O3 + Pb |
Прокомментируйте, при каких условиях, и чем будет сопровождаться протекание следующих реакций. Превратите схемы реакций в уравнения:
| 1. | BaCl2 + Na2SO4 ® BaSO4¯ + NaCl | 4. | CaCO3 + HNO3 ® Ca(NO3)2 + CO2 + H2O |
| 2. | t° Mg + H2O → Mg(OH)2 + H2 | 5. | эл.ток KCl → K + Cl2 |
| 3. | hn AgI → Ag + I2 | 6. | P NO2 → N2O4 |
Поставьте недостающие коэффициенты и замените стрелки знаками равенства:
| 1. | ?Н2O ® 2Н2 + O2 | 11. | ?Na + Р ® Na3P |
| 2. | ?Li + Сl2 ® 2LiCl | 12. | 2Cu + O2 ®?СuО |
| 3. | ?K + S ® K2S | 13. | ?Аl +?Вr2 ® 2АlВr3 |
| 4. | 2Ag2O ®?Ag + O2 | 14. | ?Н2 + O2 ®?Н2O |
| 5. | ?Аl +?Сl2 ® 2АlСl3 | 15. | ?Mg + N2 ® Mg3N2 |
| 6. | Н2 + Сl2 ®?НСl | 16. | ?Са +?Р ® Са3Р2 |
| 7. | K2O + Н2O ®?KОН | 17. | Р2O5 +?Н2O ®?Н3РO4 |
| 8. | 2Fe(OH)3 ® Fe2O3 +?Н2O | 18. | ?NO + O2 ® 2NO2 |
| 9. | 2СО + O2 ®?СO2 | 19. | ?Fe3O4 + 8Аl ® 9Fe +?Аl2O3 |
| 10. | ?H2O2 ®?H2O + O2 | 20. | ?NaNO3 ®?NaNO2 + O2 |
Напишите уравнения реакций
| 1. | Сu + О2 ® СuО | 9. | Ba(NO3)2 + СО2 + Н2О ® ВаСО3¯ + HNO3 |
| 2. | SO2 + O2 ® SO3 | 10. | Fe2(SO4)3 + K3PO4 ® FePO4¯ + K2SO4 |
| 3. | Na + Н2О ® NaOH + Н2 | 11. | H2SO4 + KOH ® K2SO4 + H2O |
| 4. | NaOH + CO2 ® NaHCO3 | 12. | Ni(NO3)2 + K2S ® NiS¯ + KNO3 |
| 5. | NaHCO3 ® Na2CO3 + CO2 + Н2О | 13. | FeCl2 + Сl2 ® FeCl3 |
| 6. | Na2CO3 + H2SO4 ® Na2SO4 + СО2 + Н2О | 14. | KBr + Cl2 ® KCl + Br2 |
| 7. | Na2SO4 + ВаСl2 ® NaCl + BaSO4¯ | 15. | Са3(РО4)2 + SiO2 ® CaSiO3 + Р2О5 |
| 8. | KОН + H2S ® K2S + Н2О | 16. | СrСl3 + NaOH ® Cr(OH)3 + NaCl |
| 17. | CuO + HCl ® CuCl2 + H2O | 19. | СО + Fe2O3 ® Fe3O4 + СО2 |
| 18. | Na2CO3 + НСl ® NaCl + СО2 + Н2О | 20. | Si + NaOH + H2O ® Na2SiO3 + Н2 |
Составьте формулы продуктов реакций и напишите соответствующие уравнения химических реакций:
|
t° t°
a) NH3 + O2 → N2 + Н2O; б) CuS + O2 → CuO + SO2;
t° t°
H2S + O2 → SO2 + Н2O; Al2S3 + O2 → Аl2O3 + SO2;
t° t°
СН4 + O2 → СO2 + Н2O; P2S5 + O2 → Р2O5 + SO2.
Запишите вместо букв х, у и z соответствующие индексы и коэффициенты:
a) 4Fe + 3O2 = 2FexOy ; б) 2SO2 + O2 = ySOx;
2Р + 3Сl2 = уРСlх ; 2РН3 + 4O2 = РхОу + zH2O;
3Fe + 4Н2O = zH2 + FexOy; CS2 + 3O2 = COx + ySO2.
Блокнот эрудита
53. Стехиометрия – основа химии
Выдающийся немецкий философ Иммануил Кант как-то заметил, что в некоторых ветвях естественных наук истинной науки столько, сколько в них математики. Эти слова произвели глубокое впечатление на немецкого химика Иеремию Вениамина Рихтера (1762– 1807): даже свою докторскую диссертацию он назвал «Использование математики в химии». А ещё Рихтер сформулировал правило, которым химики пользуются уже более двух столетий. Основываясь на результатах собственных экспериментов, а также работ предшественников, он вывел закон, согласно которому вещества взаимодействуют в строго определённых соотношениях, причём массы и исходных веществ, и продуктов реакции можно рассчитать заранее. Впервые в истории химии Рихтер записал количественные уравнения реакций, позволяющие, как выразился бы современный химик, рассчитать теоретический выход продукта.
Все эти идеи, известные сейчас даже школьнику, Рихтер изложил в 1793 г. в своём главном труде «Начальные основания стехиометрии». Введённое им понятие стехиометрии (от греч. «стойхеон» – «основание», «элемент» и «метрео» – «измеряю»), т.е. массовых или объёмных соотношений реагирующих веществ, стало одним из ключевых в химии.
54. Фосфор, Phosphorus, Р (15)
Фосфор – неметалл, может существовать в нескольких формах, или, как говорят, в нескольких модификациях.
Белый фосфор – твердое кристаллическое вещество, причем в химически чистом виде кристаллы белого фосфора совершенно бесцветны, прозрачны и очень хорошо преломляют свет. На свету они быстро желтеют и утрачивают прозрачность. Поэтому в обычных условиях фосфор внешне очень похож на воск, но тяжелее его (плотность белого фосфора 1,84). На холоду фосфор хрупок, но при комнатной температуре сравнительно мягок и легко режется ножом. При 44°С белый фосфор плавится, а при 280,5°С кипит. Белый фосфор, окисляясь кислородом воздуха, светится в темноте и легко воспламеняется при слабом нагревании, например от трения.
Температура воспламенения совершенно сухого и чистого фосфора близка к температуре человеческого тела. Поэтому его хранят только под водой. Белый фосфор используется в качестве зажигательного материала в артиллерийских снарядах, авиационных бомбах, гранатах, пулях.
Фосфор – один из сильнейших ядов. Одна десятая доля грамма фосфора уже смертельная для человека. С другой стороны, фосфор – составная часть животного организма, без него животные и человек существовать не могут. Недостаток фосфора в организме вызывает задержку роста, слабость, прогрессивное исхудание и смерть. Прибавление же к пище растущих животных незначительных количеств фосфора (0,00015 г в день) ведет к улучшению аппетита, увеличению веса, числа красных кровяных шариков (эритроцитов), росту и уплотнению костей. Основная масса фосфора в организмах животных и человека содержится в костях. Соединения фосфора входят также в состав мозга, нервов, крови. Общее количество фосфора в организме человека достигает 500 г. Этим количеством свободного фосфора могут смертельно отравиться 5000 человек, и это же количество фосфора необходимо для нормального существования одного человека.
В поисках эликсира молодости и попытках получения золота алхимик XVII столетия Хенниг Бранд из Гамбурга пытался изготовить «философский камень» из мочи. Для этой цели он выпарил большое количество ее и полученный после упаривания сиропообразный остаток подверг сильному прокаливанию в смеси с песком и древесным углем без доступа воздуха.
В результате Бранд получил вещество, обладающее необыкновенными свойствами: оно светилось в темноте; брошенное в кипящую воду, выделяло пары, загоравшиеся на воздухе с выделением густого белого дыма, растворявшегося в воде с образованием кислоты.
Независимо от Бранда в Англии в 1680 г. фосфор был получен Бойлем. В 1743 г. химик А. Марграф нашел более совершенный способ получения фосфора и опубликовал свои данные для всеобщего сведения.
За способность светиться в темноте фосфор получил свое название, составленное из двух греческих слов: «фос» – свет и «феро» – несу. Буквально «фосфор» – светоносец.
Фосфор в природе в свободном состоянии не встречается. Однако, относясь к числу широко распространенных элементов (на долю фосфора приходится 0,04% от общего числа атомов земной коры), он образует скопления минералов – фосфорита и апатита.
Некоторые соединения фосфора – фитин, глицерофосфат и др. – используются в медицине как лекарства, укрепляющие нервную, мышечную и костную системы.
Основным потребителем фосфора является спичечная промышленность.
Красный фосфор в противоположность белому, или желтому, как его иногда называют, не ядовит, на воздухе не окисляется, в темноте не светится, в сероуглероде не растворяется и загорается только при 260°С. Красный фосфор получается из белого путем длительного нагревания без доступа воздуха при 250–300°С.
При очень больших давлениях красный фосфор переходит в новую модификацию – черный фосфор. Выяснено, что при давлении в 40 000 кг/см2 образующаяся черная
