Читать онлайн «Естествознание. Базовый уровень. 10 класс». Страница 53

Не все кислоты и основания в равной степени способны к диссоциации. Те из них, значительная часть молекул которых распадаются при растворении в воде на ионы, называют сильными кислотами или сильными основаниями соответственно. Те, в которых диссоциирует лишь небольшая часть молекул, называют слабыми кислотами или слабыми основаниями. Так, соляная, серная и азотная кислоты – сильные, а угольная кислота – слабая.

Гидроксиды натрия и калия являются сильными основаниями, а нашатырный спирт (раствор аммиака в воде) – слабым основанием. Сильные кислоты и щёлочи обладают очень высокой химической активностью, способны растворять и разрушать многие материалы, а их соприкосновение с кожей или со слизистыми оболочками могут вызвать ожоги (рис. 136).

Рис.135. Обугливание бумаги. концентрированной серной кислотой

1. На какие ионы диссоциируют кислоты и основания при растворении в воде?

2. Как изменяется значение pH в зависимости от степени кислотности или щёлочности растворов? Чему равен pH чистой воды?

3. Какие из пищевых или бытовых веществ имеют кислую, а какие – щелочную реакцию?

4. Чем различаются сильные и слабые кислоты и основания?

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Проверьте опытным путём, как изменяется окраска вишнёвого или черничного сока при добавлении к ним слабых растворов уксуса и питьевой соды. Сделайте вывод.

Кислоты обладают способностью взаимодействовать с металлами. В ходе этих реакций катион Н+ в молекуле кислоты замещается на катион металла. В результате образуются соединения, называемые солями. Если в молекуле кислоты находится не один, а два или три атома водорода, способных отщепляться в виде ионов Н+ в ходе электролитической диссоциации, то такая кислота называется двух– или трёхосновной. В её молекуле может замещаться металлом один, два или все три водородных атома. В качестве примера рассмотрим угольную кислоту. Она имеет формулу Н2СО3 и является двухосновной. Если только один из атомов водорода заменить на катион натрия, то получится соединение NaHCO3 – гидрокарбонат натрия, или пищевая сода. Если же на катион натрия замещаются оба атома водорода, то получается карбонат натрия (Na2CO3), или техническая сода, непригодная для употребления в пищу. Соли образуются также в результате реакции нейтрализации – взаимодействия кислот с основаниями. Так, при взаимодействии соляной кислоты НCI и гидроксида натрия NaОН образуется хлорид натрия (NaCl). В любом случае в состав солей входят катионы металла и анионы кислотных остатков. При обычных условиях соли являются кристаллическими веществами. Многие соли, такие как хлорид калия (KCl) или хлорид натрия (NaCl), хорошо растворяются в воде. Растворимость других солей, например хлорида серебра (AgCl), в воде очень мала – в 1 л воды может раствориться менее 1 мг вещества. В кристаллах солей катионы металлов и анионы кислотных остатков связаны между собой ионной связью. Поэтому при растворении в воде соли диссоциируют на ионы (см. § 48). В результате в растворах солей нет их молекул, а присутствуют только положительно и отрицательно заряженные ионы, окружённые молекулами воды (см. рис. 125). Поскольку ионы заряжены и могут свободно перемещаться в электрическом поле, то растворы солей хорошо проводят электрический ток. Растворы солей называют проводниками второго рода. В отличие от проводников первого рода (например, металлов), где переносчиками электричества являются электроны, в растворах солей происходит перенос ионов, т. е. частиц вещества.

Если в раствор соли погрузить два разноимённо заряженных электрода, соединённых с источником тока, то отрицательно заряженные анионы будут двигаться к аноду, а положительно заряженные катионы металлов – к катоду. Затем на электродах начинают протекать окислительно-восстановительные процессы. Например, на катоде катионы металла могут принимать электроны, в результате чего будет происходить выделение металла в свободном виде. На аноде анионы, например, Cl- отдают электроны, и выделяется газообразный хлор Cl2. Такой процесс, протекающий при прохождении через растворы солей электрического тока, называется электролизом и широко используется в науке и технике.

Происходящие при электролизе процессы зависят от природы растворённой соли. Если проводится электролиз солей активных металлов, например натрия или калия, то на катоде выделяется газообразный водород. Для того чтобы получить эти металлы электролизом, нужно использовать не растворы, а расплавы их солей. На аноде при электролизе солей могут выделяться галогены или кислород. Впервые для химических исследований электролиз применил английский исследователь Гемфри Деви (1778–1829). С помощью электролиза он смог впервые получить в чистом виде такие элементы, как калий, натрий, кальций, стронций, барий и магний, а также предсказал существование алюминия.

Электролиз растворов солей используют в электрохимии для получения слоя металла на поверхности какого-либо предмета (серебрение, золочение, хромирование). Эту технологию называют гальванопластикой (рис. 136). С помощью гальванопластики можно получить точные металлические копии предметов. Если после электролиза снять с формы отложенный на ней слой металла, он будет повторять её очертания.

Соли широко используют в различных областях промышленности и хозяйства (рис. 137). Многие из них незаменимы в качестве минеральных удобрений: соли азотной кислоты (селитры), соли фосфорной кислоты (фосфатные удобрения).

Рис. 136. Чайнокофейный сервиз мануфактуры Кристофля (1875) – одно из первых применений гальванопластического серебрения и золочения

В строительстве и медицине широко используют гипс – сульфат кальция, главным достоинством которого является способность быстро застывать после смешивания с водой, образуя прочное соединение. Другие соли серной кислоты, например железный и медный купоросы, находят своё применение в производстве красителей, фунгицидов, в медицине и строительстве. Главной составной частью известняка, мела и мрамора является соль угольной кислоты и кальция – карбонат кальция (CaCO3). Очищенный от посторонних примесей, карбонат кальция широко используется в строительстве, в бумажной и пищевой промышленности, при производстве красок, пластмасс, продукции бытовой химии.

1. Какие вещества относят к солям?

2. Что происходит в процессе электролиза?

3. Расскажите, где в быту используют карбонат кальция.

1. Подберите эпиграф к данному параграфу.

2. Приведите примеры солей, использующихся в промышленности и сельском хозяйстве.

3. Вспомните из курса географии, к какому типу пород относится известняк.

Рис. 137. Многообразие солей (А: синяя – медный купорос, красная – дихромат калия, жёлтая – жёлтая кровяная соль, тёмно-фиолетовая – перманганат калия, белая – хлорид натрия, зелёная – нитрат никеля (II)) и их применение (Б – Ж)

Органическими веществами (за тем небольшим исключением, о котором говорилось выше) являются химические соединения, содержащие в своей молекуле углерод. Кроме него, в состав органических соединений почти всегда входит водород, часто кислород, азот, сера и фосфор, а иногда и многие другие элементы, включая различные металлы. Органические вещества входят в состав всех живых организмов и постоянно в них образуются. Раньше считали, что образование этих соединений вообще невозможно без участия живых организмов, отсюда и произошло их название. Действительно, в неживой природе эти вещества образуются редко и в небольших количествах, поэтому их либо извлекают из организмов, либо получают путём сложного химического синтеза.

Для того чтобы правильно представлять себе формулы органических соединений, следует иметь в виду, что атом углерода в них всегда четырёхвалентен, водород – одновалентен, кислород имеет валентность два, азот – три, а фосфор – пять. Впервые теорию строения органических веществ предложил в 1861 г. российский химик Александр Михайлович Бутлеров (1828–1886). В то время ещё ничего не было известно о строении атома и электронных оболочках, но на основании экспериментальных данных немецким химиком Фридрихом Кекуле (1829–1896) была высказана мысль о том, что атом каждого элемента обладает некоторым числом «единиц сродства» с другими атомами. Ф. Кекуле удалось установить валентности серы, углерода и водорода.