Вступающие в химическую реакцию вещества и ее продукты обладают разным запасом энергии. Это приводит к тому, что в ходе реакции должна выделяться теплота, если суммарная энергия продуктов меньше чем у реагентов, и, напротив, требуется дополнительная энергия из окружающей среды на образование продуктов, которые должны обладать более высоким запасом энергии по сравнению с исходными. Эти тепловые характеристики связаны с прочностью (энергией) химических связей
Таким образом, любая химическая реакция будет обладать тепловым эффектом:
Тепловой эффект — энергия (теплота), которая выделяется или поглощается в ходе протекания химической реакции. Она измеряется в килоджоулях (кДж)
Расчеты с участием теплового эффекта находят свое применение в самых различных областях химии. К примеру, они позволяют анализировать поведение веществ в разнообразных реакциях, сравнивая их энергетические параметры, а также подбирать оптимальные условия для протекания химических процессов, что имеет важное значение для достижения максимальной эффективности на промышленных установках.
Данные о теплотах реакций имеют большое значение при изучении химической кинетики, т.к. тепловые характеристики веществ сильно влияют на скорость и направление химических реакций.
Также тепловые эффекты могут использоваться в аналитической химии для качественного и количественного анализа
Классификация реакций по тепловому эффекту
Если в ходе реакции теплота выделяется (знак теплового эффекта «+»), то такая реакция является экзотермической: 2NO + O2 → 2NO2 + 114 кДж.
При окислении двух молей NO по этой реакции выделяется 114 кДж. Это связано с образованием оксида NO2 с более прочными химическими связями — их формирование энергетически выгодно, поэтому излишняя энергия выделяется в окружающую среду в виде теплоты
Если в ходе реакции теплота поглощается (знак теплового эффекта «-»), то такая реакция является эндотермической:
N2 + O2 → 2NO – 180,8 кДж
При окислении одного моля N2 поглощается 180.8 кДж. Молекула азота является крайне стабильной. Валентные связи в ней крайне прочные и для их разрыва требуются большие затраты энергии из внешней среды. Именно поэтому азот, составляющий 78% земной атмосферы, не вступает самопроизвольно во многие потенциальные химические реакции, оставаясь достаточно инертным веществом
Такие уравнения реакций, для которых указано количество выделяющейся или поглощаемой в ее ходе теплоты, называются термохимическими уравнениями
С термохимическими уравнениями можно работать как с математическими выражениями, т.е. их можно складывать, вычитать или же умножать на какое-то число. Т.к. часто тепловой эффект реакции рассматривается только для одного моля вещества, то стехиометрические коэффициенты, стоящие при других участниках реакции, могут оказываться дробными величинами. Записывать термохимические уравнения с дробными коэффициентами возможно, т.к.тепловой эффект указывается в расчете на моль вещества, т.е. эти уравнения оперируют количеством вещества, а не молекулами
СН4 +3/2О2 = СО + 2Н2О(Г) + 519,33 кДж
Правило для задач: Как видно из этих уравнений тепловой эффект всегда пропорционален количеству одного из веществ (любого), участвующего в химической реакции. Это правило используется в расчетных задачах
Влияние изменения температуры на смещение химического равновесия
В соответствие с принципом Ле Шателье можно сказать, что:
При повышении температуры химическое равновесие системы смещается в сторону эндотермической реакции, а при понижении температуры – в сторону экзотермического процесса
H2 (г) + Cl2 (г) ⇄ 2HCl (г) + Q
Реакция является экзотермической, т.е. идёт с выделением теплоты, поэтому при нагревании ее равновесие сместится влево, в сторону исходных веществ, а при уменьшении температуры — наоборот, вправо, в сторону образования продуктов.
C4H10 (г) ⇄ C4H8 (г) +H2 (г) — Q
Реакция является эндотермической — она идет с поглощением теплоты извне, поэтому при нагревании ее равновесие сместится в сторону образования продуктов, а при уменьшении температуры — в сторону исходных веществ.
Какие выводы можно сделать из ТХУ?
является ли реакция эндотермической или экзотермической
позволяет проанализировать устойчивость соединений и прочность образующихся связей
позволяет подобрать более оптимальные условия для протекания реакции
рассчитать, какое количество вещества вступило в реакцию и какое количество продукта образовалось, если известен тепловой эффект реакции и наоборот
Дополнительные термины
Отдельно выделяют теплоту образования и сгорания вещества, которые используют при описании химического соединения:
Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.
Например, при сгорании алюминия: 2Аl + 3/2О2 → Аl2О3 + 1675 кДж теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль.
Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:
4Аl + 3О2 → 2Аl2О3 + 3350 кДж
теплота образования Al2O3 все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.
Теплота сгораниявещества – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.
Например, при горении метана: СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О + 802 кДж теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.
Иногда в некоторых физико-химических задачах требуется вычислить теплоту, которую нужно затратить на нагревание веществ до определенной температуры или для осуществления фазового перехода (например, когда меняется агрегатное состояние воды: лед-жидкость-пар). В этом случае пользуются новыми термодинамическими величинами
Удельная теплоемкость вещества — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты в Дж необходимо передать веществу массой 1 кг для его нагрева на 1°C
Значения удельной теплоемкости различных веществ приводятся в справочниках. Так для воды (ж.) удельная теплоемкость равна 4200 Дж/кг*1°C
В данном курсе мы рассмотрим основные типы химических реакций в органической химии. Их необходимо понимать и знать потому что на этих правилах основаны все взаимодействия в органической химии.
Реакции можно классифицировать по разным критериям. Например по механизму реакции, типу взаимодействия или изменению структуры.
Механизмы реакций— это последовательность этапов протекания химической реакции. На каждом этапе происходит создание или разрушение молекулярных связей.
В зависимости от способа разрыва связи различают реакции, протекающие по радикальному и ионному механизму. При радикальном механизме – промежуточными частицами в реакции являются радикалы, а при ионном механизме – промежуточными частицами в реакции являются ионы.
Радикальный механизм
В таких реакциях принимают участие свободные радикалы, образующиеся при гомолитическом разрыве молекулы. Радикалы имеют неспаренный электрон, за счет которого протекает реакция
Ионный механизм Это процесс, в котором химические реакции протекают через образование и взаимодействие ионов
Типы реакций
1.Реакции замещения
— это реакция, в ходе которой 1 атом или группа атомов заменяется другой группой атомов в органическом веществе. Принцип схож с замещением в неорганической химии, однако механизм протекания реакции зависит от класса вещества.
Примеры:
1. Нуклеофильное замещение:
Реакция бромбензола с натриевым гидроксидом: реакция проходит через образование карбокатиона как промежуточного продукта. Это нуклеофильное замещение типа S_N1
+ NaOH ->NaBr + H2O
Также возможно прямое взаимодействие нуклеофила с субстратом по типу замещения S_N2, что приводит к одновременному разрыву связи с функциональной группой. Примером является реакция бромистого метила с гидроксидом натрия
CH3Br + NaOH = CH3OH + NaBr
2. Электрофильное замещение:
Нитрование бензола
в бензоле происходит замещение водорода на нитрогруппу
3. Радикальное замещение
Галогенирование алканов:
CH4 + Cl2→CH 3 Cl + HCl один из атомов водорода в метане замещается на хлор
2.Реакции присоединения
— это реакции, в которых два или более реагента соединяются, образуя более сложное соединение.
1. Электрофильное присоединение
протекает по такому же механизму, как в замещении
Гидрирование соединений с кратной связью между атомами углерода:
C2H4 + H2 C2H6этилен превращается в этан
2. Электрофильное присоединение
Гидратация соединений с кратной связью между атомами углерода:
C3H6 + H2O -> C3H8О пропен превращается в пропанол
3. Галогенирование соединений с кратной связью между атомами углерода:
— Присоединение брома к этилену- электрофильное присоединение. Бром выступает как электрофил, а двойная связь алкена — как нуклеофил.
C2H4 + Br2 →C2H4Br2 образуется бромид 1,2-дибромэтан
4. Электрофильное присоединение
Гидрогалогенирование соединений с кратной связью между атомами углерода:
C4H8 + HCl→C4H9Cl бутен превращается в алкилгалогенид
5. Радикальное присоединение
Полимеризация: Процесс, при котором маленькие молекулы (мономеры) соединяются в длинные цепочки (полимеры). Например, полимеризация этилена (C₂H₄) может происходить с помощью радикалов, образующих полиэтилен.
3. Реакции отщепления
— это реакции, в которых из молекулы удаляется небольшая группа атомов, обычно с образованием двойной связи или циклической структуры. Отщепление атома водорода происходит преимущественно от наименее гидрогенизированного атома углерода по правилу Зайцева
Примеры:
1. Дегидратация спиртов:
— Отщепление воды от этанола:
C2H5OH+C2H4 + H2O этанол превращается в этилен
2. Дегидрирование алканов:
— Отщепление водорода от пропана:
C3H8 -> C3H6 + H2пропан превращается в пропен
3. Отщепление углекислого газа:
— Декарбоксилирование карбоновых кислот:
RCOOH→RH + CO2карбоновая кислота превращается в углеводород и углекислый газ, обычно реакция протекает при нагревании в присутствии кислот или оснований
— это процесс, в ходе которого молекулы с одинаковой молекулярной формулой, но различной структурой или пространственным расположением атомов, превращаются друг в друга. Процесс протекает в присутствии катализаторов. Обычно это кислотные, щелочные или металлические катализаторы
Примеры:
1. Изомеризация алканов:
— Изомеризация н-бутана в изобутан:
2. Изомеризация алкенов:
— Изомеризация 1-бутена в цис- и транс-2-бутен:
3. Изомеризация углеводородов с помощью катализаторов:
— Изомеризация циклоалканов:
C6H12->C6H12 например, циклопентан может изомеризоваться в метилциклобутан (при нагревании, в присутствии Al2O3)
4. Изомеризация спиртов:
— Изомеризация пропан-1-ола в пропан-2-ол (при нагревании, в присутствии Al2O3):
Расчет по уравнениям реакций (выход реакции и примеси)
Важные величины и формулы для их вычисления:
Количество вещества (n) ⃰ – относительная величина, которая характеризует число частиц, содержащихся в веществе.
1 моль вещества содержит 6,02*1023 молекул
Формула для расчета:
где m — масса вещества (г),
M — молярная масса вещества (г/моль)
где V — объем вещества (л),
Vm — молярный объем вещества (моль/л) = 22,4 моль/л
где N — число молекул, NA — постоянная Авогадро,NA = 6,02*1023, моль-1
Массовая доля выхода вещества в реакции (η) ⃰ ⃰ – это отношение масс (объемов) получившихся на практике веществ к массе (объему), которая была рассчитана теоретически.
Признаком реакции будет образование металлического серебра.
Окисление с помощью Cu(OH)2 при нагревании: R-COH + 2Cu(OH)2 = Cu2O↓ + R-COOH + 2H2O
Будет образовываться кирпично-красный осадок оксида меди (I).
С помощью этих реакций можно отличить глюкозу от фруктозы, так как фруктоза не содержит альдегидную группу. Нельзя отличить два альдегида.
Также альдегиды могут быть непредельными, то есть содержать кратные связи в углеводородном радикале. В таком случае они будут вступать и в реакции на кратную связь (обесцвечивание бромной воды, окисление перманганатом калия и т.д.).
Карбоновые кислоты (-COOH)
Они проявляют все основные свойства неорганических кислот.
Основной реакцией является реакция диссоциации
R-COOH = R-COO— + Н+
Оторвавшийся водород будет изменять окраску индикатора, реагирующего на рН.
Также кислоты реагируют с металлами до водорода в ряду активности
2R-COOH + Zn = (R-COO)2Zn + H2↑
Признаком будет выделяющийся водород (газ без цвета и запаха).
С помощью этой реакции можно отличить кислоту от спирта или альдегида, которые не взаимодействуют с металлами средней активности.
Кислоты также могут быть непредельными, то есть вступать в реакции на кратную связь.
Интересно, что муравьиная кислота содержит в своем строении как карбонильную, так и карбоксильную группу, поэтому будет вступать в реакции обоих классов: серебряного зеркала, окисление гидроксидом меди (II), взаимодействие с металлами, изменение окраски индикаторов.
То есть муравьиную кислоту можно отличить от альдегида с помощью качественных реакций на кислоты, т.к. альдегид в них не вступит. А муравьиную кислоту и иную кислоту можно различить реакцией на альдегидную группу.
Амины
Алифатические амины, то есть те, которые не содержат бензольных колец, изменяют окраску индикаторов, так как проявляют основные свойства.
Качественные реакции аминов необходимы для определения их типов: первичные, вторичные, третичные.
Первичные амины вступают в ОВР с азотистой кислотой с выделением газообразного азота (газ без цвета и запаха). R-NH2 + HNO2 = R-OH + N2↑ + H2O
Вторичные амины также вступают в ОВР, но азот уже не выделяется. Образовавшееся органическое вещество имеет характерный запах. R1-NH-R2 + HNO2 = R1-NNO-R2 + H2O.
Третичные амины не реагируют с азотистой кислотой, так как проявляют слишком слабые восстановительные свойства. Это обусловлено изолированностью атома азота тремя радикалами.
Есть особая реакция на анилин с бромной водой, в результате которой выпадет белый осадок.
Аминокислоты
Аминокислоты в своем составе содержат как карбоксильные, так и аминогруппы, поэтому они будут проявлять свойства как карбоновых кислот (изменение окраски индикаторов), так и аминов (изменение окраски индикаторов, взаимодействие с азотистой кислотой).
Углеводы
Углеводы в своей структуре имеют альдегидные группы и несколько гидроксильных, поэтому они будут вступать в качественные реакции для альдегидов и многоатомных спиртов.
Но есть особенности:
-если проводить реакцию с гидроксидом меди без нагревания, углеводы проявят свойство многоатомных спиртов (появление василькового окрашивания), если этот же раствор нагреть, пойдет реакция окисления альдегидной группы с образованием осадка металлического серебра или оксида меди (I).
-на крахмал есть особая реакция с йодом (признак — фиолетовое окрашивание)
На белки нет особенных качественных реакций, но есть реакции, которые помогают определить строение и наличие некоторых функциональных групп в составе белка.
Биуретовая реакция определяет пептидные связи. Это реакция белка с Cu(OH)2, в результате которой проявляется ярко-фиолетовое окрашивание.
В ходе ксантопротеиновой реакции можно определить наличие бензольных колец в структуре белка (например, на остаток фенилаланина). Это реакция белка с концентрированной азотной кислотой с проявлением желтого окрашивания.
Цистеиновая реакция с солями свинца в щелочной среде определяет серу в составе белка (например, в остатке цистеина). Появляется черное окрашивание или осадок.
Мы приготовили для вас краткий конспект этой темы.
Для проверки знаний можете пройти тест, это займет пару минут.
Качественные реакции в органической химии. Углеводороды и спирты.
Качественные реакции — реакции, в результате которых выпадает осадок, выделяется газ и/или происходит изменение окраски раствора. Качественные реакции используют для “узнавания” веществ, находящихся в растворе.
Качественные реакции органических соединений:
Качественные реакции на кратную связь.
Алкены, алкины, диены и стирол реагируют с бромной водой и раствором брома с разрывом связей и присоединением брома. Признак реакции — обесцвечивание жёлто — коричневого раствора брома.
СH=CH + Br₂ → BrHC-CHBr
Алкены, алкины, диены и стирол в растворе перманганата калия окисляются до:
в) с третичными спиртами реакция не идёт, поскольку смысл реакции в дегидрировании атома углерода, связанного с OH-группой. В третичных спиртах у этого атома углерода нет атомов водорода.
Одноатомные спирты окисляются оксидом меди до:
а) Альдегидов, если окисляются первичные спирты:
СH₃CH₂OH + CuO → СH₃CHO + Cu↓ + H₂O
с изменением окраски СuO с чёрной на красную. С этанолом появляется запах ацетальдегида, похожий на запах прелых яблок, с метанолом — запах формальдегида.
б) Кетонов, если окисляются вторичные спирты:
с изменением краски СuO с чёрной на красную.
С помощью этих реакций легко отличить одноатомные спирты от других соединений
Одноатомные спирты взаимодействуют с щелочными металлами:
СH₃CH₂OH + Na → СH₃CH₂ONa + H₂
с выделением газа без цвета и запаха.
Качественные реакции на многоатомные спирты.
Многоатомные спирты взаимодействуют с активными металлами:
СH₂OHCH₂OH + Na → СH₂ONaCH₂ONa + H₂
с выделением газа без цвета и запаха.
Многоатомные спирты образуют комплексные соединения со свежеосаждённым гидроксидом меди:
(Реакцию для ЕГЭ знать необязательно)
С образованием комплексного соединения ярко — синего цвета.
Важно! Именно с помощью последней реакции можно отличить многоатомные спирты от одноатомных.
Качественные реакции на фенол.
Фенол взаимодействуют с активными металлами:
С₆H₅OH + Na → С₆H₅ONa + H₂
с выделением газа без цвета и запаха.
Фенол реагирует с бромной водой и раствором брома с разрывом связей и присоединением брома:
С₆H₅OH + 3Br₂ → 2,4,6-трибромфенол↓ + 3HBr
с обесцвечиванием раствора и выпадением белого осадка.
Фенол образуют комплексные соединения с хлоридом железа III
(Реакцию для ЕГЭ знать необязательно)
С образованием комплексного соединения насыщенного фиолетового цвета.
Продолжение темы вы можете найти по ссылке:
Наглядно данный материал будет представлен в таблице
Вещество токсичное — химическое вещество, которое при воздействии на организм человека может вызывать нарушения в состоянии здоровья или заболевания различной степени тяжести.
К токсикантам относятся:
тяжелые металлы и их соединения (свинец, цинк, кадмий, оксид ванадия (V) — V2O5, арсенид галлия — GaAs);
неорганические соединения мышьяка, фтора (As2O3, NaF, HF, KF, ZnF2);
жидкий хлор;
оксиды серы, азота (SO₂, N2O, NO, NO2);
углеводороды и их хлор — и фторпроизводные (алканы);
Ядовитое вещество (яд) — это химическое соединение или вещество, которое может нанести вред живым организмам при воздействии на них в небольших количествах (здесь, малое количество носит субъективный характер, так как есть вещества, которые смертельны в нескольких нанограммах).
Чаще всего для характеристики опасности используют LD50 (от латинского «letalis …dosis» — смертельная доза) и измеряется в миллиграммах сухого яда, достаточного для умерщвления 50% экспериментальных мышей за 24 часа, на килограмм массы этих мышей.
Яды могут быть природного происхождения (яды растений, животных и микроорганизмов), а также искусственно созданными химическими соединениями.
К ним относятся:
метиловый спирт,
очищенный пчелиный яд,
различные соединения ртути,
синильная кислота,
стрихнин,
фенол,
цианистый калий,
змеиный яд.
Различие между токсином и ядом
Различие между токсином и ядом заключается в том, что яд обычно смертелен даже в небольших количествах.
Однако токсичность веществ различна. Одно вещество может быть слегка токсичным, вызывая сыпь или аллергию, а другое может быть смертельно опасным даже в наименьшем количестве. Большинство токсинов, однако, вредны в небольших количествах, но могут быть опасны для жизни в средних и больших количествах.
Другими словами, яд опасен в любом количестве, токсичными веществами же могут считаться почти все вещества, если они находятся в огромных количествах.
Токсичность — подтип ядовитости.
Иная сторона токсичности на примере фенола: в малых концентрациях он раньше использовался для дезинфекции помещений.
Например, в лаборатории используют:
ртуть и соединения ртути (каломель) — это яды;
различные металлы: свинец, цинк, — они относятся к токсинам, опасным при средних количествах.
нитраты, хром (VI), асбест — являются канцерогенами, которые можно отнести к токсинам, опасны в больших количествах.
Общие правила в лаборатории (по ГОСТу):
Перед использованием лабораторное стекло следует тщательно осмотреть на предмет царапин, трещин, сколов.
При работе с едкими, агрессивными реагентами проверить целостность посуды и маркировку на ней особенно важно. Емкости для химреактивов обязательно должны быть подписаны. При наливании реактива этикетка с подписью должна быть обращена вверх для избежания размытия текста.
Закрывая стеклянную тару пробкой, держите сосуд за верхнюю часть горлышка, близко к месту вставления пробки.
Переносить, переставлять стеклянные емкости с реактивами, растворами и образцами следует двумя руками. Одной рукой держат сосуд за горловину, другой — поддерживают под дном.
Приготовление сопровождающихся бурной реакцией растворов, а также нагрев реагентов и смесей нельзя производить, если емкость с ними плотно закрыта.
Если вещь разбилась, осколки убирают с помощью совка и щетки, ни в коем случае не руками (под стол ногой задвигать тоже не стоит).
Кислоты и щелочи можно переносить в стеклянной таре в одиночку, только если ее объем не превышает 5 литров. В иных случаях емкость переносят вдвоем, используя корзину, ящики или специальный инвентарь.
Используйте перчатки, халаты, фартуки и другие средства защиты, работая с агрессивными реагентами, даже если они герметично закрыты.
Горячую посуду нельзя помещать на холодные, влажные поверхности (для переноса горячих стаканов хорошо подходит махровое полотенце) .
Не применяйте силу при разъединении шлифовых соединений или надевании шлангов на трубку. Не сжимайте сильно сосуд, вытаскивая из него плотно сидящую пробку. Лучше всего совершать круговые движения при вытаскивании шлифа.
При смешивании химических веществ, сопровождающемся выделением тепла, необходимо использовать термостойкую толстостенную стеклянную или фарфоровую посуду.
Правила работы с ядовитыми и вредными веществами.
Все опыты с ядовитыми, вредными для здоровья и дурно пахнущими или пылящими веществами, а также опыты, сопровождающиеся выделением вредных газов или летучих соединений, следует проводить только в вытяжном шкафу, поднимая окно шкафа на удобную для работы высоту, но не более чем на одну треть.
Нюхать вещества нужно осторожно, не вдыхая их глубоко и не наклоняясь над сосудом, а только направляя к себе газ движением руки.
Не засасывать жидкости в пипетки ртом, а только резиновой грушей. Работы с едкими жидкостями надо выполнять в резиновых перчатках и защитной маске.
Категорически запрещаетсяво избежание случайных отравлений пробовать что-либо на вкус и пить из химической посуды.
Опыты, в которых реакции протекают бурно, следует проводить обязательно в предохранительных очках.
Не выливать в канализационную систему хромовую смесь, растворы с сероводородом и подобные им, а собирать их в специальную посуду. Это делается для предотвращения нахождения остатков опасных веществ в сливе обычной раковины, которые могут некоторое время продолжать реагировать и загрязнять воздух.
Все пролитое или просыпанное на столах или на полу сразу убирать. При сборе пролитой жидкости для более полного впитывания лучше использовать не песок, а сухие древесные опилки. Особую опасность для работающего и окружающих его лиц оказывают пары ртути, которые бесцветны и не имеют запаха, но являются сильнодействующим ядом и при длительном вдыхании вызывают тяжелое хроническое отравление. Поэтому при работе с ртутными приборами (манометрами, термометрами и др.) надо соблюдать особую осторожность, не допуская их поломки. Разлитую (даже в небольшом количестве) ртуть немедленно и тщательно собирают с помощью стеклянной трубки, которую присоединяют к водоструйному насосу через специальную ловушку.
После этого место, где была пролита ртуть, дезактивируют одним из следующих способов:
посыпают йодированным углем или порошком серы;
обрабатывают раствором 3%-го перманганата калия или 5%-го тетрасульфида натрия.
В качестве замены можно использовать:
мыльно-содовый раствор (40г мыла на 1л воды + 50г соды на 1л воды);
20% раствор хлорной извести;
5-10% раствор соляной кислоты.
Посуда для хранения токсичных веществ:
Шкафы для хранения химических реактивов предназначены для хранения особо опасных веществ. Они изготавливаются из металла, который впоследствии покрывается порошковой краской. Краска предотвращает поглощение вредных химических веществ поверхностями шкафа.
Тара должна обладать высокой стойкостью к коррозии и сохранять герметичность, несмотря на длительное воздействие.
Внутренняя поверхность емкости должна быть инертна по отношению к содержимому, то есть химически неактивна. Это исключает риск изменения свойств веществ при хранении. Следующее необходимое свойство — надежность и прочность флаконов. Химикаты зачастую агрессивны не только по отношению к другим веществам, но и сами по себе нестабильны. К примеру, окислители и восстановители при взаимодействии могут вызывать бурную реакцию. Прочная тара способна локализовать и гасить подобные процессы, предотвращая разрушение емкости. Дополнительную защиту обеспечивают пластиковые канистры с металлическим каркасом, выдерживающие серьезные механические нагрузки.
Распространенные вещества в 25 задании и их описание и влияние на организм:
Соединения азота:
Азот: газ без цвета и запаха, не токсичен.
Оксид азота (I): бесцветный газ с наркотическим действием.
Оксид азота (II): бесцветный газ с резким неприятным запахом, ядовит.
Оксид азота (IV): бурый газ со слабым запахом и сладковатым вкусом, ядовит.
Соединения углерода:
Монооксид углерода: ядовитый бесцветный газ, без запаха.
Диоксид углерода: бесцветный газ, без вкуса и практически без запаха, не токсичен.
Угольная кислота: не оказывает токсичного влияния.
Соединения серы:
Сероводород: бесцветный газ с неприятным тяжелым запахом тухлых яиц, ядовит.
Оксид серы (IV): бесцветный газ с характерным резким запахом (запах загорающейся спички). В высоких концентрациях токсичен.
Оксид серы (VI): легколетучая бесцветная жидкость с удушливым запахом. Весьма токсична.
Другие неорганические соединения:
Хлороводород: бесцветный, ядовитый газ с резким запахом.
Фтороводород: бесцветный газ с резким неприятным запахом, очень ядовит.
Перманганат калия: при смешивании с различными восстановителями происходит саморазогревание.
Дихромат натрия: красные до оранжевых гигроскопичные кристаллы, очень токсичны.
Органические соединения:
Фенол: бесцветные игольчатые кристаллы, розовеющие на воздухе, с характерным запахом. Токсичен.
Бензол: бесцветная жидкость со специфическим сладковатым запахом, токсичен, канцероген.
Формальдегид: бесцветный газ с резким неприятным (тяжёлым, удушающим) запахом, ядовит.
Уксусная кислота: бесцветная жидкость с характерным резким запахом и кислым вкусом. Не токсична.
Глицерин: вязкая прозрачная жидкость со сладким вкусом. Нетоксичен
Метан: бесцветный газ без вкуса и запаха. Не ядовит.
Метанол: бесцветная жидкость с запахом этилового спирта. Ядовит.
Муравьиная кислота: это бесцветная жидкость с резким запахом, не ядовита.
Анилин: бесцветная маслянистая жидкость с характерным запахом, высокотоксичен.
Электролиз — это окислительно-восстановительная реакция, которая сопровождается разложением воды и веществ, входящих в состав смеси, идет при прохождении постоянного электрического тока через раствор электролита. Электролит — это вещество, которое проводит электрический ток либо за счет диссоциации на ионы в растворах или расплавах, либо за счет движения ионов в кристаллических решетках твердых электролитов. Электрод — это проводник, через который электрический ток проходит в газ или жидкость. Есть два вида электродов: Катод — это электрод, который заряжен отрицательно Анод — это электрод, который заряжен положительно Также электроды классифицируются на: Инертные — не подвергаются химическим превращениям при электролизе, например, графит или платина Не инертные — подвергаются химическим превращением при электролизе, например медь и другие металлы Процесс электролиза состоит в перемещении катионов — положительно заряженных ионов — к катоду, а также перемещении анионов — отрицательно заряженных ионов — к аноду.
Карбоновые кислоты представляют собой группу органических веществ, молекулы которых содержат одну или несколько карбоксильных групп (-COOH).
Строение одноосновных карбоновых кислот
Эти кислоты содержат две важные функциональные группы: карбонильную группу (-C=O) и гидроксильную группу (-OH). В карбонильной группе образуются две химические связи между атомами углерода и кислорода – одна сигма (σ)-связь и одна пи (π)-связь. Углеродный атом, входящий в состав карбоксильной группы, находится в состоянии sp²-гибридизации, при этом углы между связями составляют 120° градусов. Из-за более высокой электроотрицательности кислорода по сравнению с углеродом в этой группе возникают частичные электрические заряды на атомах.
Классификация одноосновных карбоновых кислот
Одноосновные алифатические карбоновые кислоты можно классифицировать на предельные (насыщенные),непредельные (ненасыщенные), ароматические и алициклические. Про ароматические и алициклические кислоты ты сможешь прочитать в этом конспекте.
Предельные одноосновные карбоновые кислоты представляют собой производные алканов, у которых один атом водорода заменен на карбоксильную группу.
Общую формулу для таких насыщенных одноосновных кислот можно записать как CnH2n+1COOH или Cn+1H2n+2O2.
Например, муравьиная и уксусная кислоты
Непредельные одноосновные карбоновые кислоты – это такие кислоты, в углеводородной цепи которых присутствуют кратные связи. Примером может служить пропеновая (также известная как акриловая) кислота.
Номенклатура одноосновных карбоновых кислот
Международная номенклатура
Согласно международной номенклатуре ИЮПАК, названия карбоновых кислот формируются следующим образом: выбирают самую длинную цепь углеродов, включающую карбоксильную группу (-COOH), и добавляют к названию соответствующего углеводорода суффикс «-овая» и слово «кислота«. Нумерацию начинают с первого углерода, который входит в состав карбоксильной группы. Например:
C3H3-C2H2-C1OOH — пропановая кислота;
CH3-CH(CH3)-COOH — 2-метилпропановая кислота.
Рациональная номенклатура
Для обозначения карбоновых кислот иногда применяется рациональная номенклатура, согласно которой к названию углеводорода (или его радикала) добавляется термин «карбоновая кислота». При этом атом углерода в составе карбоксильной группы не учитывается при нумерации цепи. Например:
CH3-C(CH3)2-COOH — трет-бутилкарбоновая кислота.
Тривиальная номенклатура
Некоторые карбоновые кислоты известны под своими традиционными (тривиальными) названиями, которые широко используются наряду с систематическими. Примеры таких названий приведены в таблице.
Предельные одноосновные карбоновые кислоты
Тривиальное название
Название по ИЮПАК
Название соли
Формула
Муравьиная кислота
Метановая кислота
Формиаты
НСООН
Уксусная кислота
Этановая кислота
Ацетаты
CH3COOH
Пропионовая кислота
Пропановая кислота
Пропионаты
C2H5COOH
Масляная кислота
Бутановая кислота
Бутираты
C3H7COOH
Валериановая кислота
Пентановая кислота
Валераты
C4H9COOH
Капроновая кислота
Гексановая кислота
Капронаты
C5H11COOH
Пальмитиновая кислота
Гексадекановая кислота
Пальмитаты
С15Н31СООН
Стеариновая кислота
Октадекановая кислота
Стеараты
С17Н35СООН
Непредельные одноосновные карбоновые кислоты
Тривиальное название
Название по ИЮПАК
Название соли
Формула
Акриловая кислота
Пропеновая кислота
Акрилаты
CH2=CH–COOH
Метакриловаякислота
2-Метилпропеновая кислота
Метакрилаты
CH2=C(СH3)–COOH
Кротоновая кислота
транс-2-Бутеновая кислота
Кротонаты
СН3 -CH=CH–COOH
Олеиновая
9- цис-Октадеценовая
Олеаты
СН3(СН2)7СН=СН(СН2)7СООН
Линолевая
9,12-цис-Октадекадиеновая
Линолеаты
СН3(СН2)4(СН=СНСН2)2(СН2)6СООН
Линоленовая
9,12,15-цис-Октадекатриеновая
Линоленоаты
СН3СН2(СН=СНСН2)3(СН2)6СООН
Изомерия одноосновных карбоновых кислот
Изомерия углеродного скелета
Одноосновные предельные карбоновые кислоты могут проявлять различные типы изомерии, среди которых одним из основных является изомерия углеродного скелета. Этот тип изомерии становится возможным начиная с бутановой кислоты (С4H8O2), так как именно с этого момента возможно образование различных структурных вариантов углеродной цепи.
Бутановая кислота
Изобутановая кислота
Межклассовая изомерия
Еще одной важной формой изомерии для одноосновных предельных карбоновых кислот является межкласссовая изомерия с участием сложных эфиров. Так, например, уксусная кислота (CH3COOH) имеет межкласссового изомера в виде метилового эфира муравьиной кислоты (HCOOCH3).
Уксусная кислота
Метиловый эфир муравьиной кислоты
Получение одноосновных карбоновых кислот
Лабораторные методы получения карбоновых кислот
1. Окисление спиртов, альдегидов.
Одним из распространенных методов синтеза карбоновых кислот является окисление спиртов и альдегидов. Альдегиды и первичные спирты могут быть окислены до соответствующих карбоновых кислот. В роли окислителей могут выступать различные реагенты, такие как перманганат калия (KMnO4), дихромат калия (K2Cr2O7), оксид меди (СuО) и другие.
Примерами реакций окисления могут служить следующие процессы:
В процессе гидролиза геминальных тригалогенпроизводных углеводородов (то есть соединений, где все три атома галогена присоединены к одному и тому же атому углерода, обычно находящемуся на конце цепи в виде группы -СHal3) сначала образуется спирт, содержащий гидроксильные группы OH, связанные с тем же атомом углерода. Однако такой спирт крайне нестабилен и быстро теряет молекулу воды, превращаясь в соответствующую карбоновую кислоту.
R-CCl3+4NaOH→ R-COONa+3NaCl+2H2O
Образуется именно соль, а не кислота.
R-COONa+HCl→ R-COOH+NaCl
Например:
CH3-CCl3+4NaOH→CH3COONa+3NaCl+2H2O
CH3COONa+HCl→CH3COOH+NaCl
3. Омыление (гидролиз) сложных эфиров
Щелочное омыление (гидролиз) сложных эфиров приводит к образованию солей соответствующих карбоновых кислот. После этого на полученные соли воздействуют сильными минеральными кислотами, такими как соляная или серная, чтобы выделить исходную карбоновую кислоту.
R-COOR1+KOH→ R-COOK+R1OH
R-COOK +HCl→ R-COOH+KCl
Например:
CH3-COO-CH2-CH3+NaOH→CH3COONa+CH3-CH2OH
CH3COONa+H2SO4→CH3COOH+NaHSO4
4. Жёсткое окисление алкенов, например перманганатом калия в кислой среде
При жестком окислении алкенов происходит разрыв углеродной цепи вдоль двойной связи, и атомы углерода, находящиеся в месте разрыва, преобразуются в карбоксильные группы.
Специфические способы получения некоторых карбоновых кислот
Существуют особые методы синтеза для некоторых конкретных кислот. Муравьиную кислоту, например, получают путем сплавления гидроксида натрия с углекислым газом (оксидом углерода(II)), после чего полученный формиат натрия обрабатывают сильной кислотой.
HCOONa+H2SO4→HCOOH+NaHSO4
Ещё один метод синтеза муравьиной кислоты заключается в каталитическом окислении метана кислородом из воздуха.
2CH4+3O2→2HCOOH+2H2O
Уксусная кислота образуется в результате брожения углеводов, таких как крахмал и сахар. Она становится конечным продуктом процесса спиртового брожения, если присутствует кислород. В промышленных условиях уксусную кислоту также синтезируют путем каталитического окисления бутана с использованием кислорода из воздуха.
Нахождение в природе и применение карбоновых кислот
Карбоновые кислоты представляют собой важный класс соединений, встречающихся в составе натуральных животных жиров, растительных масел и восков. Эти вещества активно используются в различных отраслях промышленности, включая пищевую, фармацевтическую и органический синтез. Среди наиболее востребованных представителей этого класса — уксусная и муравьиная кислоты, играющие ключевую роль во многих реакциях органического синтеза.
Муравьиная кислота (HCOOH) находит свое применение в медицине, где она известна под названием «муравьиный спирт» (спиртовой раствор муравьиной кислоты концентрацией 1,25%). Кроме того, ее используют в пчеловодстве, органическом синтезе, а также для получения растворителей и консервантов. Благодаря сильным восстановительным свойствам, муравьиную кислоту ценят в ряде технологических процессов.
Уксусная кислота (CH₃COOH) служит популярным консервантом в пищевой промышленности. В химической отрасли она необходима для производства красителей, сложных эфиров, ацетилцеллюлозы, которая, в свою очередь, идет на изготовление ацетатного волокна, органического стекла и кинопленки. В фармацевтике уксусную кислоту задействуют при создании разнообразных медикаментов.
Масляная кислота (C₃H₇COOH) используется для создания пластификаторов и флотореагентов, что позволяет улучшить свойства полимерных материалов и повысить эффективность процессов обогащения полезных ископаемых.
Стеариновая (C17H35COOH) и пальмитиновая (C15H31COOH) кислоты служат основой для производства поверхностно-активных веществ и смазочных материалов, используемых в металлообработке. Это помогает снизить трение и износ оборудования, повышая качество обработки металлических изделий.
Олеиновая кислота (C₁₇H₃₃COOH) нашла своё применение в качестве флотореагента при обогащении руд цветных металлов, способствуя более эффективному извлечению ценных компонентов из минерального сырья.
Физические и химические свойства одноосновных карбоновых кислот
Физические свойства карбоновых кислот
Карбоновые кислоты обладают полярным строением благодаря наличию карбоксильной группы, что позволяет им образовывать межмолекулярные водородные связи. Способность к образованию этих связей объясняет хорошую растворимость низших кислот (от С1 до С4) в воде и этаноле. Высшие кислоты, напротив, хуже растворимы в воде, однако они легко растворяются в этиловом спирте и диэтиловом эфире. Эта особенность связана с гидрофобностью углеводородного радикала в молекуле кислоты: чем он крупнее, тем менее растворимой становится кислота в воде.
Низшие карбоновые кислоты представляют собой бесцветные жидкости с характерным резким запахом; начиная с пентановой (валериановой) кислоты, они становятся маслянистыми жидкостями, а высшие кислоты уже являются твердыми веществами без выраженного вкуса и запаха.
Межмолекулярная ассоциация карбоновых кислот также обусловлена наличием водородных связей между молекулами. Жидкие карбоновые кислоты, такие как муравьиная кислота, часто находятся в форме димеров:
В водных растворах димеры разлагаются на отдельные мономеры.
Химические свойства одноосновных предельных карбоновых кислот
Карбоксильная группа обладает полярной структурой, поэтому карбоновые кислоты демонстрируют общие свойства, типичные для всех слабых неорганических кислот.
Реакции карбоновых кислот, общие с неорганическими кислотами
1. Изменение окраски индикатора
Карбоновые кислоты относятся к слабым электролитам, поэтому растворы этих кислот способны изменять цвет индикаторов, таких как метилоранж и лакмус.
RCOOH↔RCOO— + H+
Константа диссоциации предельных монокарбоновых кислот снижается по мере увеличения количества атомов углерода в радикале.
2. Взаимодействие с активными металлами (щелочные и щелочноземельные металлы, за исключением Be и Mg) с выделением водорода
2CH3COOH+K→2CH3COOK+H2
3. Взаимодействие с основными и амфотерными оксидами металлов
MgO+2CH3COOH→(CH3COO)2Mg+H2O
4. Взаимодействие с основаниями с образованием соответствующих солей
CH3COOH+NaOH→CH3COONa+H2O
5. Взаимодействие с солями слабых кислот, например с карбонатами
Na2CO3+2HCOOH→2HCOONa+CO2+H2O
По мере увеличения числа атомов углерода в молекуле сила кислоты ослабевает. Поэтому муравьиная кислота, будучи самой короткой в ряду, является наиболее сильной среди них и классифицируется как кислота средней силы. Муравьиная кислота может вытеснять уксусную, поскольку она сильнее последней.
CH3COONa+HCOOH→CH3COOH+HCOONa
Реакции нуклеофильного замещения карбоновых кислот
Реакции нуклеофильного замещения у sp²-гибридизованного атома углерода карбоксильной группы представляют собой одну из ключевых групп реакций карбоновых кислот. Этот механизм позволяет карбоновым кислотам взаимодействовать с различными органическими соединениями, такими как спирты, амины, другие карбоновые кислоты, а также галогенирующими агентами (соединениями фосфора и серы).
1. Взаимодействие со спиртами (реакция этерификации)
Реакция взаимодействия карбоновых кислот со спиртами в присутствии катализаторов, таких как концентрированная серная кислота (H2SO4), приводит к образованию сложных эфиров.
RCOOH+R’OH↔RCOOR’+H2O
2. Взаимодействие с другими карбоновыми кислотами
При взаимодействии карбоновых кислот друг с другом в присутствии водоотнимающих агентов образуются ангидриды.
3. Взаимодействие с аммиаком и аминами
Когда на карбоновые кислоты воздействуют аммиаком (в газообразном состоянии или в растворе), первоначально формируются аммониевые соли. При сильном нагревании эти сухие аммониевые соли теряют воду и преобразуются в амиды. Например, общая реакция уксусной кислоты с аммиаком выглядит следующим образом:
CH3COOH+NH3→CH3CONH2+H2O
4. Образование галогенангидридов
Для хлорирования карбоновых кислот обычно применяют хлориды PCl5. В ходе этой реакции гидроксильная группа замещается на галоген, что ведет к образованию хлорангидридов.
RCOOH+PCl5→RCOCl+POCl3+HCl
Окислительно-восстановительные свойства карбоновых кислот
Карбоновые кислоты выступают в роли конечных продуктов окисления спиртов и альдегидов и характеризуются высокой стойкостью к воздействию окислителей. Исключение составляет муравьиная кислота, содержащая альдегидную группу, которая легко подвергается окислению. Подобно альдегидам, муравьиная кислота участвует в реакции «серебряного зеркала»:
HCOOH+2[Ag(NH3)2]OH→2Ag↓+(NH4)2CO3+2NH3+H2O
Восстановление карбоксильной группы возможно в присутствии мощных восстановителей, таких как алюмогидрид лития (LiAlH4). В процессе восстановления вначале формируется альдегид, который далее превращается в спирт.
Реакции по углеводородному радикалу, характерные для карбоновых кислот
Атомы водорода, связанные с α-углеродным атомом (то есть с атомом углерода, непосредственно связанным с карбоксильной группой), отличаются повышенной подвижностью, что создает условия для протекания реакций замещения. Например, при галогенировании в присутствии небольших количеств красного фосфора преимущественно образуется α-галогенкарбоновая кислота:
Непредельные углеводороды вступают в реакции:
1.Гидрирования
2.Присоединительного галогенирования
CH2=CH-COOH+Сl2→CH2Cl-CHCl-COOH
3.Гидрогалогенирование против правила Марковникова
Химическая посуда – это разнообразные сосуды, сконструированные для выполнения специфических задач и отличающиеся по форме и объему. Эти емкости производятся из разнообразных материалов, включая стекло, кварц, фарфор, платину и различные металлические сплавы, в соответствии с предполагаемыми условиями их использования.
Химическая посуда особенно полезна при проведении разнообразных химических экспериментов, реакций, синтезов, очистки и прочих процедур. На основании личного опыта можно утверждать, что такие сосуды способны выполнять множество функций, значительно ускоряя и упрощая работу химика.
Требования, которым должна соответствовать химическая посуда:
Термоустойчивость, малый коэффициент теплового расширения материала (для посуды которую можно нагревать)
Устойчивость к воздействию химических реагентов
Загрязнения должны легко отмываться
Классификация химической посуды
По назначению:
По материалу:
Мерная
Стеклянная
Немерная химическая посуда (общего назначения)
Фарфоровая
Специального назначения
Пластмассовая
Мерная химическая посуда
Мерная посуда имеет точную градуировку, нагреванию ее не подвергают. Ее предназначение — точное измерение объемов жидкостей, а воздействие высоких температур может привести к деформации материала и, как следствие, к искажению результатов измерений.
Пипетки
Пипетки служат для отбора жидкостей (до 100 мл) и газов (от 100 мл)
Делят на:
Простые ( пипетки Мора)
Градуированные
Бюретки
Применяются для измерения точных объемов, титрования (метод количественного/качественного анализа в аналитической химии)
Делят на бюретки:
С краном
С зажимом Мора, с бусиной
Мерные колбы, мензурки и цилиндры
С помощью мерных колб, мензурок и цилиндров отмеривают и хранят определенные объемы жидкостей.
Колбы различают:
Со шлифом
Без шлифа
Разных объемов.
Мензурки и мерные цилиндры бывают разных объемов, измерить в них температуру точно нельзя,потому что они не предназначены для нагрева или охлаждения. Толстые дно и стенки мерной посуды не допускают этого.
Для мерных цилиндров уже имеет значение явление теплового расширения, поэтому градуировка и измерения производятся при температуре 20 °С
Немерная химическая посуда (общего назначения)
К такой химической посуде относятся изделия, многие из которых употребляются с нагревом: пробирки, стаканы, колбы (плоскодонные, круглодонные, конические), реторты.
Воронки, делительные воронки
Служат дляпереливания и фильтрования жидкостей. Делительные воронки применяются для разделения несмешивающихся жидкостей.
Кристаллизатор
Используется длявыпаривания растворов и очистки веществ путем перекристаллизации — методе, основанном на различии растворимости вещества в растворителе при различных температурах.
Пробирки
Применяют для проведения аналитических работ. Делят на: 1- обычные, 2-градуированные,3- центрифужные
Капельница
Химическая капельница
применяется для дозирования растворов и индикаторов.
Химические ложки, шпатели
Используются для взятия твердых и сыпучих веществ. Могут служить для перемешивания жидкостей.
Штатив для пробирок
Применяется для одновременного размещения и закрепления множества пробирок.
Колбы
Различают
Конические и плоскодонные
Используют для проведения аналитических работ
Лабораторные стаканы
Предназначены для выполнения самых разнообразных процедур.
Стаканы бывают:
различных размеров,
с носиком и без носика,
простые и калиброванные.
Химическая посуда специального назначения
Данная посуда отличается тем, что предназначена для какой-либо единственной цели.
Колбы для дистилляции (колбы Вюрца)
Круглодонная колба с отводом для вставки прямоточного холодильника.
Используется для перегонки различных веществ.
Колба Бунзена
Плоскодонная коническая колба
применяется длявакуумного фильтрования.
Воронка Бюхнера
Применяется для фильтрования растворов при помощи фильтровальной бумаги под вакуумом.
Воронка (фильтр) Шотта
Фильтр Шотта представляет собой стеклянную пористую пластинку.
Используют в ходе вакуумного фильтрования.
Прямой холодильник
Применяется для конденсирования паров и отвода образовавшегося конденсата из системы, сбор конденсата происходит в колбу-приемник.( на рис -3)
Обратный холодильник
Применяется дляконденсирования паров и возврата конденсата в реакционную массу. Обычно устанавливается вертикально. (на рис-2)
Аллонж
Конструктивный элемент химических приборов
Используется длясоединения холодильника с приемником. (на рис-4)
Колбы грушевидной формы (колбы Кьельдаля)
Используется вкачестве приемника при перегонке. Одним из предназначений колбы Кьельдаля является определения азота в веществах по методу Кьельдаля.
Дефлегматор
Используется для частичной или полной конденсации паров жидкостей, которые разделяют перегонкой или ректификацией (разделение, основанное на многократной дистилляции.)
Эксикатор
Толстостенный стеклянный сосуд, с пришлифованной крышкой, на дно которого помещают влагопоглощающее вещество, в результате чего в эксикаторе поддерживается влажность воздуха приблизительно равная нулю.
Эксикатор используется длявысушивания и хранения различных веществ.
Склянка для промывания газов (склянка Дрекселя)
Склянка Дрекселя — сосуд,используемый для промывания и очистки газов. В результате пропускания газа через склянку Дрекселя он освобождается от механических примесей.
Стеклянная посуда
Стеклянную химическую посуду изготавливают из специального термостойкого огнеупорного стекла. Стеклянная химическая посуда чрезвычайно многообразна.
Пробирки
Лабораторные стаканы
Колбы
Воронки химические
Воронки делительные
Капельницы
Бюксы (рисунок 1)
Часовые стекла (рисунок 2)
используют для проведения реакций в малых объёмах (капельные реакции) и для взвешивания твёрдых веществ.
Стеклянные палочки (рисунок 3)
предназначены для перемешивания веществ в химической посуде.
Холодильники
Кристаллизаторы
Эксикаторы
О большинстве посуде говорилась ранее, поэтому ее описание можно увидеть выше. ↑
Фарфоровая посуда
В сравнении с стеклом, фарфор демонстрирует более высокую химическую стойкость против кислот и щелочей, а также высокую термическую стабильность. Однако есть и минусы – фарфор не прозрачен и обладает значительной массой. Фарфоровая посуда отличается разнообразием форм и функций.
Фарфоровые стаканы
Их могут использоваться для хранения, взвешивания, подогрева, смешивания реактивов. Стаканы бывают различной ёмкости, с ручкой и без ручки, с носиком и без носика.
Выпарительные чашки
Используют для выделения твёрдых веществ из растворов. Для этой цели раствор в чашке нагревают, в результате чего происходит выпаривание воды.
Тигли
Применяют для прокаливания различных твёрдых веществ (осадков, минералов и т. п.), а также для сплавления и сжигания. При прокаливании веществ на пламени газовой горелки тигли закрепляют в проволочных треугольниках с фарфоровыми трубками.
Ступка с пестиком
Применяется для измельчения твердых веществ.
Лодочки
Применяются для прокаливания веществ в печи.
Фарфоровые ложки-шпатели
Применяют дляотбора веществ, для снятия осадков с фильтров и при многих других работах.
Пластмассовая посуда
В ходе лабораторных исследований применяется посуда, выполненная из полимерных композитов, таких как полиэтилен, полипропилен, фторопласт и другие материалы. Эти материалы отличаются высокой химической стойкостью, однако их термоустойчивость невелика, что ограничивает их применение в экспериментах без необходимости нагревания. Из полиэтилена изготавливают различные ёмкости: воронки для жидкостей и порошков, промывалки, капельницы, а также флаконы и банки для перевозки и хранения химических веществ. Кроме того, используют пробирки для центрифугирования, пипетки-дозаторы и соответствующие им наконечники.
Это была основная информация о химической лабораторной посуде, теперь зная этот материал вы станете на шаг ближе к сдаче экзамена на высший балл!
Также можно рассмотреть инфографику по фарфоровой посуде по ссылке:
Чтобы проверить свои знания по данной теме, предлагаем вам пройти тест!
Электронные эффекты в молекулах органических соединений
“Свойства вещества зависят не только от того,какие атомы и в каком количестве входят в состав молекулы,но и от их расположения”
Бутлеров А.М.
В школьном курсе органической химии большое значение отводится ковалентной,ионной связи,но ионная связь редко встречается в органических соединениях,так как углерод редко образует собственные ионы.Поэтому основной вид связи в органических соединениях-ковалентная полярная и неполярная связи.
Ниже представлены ссылки на учебные материалы по видам связи в органической химии,теории гибридизации и механизмах их образования (самостоятельное повторение).
Взаимное влияние строения вещества и его свойств связано с подвижностью электронной плотности .Под электронной плотностью понимают распределение электронов(общих электронных пар и свободных валентных электронов) в пространстве атомов и молекул.
Если смещение электронной плотности происходит по простым связям-проявляется индуктивный эффект (𝚰),по кратным-мезомерный(𝜧).Электронное смещение происходит под влиянием заместителей,ими могут быть соседние атомы,молекулы,группы атомов,то есть радикалы.
Индуктивный эффект
Это эффект смещения электронной плотности по простым связям (𝝈-связи) из-за разности электроотрицательности атомов образующих ковалентную полярную связь(условие проявления этого эффекта) ,в результате электронная плотность смещается к более эо(электроотрицательному) атому(или радикалу). Это приводит к образованию на атомах частичных зарядов.Атом, притягивающий электронную пару к себе(электроноакцептор), приобретает частичный отрицательный заряд (-𝜹-дельта) и проявляет -𝚰 эффект, а атом, от которого смещаются электроны(электронодонор), получает частичный положительный заряд (+𝝳-дельта) и проявляет +𝚰 эффект.Индуктивный эффект атома водорода принят равным нулю.
Комментарий:
Кислород и хлор более эо,чем углерод и перетягивают электронную плотность к себе являясь электроноакцепторами,но в случае с кислородом ,на котором уже сосредоточен отрицательный заряд ситуация будет обратная,так как у кислорода уже избыток электронов и он будет стремиться их отдать,т.е. он будет являться электродонором.Литий является менее эо,чем углерод и является электродонором.
Электроны соседних простых связей тоже будут смещаться в сторону более эо заместителя,но с удалением от заместителя эффект для соседних 𝝈-связей будет затухать (почти перестанет проявляться на 3-4 атоме ).Смещение электронов (электронной плотности) 𝝈-связи обозначается прямой стрелкой.
Прогнозирование свойств молекул с 𝚰-эффект
Смещение электронной плотности влияет на химические свойства частицы ,рассмотрим на примерах кислотно-основных свойств.
Комментарий:
На этой картинке атом азота более эо ,он перетягивает отрицательный заряд на себя,тем самым становясь акцептором для атома водорода.Протон H+ имеет свободную орбиталь,ему для устойчивости нужны электроны,которыми обладает азот(у него неподеленная пара электронов).В ряду возрастания основности азот от заместителей получает больший частичный отрицательный заряд(он не становится ионом!) и ему легче притянуть протон для взаимодействия и легче в последующем его удержать .
Комментарий:
На этой картинке атом кислорода более эо элемент чем углерод,поэтому проявляет -I эффект ,тем самым обретая частичный отрицательный заряд от заместителя и сильнее удерживая водород ,поэтому проявляет меньшие кислотные свойства в ряду.Атом хлора более эо ,чем атом углерода и в этом случае он будет перетягивать электронную плотность от заместителей на себя и приобретать частичный отрицательный заряд,а кислород приобретает частичный положительный заряд и будет меньше удерживать водород,поэтому будет легче отдавать протон.
Мезомерный эффект
Это эффект смещения электронной плотности по кратным связям из-за взаимодействия 𝝅-связей друг с другом или с негибридной p-связью другого атома.Для этого р-орбитали должны находиться в одной плоскости(быть параллельны друг другу) и разделяться не более чем одной сигма связью для большего перекрывания.
Молекулы ,содержащие две и более чередующиеся кратные связи,разделенные между собой одной простой связью называют сопряженной 𝝅-системой.Электроны двойных или тройных связей обладают высокой подвижностью, так как расположены дальше от ядер атомов, чем электроны 𝝈-связей, и поэтому испытывают меньшее притяжение.
Этот эффект почти не затухает.Знак «+» или «-» мезомерного эффекта определяют по заряду, появившемуся на заместителе при этом эффекте.
Электроноакцепторные заместители являются более эо и смещают электронный заряд к себе по перекрывающимся р-орбиталям или системе сопряженных 𝝅-связей, проявляя (-𝜧)-эффект. .Электронодонорные заместители смещают заряд от себя к более эо заместителю.(+𝜧)-эффект.
Комментарий:
В первых двух молекулах сопряженная система 𝝅-связей перетягивает на себя электронную плотность,в третьей молекуле сопряженная система не перетягивает электронную плотность на себя от кислорода,так как атом кислорода не близко связан с ней,а через С-С связь.
Часто мезомерный и индуктивный эффект встречаются в одной молекуле совместно,но обычно мезомерный эффект сильнее выражен.Также существуют молекулы,в которых,наоборот, индуктивный эффект превалирует(преобладает),они как правило реже встречаются.
Комментарий:
В первом случае преобладает +М эффект азота,так как эо азота и углерода не сильно различны,значение индуктивного эффекта будет менее значимо.Во втором случае уже значения эо фтора и углерода значительны,что делает вклад -I эффекта фтора большим,даже не смотря на сильную подвижность электронной плотности по сопряженным кратным связям,именно это обычно обусловливает больший вклад мезомерного эффекта,чем индуктивного.
Графически смещение электронов указывают изогнутыми стрелками. Начало стрелки указывает, какие электроны смещаются при мезомерном эффекте, а конец стрелки — к какому из атомов или к какой связи.
Прогнозирование свойств молекул с 𝜧-эффектом
Особую роль электронные эффекты имеют в ароматических углеводородах,они определяют продукты реакции замещения в бензольном кольце и кислотно-основные свойства заместителей.
Заместители 1 рода смещают электронную плотность в бензольное кольцо(+М эффект),преимущественно в пара и орто положения ,в эти положения будет происходить реакция электрофильного замещения
Заместители 2 рода смещают электронную плотность с бензольного кольца к себе (-М эффект),тем самым уменьшая электронную плотность в орто и пара положениях,поэтому реакция электрофильного замещения будет происходит в мета-положения
Органические соединения — это химические вещества, в составе которых присутствует углерод. Они находят широкое применение в лабораторных исследованиях, производстве лекарств, агрохимии, и других сферах. В данной теме мы рассмотрим основные разновидности органических соединений и их применение в лабораторной практике.
Алканы (парафины)
Алканы — нециклические углеводороды (УВ), в молекулах которых все атомы углерода находятся в состоянии sp3-гибридизации и связаны друг с другом только σ-связями.
Применение:
Галогенпроизводные алканов RHal (атом водорода замещен на атом галогена)
Применение:
Циклоалканы(циклопарафины)
Циклоалканы — насыщенные УВ, содержащие 3,4,5,6 и более атомов углерода.
Применение:
Алкены (олефины, этиленовые УВ)
Алкены — нециклические углеводороды (УВ), в молекулах которых два атома углерода находятся в состоянии sp2-гибридизации и связаны друг с другом двойной связью.
Применение:
Диеновые углеводороды (алкадиены). Каучуки.
Алкадиены — УВ, в молекулах которых между атомами углерода имеются две двойные связи.
Применение:
Алкины (олефины, этиленовые УВ)
Алкины -УВ, в молекулах которых два атома углерода находятся в состоянии sp-гибридизации и связаны друг с другом тройной связью.
Применение:
Ароматические УВ (арены)
Арены — УВ, молекулы которых содержат одно или несколько бензольных колец.
Арены ряда бензола (моноциклические арены): CnH2n-6, n ≥ 6
Применение:
Ключевые свойства, определяющие применение
Углеводороды
Высокая теплота сгорания: УВ являются отличным топливом из-за выделяющегося количества теплоты; Важный источник энергии
Разнообразные физические свойства: это позволяет использовать алканы как растворители, топливо, смазочные материалы
Реакционная способность: УВ могут вступать в различные химические реакции (например, алкены — реакция присоединения, алкины — реакция полимеризации)
Спирты (алкоголи)
Спирты — производные углеводородов, содержащие в молекулах одну или несколько гидроксильных групп -ОН у насыщенных атомов углерода.
Применение одноатомных спиртов:
Применение многоатомных спиртов:
Фенолы
Фенолы — производные ароматических углеводородов, содержащие в молекулах одну или несколько гидроксильных групп -ОН у насыщенных атомов углерода бензольного кольца. Применение:
Ключевые свойства, определяющие применение
Спирты
Полярность:OH- группа делает спирты полярными молекулами
Растворимость:благодаря полярности, хорошо растворимы в полярных растворителях
Реакционная способность:реакционно способный центр — OH- группа
Кислотность:слабые кислоты
Фенолы
Реакционная способность: реакции электрофильного замещения
Кислотность:более кислые, чем спирты
Образование водородных связей: следствие — увеличение растворимость в полярных растворителях
Делокализация электронной плотности:следствие — увеличение устойчивости и уменьшение склонности к окислению
Оксосоединения
Карбонильные соединения (оксосоединения) — производные УВ, содержащие в молекуле карбонильную группу:
Альдегиды — органические соединения, молекулы которых содержат альдегидную группу, связанную с углеродным радикалом.
Кетоны — органические соединения, молекулы которых содержат кето-группу, связанную с двумя углеродными радикалами.
Применение:
Применение важнейших альдегидов:
Ключевые свойства, определяющие применение
Альдегиды
Окисление:окисление до карбоновых кислот
Присоединение:реакция присоединения с нуклеофилами
Реакционная способность:реакционно способный центр — карбонильная группа
Полимеризация:следствие — полимерные материалы
Кетоны
Хорошие растворители: хорошо растворяют многие неорганические соединения
Легкость в обработке:не трудоемкое очищение
Низкая точка кипения: легко перегонять и очищать
Приятный аромат:применимы косметике
Стабильность: стабильны при комнатной температуре
Карбоновые кислоты
Карбоновые кислоты — производные УВ, содержащие функциональную карбоксильную группу -COOH.
По основности кислоты делят на:
Одноосновные (монокарбоновые) — одна карбоксильная группа
Двухосновные (дикарбоновые) — две карбоксильные группы
Трехосновные (трикарбоновые) — три карбоксильные группы и т.д.
Применение важнейших насыщенных монокарбоновых кислот:
Ненасыщенные монокарбоновые кислоты — производные алкенов, алкинов, алкадиенов и других ненасыщенных УВ. Большое значение имеют непредельные кислоты с двойными связями.
Применение ненасыщенных монокарбоновых кислот:
Ключевые свойства, определяющие применение
Карбоновые кислоты
Кислотность: наличие карбоксильной группы, делает кислоты донорами протонов. Благодаря этому свойству кислоты участвуют во многих реакциях, ценных для синтеза
Образование солей: получение солей различных свойств (ацетатов, формиатов, бензоатов)
Точка кипения: высокие точки кипения по сравнению со спиртами и альдегидами; необходимо учитывать данное свойство при перегонки и очистки
Растворимость: низшие карбоновые кислоты — хорошо растворимы в воде (из-за образующихся водородных связей); с увеличением молекулярной массы растворимость снижается.
Сложные эфиры
Сложные эфиры — вещества которые образуются в результате взаимодействия органических или кислородсодержащих неорганических кислот со спиртами (реакция этерификации).
Применение:
Жиры
Жиры — смесь сложных эфиров глицерина и высших карбоновых кислот (ВКК).
Применение:
Углеводы
Углеводы — природные соединения, которые играют важную роль в жизни человека, животных и растений. Формально являются соединениями углерода и воды.
Простые углеводы (моносахариды) — простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов.
Сложные углеводы — углеводы, молекулы которых состоят из двух или большего числа остатков моносахаридов и разлагаются на эти моносахариды при гидролизе.
Применение углеводов:
Полисахариды — высокомолекулярные несахароподобные углеводы, содержат от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов, связанных гликозидными связями.
Применение:
Амины
Амины — производные аммиака, в молекуле которого один, два или три атома водорода замещены углеводородными радикалами.
Применение:
Аминокислоты
Аминокислоты — производные углеводородов, содержащие аминогруппы (-NH2) и карбоксильную группы.
Применение:
Вам доступна инфографика для скачивания на ПК или мобильное устройство.
После изучения данной темы, Вы можете проверить себя и закрепить знания, пройдя тест:
Большинство фенолов имеют тривиальные названия, которые были утверждены в соответствии с номенклатурой IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry), например, фенол, резорцин, пирокатехин и крезол (рис.2 а-е).
Рис.2 а-е — структурные формулы веществ
В общем случае названия фенолов получаются, исходя из нумерации атомов углерода, при этом выбирают кратчайший путь. Затем начинают с того атома углерода, который связан с гидроксильной группой. Если же в молекуле фенола имеется более старшая группа по отношению к OH-группе (сульфо-, карбокси- и др.), то цикл начинают нумеровать с того атома углерода, при котором стоит эта группа, то есть «по старшинству», согласно правилу Кана-Ингольда-Прелога, которое звучит так: самым старшим считается заместитель, у которого больше атомный номер.
Прежде, чем называть какое-либо соединение, необходимо:
Пронумеровать углеродную цепь так, чтобы старшая группа получила наименьший номер;
Определить в молекуле функциональные группы и выделить среди них старшую, которая будет указана в суффиксе названия, остальные группы – в приставке.
Стоит отметить, что нумерация заместителей начинается с атома углерода при гидроксильной группе и продолжается по кратчайшему пути. В начале названия перечисляются заместители с указанием их положения, а в конце добавляют «фенол» (рис.3).
Важно: Фенолы, в которых есть две или более гидроксильных -ОН групп, называют немного иначе. Перечисляют гидроксильные группы с указанием их положения и в конце добавляют «бензол» (рис.4).
Пример:
Рис.3 — 3-метилфенол.
Рис.4 — 1,2-дигидроксибензол
Электронное строение фенола
Фенолы выделены в отдельный класс не случайно, потому что наличие гидроксильной группы рядом с бензольным кольцом обуславливает уникальные свойства таких молекул.
Рассмотрим строение молекулы фенола. Он, в свою очередь, состоит из шести атомов углерода, которые образуют правильный шестиугольник. Почему же образуется данная фигура? Дело в sp2-гибридизации электронных орбиталей шести атомов углерода. Каждый атом углерода в кольце связан со своим соседом посредством σ-связи. Однако не все р-электроны каждого атома углерода участвуют в образовании данного вида связей. Оставшаяся часть образует две части единого шестиэлектронного π-облака, которое проходит через всё ароматическое ядро.
Кроме того, молекула фенола содержит гидроксильную группу – заместителя I рода, то есть она способствует повышению электронной плотности в бензольном кольце. Чем это обусловлено? Тем, что одна из неподеленных пар электронов атома кислорода OH-группы вступает в сопряжение с π-системой бензольного кольца: происходит смещение неподеленной пары в сторону ароматического ядра (рис.5).
Рис.5
Таким образом, увеличивается полярность связи O-H, что сказывается на свойствах фенола:
Повышается способность к замещению атомов водорода в орто- (можно запомнить как “около”) и пара-положениях (напротив) бензольного ядра (рис.6а,б);
Молекулы фенола диссоциируют в водных растворах по кислотному типу.
а) орто- б)пара-
Рис.6а,б — положения заместителей
Изомерия
Для фенолов характерна структурная изомерия:
— Изомерия положения заместителей в бензольном кольце (рис.7)
Рис.7 — орто-, мета- и пара-крезол соответственно
— Изомерия положения групп –ОН в многоатомных спиртах(орто-, пара- и метаположения) (рис.8)
Рис.8 — орто-, мета- и пара-положения ОН-групп соответственно
— Межклассовая изомерия с ароматическими спиртами, простыми эфирами (рис.9 а-в)
При обычных условиях — это бесцветное кристаллическое вещество. На воздухе приобретает розоватый оттенок;
Обладает характерным запахом;
Легко плавится, температура плавления составляет всего 40,9 °C;
При комнатной температуре фенол ограниченно растворяется в воде, но при 70 °C и выше он смешивается с водой в любых соотношениях;
Хорошо растворяется в органических растворителях;
Фенол токсичен.
Химические свойства
Реакции фенолов могут проходить как по гидроксильной группе, так и по бензольному кольцу.
Реакции по гидроксильной группе
1.1. Кислотность фенолов
Свойства фенолов сильно отличаются от одноатомных спиртов, потому что гидроксид-ион обладает меньшей термодинамической стабильностью по сравнению с фенолят-ионом, в котором отрицательный заряд рассеивается с участием атомов углерода бензольного кольца.
Если вводить в ароматическое кольцо фенолов различные заместители, то кислотные свойства фенолов изменяться. Так, на рис.10 мы видим, что Cl-ион уменьшает электронную плотность в углеродной цепи, оттягивая ее на себя (такие заместители называются электронноакцепторными) – -NO2, -SO3H, — COH, -CN. Следовательно, кислотные свойства будут только усиливаться. Возможен вариант с заместителями, которые, напротив, являются электронодонорными: повышают электронную плотность, уменьшая кислотные свойства молекулы, – -CH3, -C2H5, -OH (рис.10).
Рис.10 — ряд увеличения кислотности(слева-направо)
Фенол, проявляя кислотные свойства, реагирует с щелочами и щелочными металлами, образуя соли – феноляты (рис.11,12).
Рис.11 — образование фенолята натрия
Рис.12 — образование фенолята калия
Стоит отметить, что данная реакция (рис.12) характерна только для фенолов, но не для спиртов. Это можно объяснить тем, что в фенолах бензольное кольцо оттягивает на себя избыточную электронную плотность с атома кислорода гидроксильной группы. Та, в свою очередь, становится более подвижной, что увеличивает кислотные свойства фенолов.
Реакции по бензольному кольцу
Фенол вступает в реакции электрофильного замещения в ароматическом кольце.
Электрофильное замещение — тип химической реакции, характерный для ароматических соединений, в которой атом водорода в ароматическом кольце заменяется на электрофильную группу.
В качестве примера электрофильной группы можно привести:
Положительные ионы (катионы). Например, ионы гидрония (H₃O⁺), карбокатионы (R⁺) и катионы металлов, такие как ионы алюминия (Al3⁺).
Карбокатионы. Органические молекулы, которые обладают высоким дефицитом электронов и готовы вступать в реакцию с нуклеофилами с образованием новых связей. Примерами являются метилкатион (CH₃⁺), этилкатион (C₂h₅⁺) и т.д.
Гидроксильная группа как электронодонорный заместитель ориентирует замещение в орто- и пара-положения бензольного кольца.
Итак, рассмотрим некоторые реакции электрофильного замещения фенола:
—Галогенирование. Фенол легко при комнатной температуре взаимодействует с бромной водой с образованием белого осадка 2,4,6-трибромфенола (качественная реакция на фенол!).
— Нитрование. Под действием 20%-ной азотной кислоты фенол легко превращается в смесь орто- и пара-нитрофенолов. При использовании концентрированной азотной кислоты образуется 2,4,6-тринитрофенол (пикриновая кислота) (рис.13).
Рис.13 — образование 2,4,6-тринитрофенола
Если будем использовать разбавленную азотную кислоту, то будет протекать следующая реакция (рис.14):
Рис.14 — образование орто- и пара-нитрофенола
— Сульфирование. Электрофильным реагентом является серная кислота. Замещение в феноле направлено в орто- и пара-положения (рис.15).
Рис.15 — взаимодействие фенола с серной кислотой при различной температуре
— Гидрирование под действием катализатора
Рис.16 — образование циклогексанола
— Поликонденсация с альдегидами
Рис.17 — образование формальдегидной смолы
Получение
Выделяют несколько способов получения фенола:
— Кумольный способ — метод получения фенола и ацетона из кумола.
Процесс протекает в 2 стадии.
1 стадия: алкилирование бензола пропеном:
Рис.18 — образование кумола (изопропилбензола) из бензола
Метод основан на перегонке каменноугольной смолы, которая выделяется в виде смеси твердых белых кристаллов с резким запахом.
— Гидролиз галогенбензолов
Сначала происходит обработка хлорбензола избытком щелочи в условиях высокого давления и температуры. В ходе химической реакции образуется водный раствор фенолята натрия (рис.20):
Рис.20 — образование фенолята натрия
Затем через раствор фенолята натрия пропускают углекислый газ. В результате синтезируется фенол (рис.21 (а)):
Рис.21 (а) — образование фенола
Применение
Фенол — это органическое соединение, которое имеет множество применений в различных отраслях. Вот некоторые из них:
1. Производство пластмасс: фенол используется для синтеза бакелита и других термореактивных смол.
2. Антисептики и дезинфицирующие средства: благодаря своим антисептическим свойствам, фенол применяется в медицинских дезинфекционных средствах.
3. Производство красителей: фенол служит сырьем для синтеза различных красителей и пигментов.
4. Фармацевтика: используется в производстве некоторых лекарственных препаратов и как промежуточное соединение в химических реакциях.
5. Консерванты: в пищевой промышленности фенол может использоваться как консервант (в ограниченных количествах).
6. Химическая промышленность: фенол является важным исходным продуктом для синтеза других химических соединений, таких как пластики, растворители и т.д.
7. Производство клеев и герметиков: используется в производстве клеевых составов, особенно на основе фенолформальдегидных смол.
8. Синтез ароматических соединений: фенол служит сырьем для получения различных ароматических веществ.
Таким образом, мы рассмотрели ключевые аспекты темы «Фенолы». Инфографику по данной теме можно скачать по ссылке. Самое время закрепить свои знания и пройти тест!
Основания — это сложные вещества, в состав которых входит катион металла (или NH4+) и гидроксид ион (-ОН). При диссоциации в водных растворах в качестве аниона образуют только ионы ОН–.
Классификация
Основания с одной группой ОН – однокислотные (например, NaOH), с двумя – двухкислотные (Ca(OH)2) и с тремя – трехкислотные (Ni(OH)3).
Получение оснований
1. Взаимодействие основных оксидов с водой
При этом с водой реагируют в обычных условиях только те оксиды, которым соответствует растворимое или малорастворимое основание.
Например, оксид натрия в воде образует гидроксид натрия (едкий натр):
Na2O + H2O → 2NaOH
При этом оксид меди (II) с водой не реагирует:
CuO + H2O ≠
2. Взаимодействие металлов с водой
С водой реагируют в обычных условиях щелочные и щелочноземельные металлы. При этом протекает бурная окислительно-восстановительная реакция с образованием щелочи.
2K + 2H2O → 2KOH + H2
Если использовать металлы средней активности, то при взаимодействии с водой образуются не основания, а оксиды.
3Fe + 4H2O → Fe3O4 + 4H2
Исключение в данном случае составляет марганец. Он так же является металлом средней активности, но при взаимодействии с водой образует гидроксид.
Mn + 2H2O → Mn(OH)2 + H2
3. Электролиз растворов некоторых солей щелочных металлов
В ходе электролиза солей металлов, стоящих в ряду напряжения до алюминия, на катоде происходит восстановление воды с выделением газообразного водорода и гидроксид-ионов. Катионы металла, образованные в ходе диссоциации соли, образуют с полученными гидроксид-ионами основания. Данный метод используется преимущественно в промышленности.
2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2↑ + Cl2↑
4. Образование оснований при взаимодействии других щелочей с солями
При этом взаимодействуют только растворимые вещества, а в продуктах должна образоваться нерастворимая соль, либо нерастворимое основание:
K2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + 2KOH
KHCO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 + KOH + H2O
CuCl2 + 2NaOH → Cu(OH)2↓ + 2NaCl
Химические свойства нерастворимых оснований
1. Взаимодействие с сильными кислотами и их оксидами с образованием соли и воды
Cu(OH)2 + 2HCl = CuCl2 + 2H2O
При этом гидроксид меди (II) не взаимодействует с кислотным оксидом слабой угольной кислоты – углекислым газом:
Cu(OH)2 + CO2 ≠
2. Нерастворимые основания разлагаются при нагревании на оксид и воду
2Fe(OH)3 = Fe2O3 + 3H2O
3. Нерастворимые основания не взаимодействуют с амфотерными оксидами и гидроксидами
4. Окисление низших неустойчивых оснований
Восстановителями в данном случае являются основания, образованные металлами с минимальной или промежуточной степенью окисления.
4Fe+2(OH)2 + O20 + 2H2O → 4Fe+3(O-2H)3
Химические свойства щелочей
1. Отношение к индикаторам
Щелочи способны изменять окраску индикаторов:
Лакмус (фиол.) — синий
Фенолфталеин (б/ц) — малиновый
Метиловый оранжевый (оранж.) — желтый
2. Взаимодействие с кислотами с образованием средней соли и воды (реакция нейтрализации)
Возможно и образование кислой соли, если кислота многоосновная, при определенном соотношении реагентов, либо в избытке кислоты.
Например, гидроксид натрия при взаимодействии с трехосновной фосфорной кислотой может образовывать 3 типа солей: дигидрофосфаты, фосфаты или гидрофосфаты.
Если кислота находится в избытке или мольное соотношение реагентов 1:1, то образуется дигидрофосфат:
NaOH + H3PO4 → NaH2PO4 + H2O
При мольном соотношении веществ 2:1 образуются гидрофосфаты:
2NaOH + H3PO4 → Na2HPO4 + 2H2O
Если щелочь находится в избытке или соотношение реагентов 3:1, то образуется фосфат:
3NaOH + H3PO4 → Na3PO4 + 3H2O
3. Взаимодействие с амфотерными оксидами и гидроксидами
Если реакция протекает в расплаве, образуются средние соли, а если в растворе — комплексные.
NaOH + Al(OH)3 (расплав) = NaAlO2 + 2H2O
NaOH + Al(OH)3 (раствор) = Na[Al(OH)4]
4. Взаимодействие с кислотными оксидами
В избытке щелочи образуется средняя соль, а в избытке кислотного оксида — кислая.
2NaOH (изб.) + CO2 = Na2CO3 + H2O
2NaOH + CO2 (изб.) = NaHCO3
5. Взаимодействие с солями
Такие реакции ионного обмена протекают в том случае, если соль растворима и наблюдается видимый признак реакции (газ, осадок).
CuSO4 + 2NaOH = Cu(OH)2↓ + Na2SO4
При взаимодействии с щелочами соли амфотерных металлов, находящиеся в избытке, образуют амфотерные гидроксиды.
Если же в избытке щелочь, то образовавшийся гидроксид способен вступать с ней в реакцию с образованием комплексного соединения:
ZnSO4 (изб.) + 2KOH = Zn(OH)2↓ + K2SO4
ZnSO4 + 4KOH (изб.) = K2[Zn(OH)4] + K2SO4
6. Взаимодействие с кислыми солями
Возможно образование средних или менее кислых солей.
KHSO3 + KOH = K2SO3 + H2O
Ca(OH)2(изб.) + NaHCO3 → CaCO3 + NaOH + H2O
Ca(OH)2 + 2NaHCO3(изб.) → CaCO3 + Na2CO3 + 2H2O
7. Взаимодействие с металлами в растворе или расплаве
Если окислительно-восстановительная реакция проводится в растворе, то будет образовываться комплексная соль и водород, если в расплаве — средняя соль и водород.
При этом в растворе с щелочами реагируют только те металлы, у которых оксид с минимальной степенью окисления металла амфотерный.
2Al + 2NaOH + 6H2O = 2Na[Al(OH)4] + 3H2
8. Взаимодействие с неметаллами
Щелочи взаимодействуют с большинством неметаллов, за исключением кислорода, водорода, азота, углерода и инертных газов.
В случае других неметаллов преобладают реакции диспропорционирования (самоокисления-самовосстановления):
2NaOH +Cl20 = NaCl— + NaCl+O + H2O (на холоде)
6NaOH +3Cl20 = 5NaCl— + NaCl+5O3 + 3H2O (при нагревании)
2NaOH + Si0 + H2+O= Na2Si+4O3 + 2H20
3I20 + 6NaOH → 5NaI— + NaI+5O3 + 3H2O
4P0 + 3NaOH +3H2O → 3NaH2P+1O2 + PH3-3
3S0 + 6NaOH → 2Na2S-2 + Na2S+4O3 + 3H2O
9. При нагревании щелочи не разлагаются
Исключение — гидроксид лития:
2LiOH = Li2O + H2O
Применение оснований
Гидроксид натрия
Тривиальные названия — едкий натр, каустическая сода.
Используется во многих отраслях промышленности, например, при производстве целлюлозы, моющих средств, биодизельного топлива, а также в нефтепереработке.
Гидроксид калия
Тривиальное название — едкое кали.
Используется в производстве моющих средств как сырье для получения различных соединений калия, а также в качестве электролита в гальванических элементах.
Гидроксид кальция
Тривиальное название — гашеная известь, пушонка.
Гашеную известь с древних времен использовали в строительстве для приготовления скрепляющей смеси (известкового раствора). Известковое молоко применяют в производстве сахара, а также в сельском хозяйстве для борьбы с вредителями.
Гидроксид магния
Используется в промышленности в качестве наполнителя при производстве пластмасс, в медицине — как средство для уменьшения кислотности желудочного сока.
После прочтения данной темы, вы можете пройти тест по ссылке и закрепить пройденный материал.
Также, перейдя по ссылке ниже, можно скачать инфографику с химическими свойствами оснований.
Качественные реакции в неорганической химии на катионы
Существуют качественные реакции на катионы и качественные реакции на анионы. При протекании различных реакций на тот или иной катион или анион мы можем наблюдать различные изменения, то есть эффекты реакции.
С точки зрения наблюдаемых эффектов качественные реакции можно разделить на несколько групп:
Выпадение осадка
HCl + AgNO3 = HNO3 + AgCl↓ выпадение белого осадка
Раствор угольной кислоты(H2CO3) или соли карбонаты(CO32-)
Mn2++CO32-=MnCO3↓ Розовый осадок, который на воздухе становится бурым
При выборе реагента для различения двух катионов в неорганической химии нужно ориентироваться на то, что одно вещество будет реагировать с добавленным реагентом, а второе нет. При этом должен наблюдаться какой-либо эффект реакции: выпадение осадка, выделение газа, изменение цвета,… Также вещества можно отличить друг от друга, если они оба реагируют с добавленным реагентом, но делают это по-разному.
Рассмотрим конкретные примеры
Сравним катионы Na и Ba
Например, можно использовать соль Na2SO4, так как образуется белый осадок BaSO4. Таким образом, один катион будет образовывать нерастворимое соединение, а другой — нет.
*Кроме того, при выборе реагента для разделения ионов необходимо учитывать также pH среды, температуру и другие факторы, которые могут влиять на эффективность процесса разделения.
Теперь рассмотрим катионы NH4+ и Li+
Если посмотрим в таблицу растворимости, можно обратить внимание, что литий способен образовывать нерастворимое соединение с фосфатами — Li3PO4 . Кроме того, эти катионы можно различить и другим способом. Если добавим раствор щёлочи(KOH), то будет образовываться газ с резким запахом — аммиак(NH3). Таким образом, мы можем обнаружить любой из этих катионов.
Сравним катионы Ag+ и Mn2+
Для того, чтобы различить эти катионы, мы можем использовать Na2S. В данном случае оба катиона будут образовывать нерастворимые соединения, однако они будут разного цвета: Ag2S — чёрный осадок; MnS — розовый осадок.
Далее рассмотрим Zn2+ и Mg2+
Если посмотрим в таблицу растворимости, можно обратить внимание, что оба катиона образуют нерастворимые основания при действии на их соли раствором щёлочи. Однако, следует обратить внимание, что Zn(OH)2 является амфотерным гидроксидом и при действи избытком щёлочи, он растворится с образование комплексного соединения. Поэтому останется только Mg(OH)2 — осадок белого цвета.
Сравним катионы Fe2+ Fe3+
При рассмотрении данных катионов мы также можем обратиться к таблице растворимости. Оба катиона образуют нерастворимые соединения с раствором щёлочи. Когда в реакцию с OH— вступает Fe2+, мы наблюдаем зелёный осадок, который со временем темнеет из-за окисления соединения на воздухе. Если же говорить про осадок, образующийся с Fe3+, то здесь наблюдаем бурый осадок. Кроме того, эти два катиона можно различить раствором сульфида(S2-) (Fe2+ будет образовывать чёрный осадок — FeS). Fe3+ вступает в ОВР (окислительно-восстановительную реакцию) с сульфидами. В результате образуется два осадка( FeS и S), поэтому данный реагент не совсем удобен для различия данных катионов. Также можно подействовать жёлтой или красной кровяной солью, так как жёлтая является реагентом на Fe3+, а красная — на Fe2+.
Роль качественных реакций в неорганической химии
Качественные реакции в неорганической химии имеют большое значение и играют важную роль в определении химических свойств и состава различных веществ. Они используются для обнаружения химических элементов и соединений на основе их химических свойств и реакций. Кроме того, качественные реакции используются в процессе обучения и исследований неорганической химии, так как они позволяют демонстрировать различные химические процессы и законы, а также практически применять полученные знания о химических свойствах веществ.
Таблицу, представленную в конспекте, можно сохранить по ссылке
Для проверки полученных знаний вы можете пройти тест:
+ NaOH ->
NaBr + H2O
Новости
22.11.2024
22.11.2024
24.10.2024
14.10.2024
09.10.2024
01.10.2024