книги / Неорганическая химия

процессе отливки изделий из меди, железа, никеля часть раство­ римого водорода выделяется при охлаждении металла и может вызвать образование трещин и раковин в отливке.

Растворимость водорода в палладии используется в катали­ тических процессах. Гидриды циркония, ванадия применяютчв качестве присадок в производстве некоторых сплавов, а выделя­ ющийся при этом водород играет роль раскислителя.

Если в раствор марганцовокислого калия КМ п04 пропускать чистый молекулярный водород Нг, то никакого изменения мали­ новой окраски раствора КМп04 не произойдет; если же приба­ вить туда несколько кусочков цинка и раствора серной кислоты, то малиновый раствор КМ п04 начнет постепенно обесцвечивать­ ся. Здесь сказывается действие атомарного Н-активного водоро­ да («в момент выделения»). Реакция идет по уравнению:

2КМп0 4 -Ъ ЗН25 0 4 + 1 0 Н = +• 2Мп504 8НаО.

Диссоциация молекулы водорода идет при очень высокой температуре. При 5000°С более 94% всех молекул водорода рас­ падается на атомы. Для диссоциации 1 моля водорода на атомы требуется затратить 105 клал, при обратном соединении свобод­ ных атомов в молекулы эта теплота выделяется:

Нач^2Н— 105 ккал.

Эта реакция была использована в свое время американским

с периодом полураспада 12,5 лет, в природе не обнаружен, вы­ делен искусственно в ядерных реакциях.

Путем электролиза из обычной воды была выделена тяжелад

вода с молекулярным весом 20, что . отвечает формуле ЭгО (см. гл. X).

Применение водорода. Значительные количества водорода расходуют для получения высоких температур (водородно-кис­ лородное пламя) ; для гидрогенизаций жиров (превращение жид< ких растительных жиров);.для получения аммиака (синтез ам­ миака по способу Габер-Боша). Водород широко используется и для приготовления искусственного жидкого топлива из угля. При этом получают продукт, похожий на нефть, из которого можно вырабатывать далее бензин, керосин, смазочные масла и другие продукты. Такой способ использования угля известен под названием «бергенизация угля» (по имени инженера Бергиуса).

3. КИСЛОРОД

Кислород — элемент шестой группы периодической системы. Шесть наружных электронов его атомов очень прочно связаны с ядром, поэтому во всех соединениях он бывает только отрица­ тельно двухвалентен.

Кислород был признан за «особое вещество» лишь в конце XVIII в. Китайцы в VIII в. знали, что в воздухе содержатся два компонента и один из них, деятельный, соединяется с неко­ торыми металлами, с горящей серой и древесным углем. Они знали даже, что это вещество может быть получено в чистом виде путем нагревания некоторых Веществ (например се­ литры).

' Леонардо да Винчи первкй из европейцев высказал мнение, что воздух содержит два газа.

М. В. Ломоносов предвидел существование этого элемента и указывал, что «при процессе обжигания к телам-присоединяется некая материя», и «частйцы из воздуха, непрерывно текущего на (нагреваемое) тело, смешиваются с последними увеличивают его вес». Английский химик Дж, Пристли в 1774 г. получил, кис-* лород прбкаливанйем красной окиси ртути Н&0; а В следующем году нашел, что кислород содержится в воздухе. Шведский химик К. Шееле в 1771— 1772 гг. получил кислород из различных ве­ ществ— сурика, селитры, азотной кислоты, пиролюзита и др: ;и назвал это вещество, «огненным воздухом».

Заслуга установления элементарной природы кислорода при­ надлежит французскому химику А. Лавуазье. Он выделил кисло­ род из окиси ртути (1777) и доказал, что кислород — составная часть воды, воздуха, содержится во многих веществах, в том числе -в кислотах. Поэтому он был назван кислородом, т. е. «рождающим (образующим) кислоты». Выдвинутая А. Лавуазье теория окисления окончательно опрокинула распространенное ранее учение о флогистоне ,и стала краеугольным камнем в даль­ нейшем развитии химической наукц.

В русской литературе кислород долгое время называли кислотвором, а современное название было введено проф. М. В. Со­

ловьевым (1824).

Кислород — самый распространенный элемент в земной коре. В свободном состоянии он находится в воздухе: 23,2% весовых, или 20,9% объемных. В связанном состоянии кислород входит в состав воды (88,9%), различных минералов и горныхпород.

Кислород получают преимущественно из жидкого воздуха. Температура кипения кислорода — 183°С, азота — 195°С, поэтому последний испаряется в большем количестве и ранее кислорода. Через некоторое время остающаяся жидкость представляет почти чистый кислород (96—97% ). Выделяющийся из нее «газ» сжи­ мают до 100— 150 атм в стальных цилиндрах (баллонах).

В лабораторных условиях кислород получают несколькими способами:

1) нагреванием (200°С) бертолетовой соли в присутствии двуокиси марганца МпОг:

2КС103 = 2КС1 + ЗОа;

2) нагреванием окиси ртути:

2НеО = 2Н§ + 0 2;

3) нагреванием двуокиси марганца:

ЗМп02 = Мп30 4 -|- Оа.

Между прочим, последнюю реакцию применяют для освеже­ ния воздуха в закрытых помещениях; образовавшийся едкий натр поглощает углекислый газ, выделяющийся при дыхании.

Кислород —: бесцветный газ, немного тяжелее воздуха. При — 183°С и. нормальном давлении переходит в легкоподвиж­ ную голубоватую жидкость, а при — 218°С затвердевает в снего­ подобную массу. Малорастворим в воде: 10,19 ем3 в 1 л при 0°С, 7,87 см3 при 10°С, 6,36 см3 при 20°С. Растворенный в воде воздух вследствие лучшей растворимости кислорода по сравнению с азотом значительно богаче кислородом, чем воздух атмосферы. Так, при 0°С в выделенном из раствора воздухе содержится кис­ лорода 34,9% по объему, а в атмосфере содержание его не пре­ вышает 20,95%.

Кислород химически весьма активен. Он соединяется со все­ ми элементами (за исключением инертных газов), причем с наи­ более распространенными элементами земной коры — кремнием, алюминием, кальцйем, магнием, натрием и другими образует особенно прочные соединения. Подавляющая часть его атомов в

К и с л о т н ы е о к и с л ы , или а н г и д р и д ы к и с л о т — это главным образом окислы неметаллов и некоторых металлов с высшей степенью окисления (например СгОз, МП2О7 ).

О с н о в н ы е о к и с л ы — это окислы металлов.

новных окислов. С кислотами они ведут себя как основные окис­ лы, со щелочами — как кислоты. В обеих реакциях образуются соли:

кислорода связаны не только с другими элементами, но и между собой:

и света, называется горением^ Горение веществ в чистом кисло­ роде происходит гораздо быстрее, чем в. воздухе. В каменноу­ гольных копях всегда наблюдается повышенное содержание уг­ лекислого газа за счет медленного окисления угля. Медленное окисление навоза используют в качестве источника тепла в пар­ никах. При горении в чистом кислороде выделяется столько же тепла, сколько и при горении на воздухе. Но так как горение в кислороде протекает быстрее, то и температура поднимается выше.

Применение кислорода. Кислород нашел большое применение в промышленности, особенно для получения высоких темпера­ тур. Так, водородно-кислородное пламя дает температуру около 2000°С, а ацетилено-кислородное 3000°С. Такое пламя применя­ ют для резки и сварки металлов '(автогенная сварка, автогенная резка). В химической промышленности кислород применяют для получения искусственного жидкого топлива, смазочйых масел,

серной кислоты, метанола. Применяя парокислородное дутье в газогенераторах под давлением в несколько атмосфер (около 28 атм), получают высококалорийный газ из бурых углей и торфа.

Жидкий кислород находит применение при взрывных работах и в реактивных двигателях, а в смеси с угольным порошком, дре­ весной мукой и другими горючими веществами — в качестве взрывчатого вещества. Такие смеси — оксиликвиты — обладают очень сильными взрывчатыми свойствами, не уступая в этом отношении динамиту, и менее опасны при использовании.

Широкое применение в последнее время кислород нашел в металлургии. Частичная или полная, замена азота воздуха кис­ лородом, поступающим в металлургические агрегаты, позволяет значительно улучшить процессы выплавки металла за счет их ускорения, снижения расхода топлива, улучшения качества ме­ талла, существенного облегчения трудоемких стадий процесса. Удешевление производства. кислорода дает возможность перей­ ти к широкому его использованию и в цветной металлургии. Скорость окисления сульфидных руд в твердом состоянии Газо­ вой смесью с 60% кислорода ускоряет процесс почти в три раза (при 500—600°С). Велика роль кислорода также в процессах флотации (обогащение полезных ископаемых). Наконец, кисло­ род находит применение в медицине, авиации и других областях

весом 16, существуют его изотопы с атомными весами 17 и 18. Их соотношение в природном кислороде таково:

0 1в:0 17: 0 18 = 99,81:0,04:0,020.

Озон. В особых условиях — в тихих электрических разрядах, радиоактивных процессах, а также при действии на обыкновен­

25—-30 км озон образует «озоновый экран», который задержива­ ет "основную массу ультрафиолетовых лучей и тем самым защи­ щает организмы от губительного действия этих лучей.

Озон образуется в небольших количествах при электролизе разбавленной серной кислоты, при медленном окислении фосфо­ ра на воздухе. При взаимодействии фтора с водой выделяется кислород, содержащий около 15% озона:

ничтожное количество (1 часть в 5000000 частей воздуха). Т. пл. твердого озона — 251°, 4°С. Озон более растворим в воде, чем кислород; более активный окислитель, чем кислород. Он при обычной температуре окисляет, например, серебро:

2А§ —|—2 0 3 = А&Оя + 203.

заки сь серебра

Это свойство также применяют для открытия озона. Для этой же цели применяют бумажку, пропитанную крахмальным клейсте­ ром с небольшим количеством йодистого калия:

0 3 + 2КЛ + Н аО = О а + 2 1С О Н + Ла.

Выделяющийся йод окрашивав Кислород ет крахмал в темно-синий цвет.

При обыкновенной темпера­ туре озон довольно устойчив, а при нагревании легко разлага­ ется, превращаясь в кислород. Распад его сопровождается вы­ делением тепла и увеличением объема газа в полтора раза:

Озон обесцвечивает многие искусственные краски и красящие вещества, например индиго. Как сильный окислитель озон уби­ вает бактерии — применяется для дезинфекции воздуха.

Так как образование озона может происходить при окисле­ нии скипидара, смолистых веществ, то этим объясняется присут­ ствие его в воздухе хвойных лесов.

4. КЛ АССИ Ф И К АЦ И Я Н ЕО РГАН И Ч ЕСКИ Х СОЕДИНЕН ИЙ

По мере более глубокого познания природы и развития хи­ мии накапливался все больший запас экспериментальных дан­ ных о различных веществах, их видах и свойствах. Если в древ­ нем мире основные сведения о веществах ограничивались знанием всего лишь нескольких металлов, встречавшихся в са­ мородном состоянии или сравнительно легко выплавлявшихся (золото, серебро, ртуть, медь,- олово, свинец), нескольких неме­ таллов, (углерод в виде угля и алмаза, сера, в дальнейшем мышьяк, сурьма, фосфор), некоторых кислот (соляная, серная, азотная, уксусная), то к концу XIX — началу XX в. полученных и описанных в литературе неорганических соединений насчиты­ валось уже многие десятки тысяч, а органических в настоящее время несколько миллионов. Естественно, что издавна возника-

ла необходимость классификации соединений, создания для них рациональной химической номенклатуры.

Еще в XVIII в. М. В. Ломоносов, А. Лавуазье положили на­ чало этой классификации, устранили из химии прежние схола­ стические представления, ведшие свое начало от Аристотеля и средневековых алхимиков, вЕГели понятие об элементе, объяснили сущность'процессов горения как реакций соединения с кислоро­ дом. Позднее было введено понятие о кислоте как о кислород­ ном соединении, составлена первая рациональная система хими­ ческих названий, принципы которой частично сохранились и в современной классической номенклатуре неорганических соеди­ нений.

Открытый в XIX в. Д. И. Менделеевым периодический закон и периодическая система химических элементов внесли большую простоту, ясность и точность в огромный накопленный запас сведений о химических элементах и их соединениях. Это дало возможность более глубоко познать и классифицировать все известные элементы и их соединения, выделить некоторые типичные группы, объединив в них вещества по составу,

ностью (большим сродством к электрону), обладают кислото­ образующими свойствами, дают соединения с кислородом кис­ лотного характера и составляют группу неметаллов (галогены, 5, N. Р, С, 51 и др.). Элементы, характеризующиеся малой электроотрицательностыо, образуют соединения основного характера и составляют группу металлов (щелочные, щелочноземельные металлы и др.). Имеется также ряд элементов переходных, про­ являющихся в соединениях двоякие свойства (основные и кис­ лотные) в зависимости от условий реакции: основные — в кис-

лой среде, кислотные — в щелочной. Сюда относятся А1, 2п, Се, Ве, Сг, РЬ, 5Ь, 5п и др.

II. Окислы. Окислами называются соединения, молекулы ко­ торых содержат атомы только двух элементов, один из кото* рых — кислород. По химическим свойствам они делятся на три группы:

Окислы с двумя атомами кислорода называют также двуоки­ сями, с тремя— трехокисями и т. д., например: СОг—-двуокись углерода, 5 0 3— трехокись серы. Окислы, в которых атомы кис­ лорода, помимо связи с атомом основного элемента, связаны еще ковалентной связью между Собой, носят название перекисей, на­ пример;

О

о

н—о н—о

. Окислы, химически взаимодействующие с водой, принято на­ зывать солеобразующими (С 02, Р2О5, Ы205, 5 0 3, С120 7 и др.), а не взаимодействующие с водой — несолеобразующими, или без­ различными (СО, N0, Ы20 и др.))- Для примера назовем окис-* лы азота: Ы20 — закись азота, N0 — окись азота, И20 3— азо­

Гидраты основных окислов называются основаниями; раствори­ мые в воде основания (полностью или частично) называются щелочами, например КОН, ИаОН, 1Л0Н, Са(ОН)2, М^(ОН)2. Ва(ОН)2— щелочи; Си(ОН)2, Ре(ОН)2, Ре(ОН)3, 5с(ОН )3, Ьа(ОН)3— нерастворимые основания. Гидраты кислотных окис­ лов, или гидраты ангидридов кислот, являются кислотами. По количеству атомов водорода, могущих вытесниться,-кислоты бы­ вают одноосновные, двухосновные, трехосновные и т. д.

Гидраты амфотерных окислов являются тоже амфотерными: в кислой среде проявляют свойства оснований, в щелочной — свойства кислот; образуют соли разного состава и свойств.

IV. Соли, Соли можно рассматривать как производные кис­ лот, в которых водород полностью или частично замещен на ме­ талл, или как производные оснований, в которых группы ОН пол­ ностью или частично замещены кислотными остатками. По сос­