ХИМИЯ ВОКРУГ НАС

В МИРЕ ВЕЩЕСТВ

Ж/|олекула — кирпичик вещества. РаздавИхМ в ступке кри - 1¥1 сталик сахара. Он распадётся на множество мелких крупинок. Если мы станем растирать их, то каждая из них, в свою очередь, будет измельчаться всё больше и больше, пока не получится тончайшая сахарная пудра. Где же граница измельчения кристалика? Каковы самые мельчайшие частички сахара, которые ещё будут обла­дать таким же составом и свойствами, как и кристалик? Эти частички — молекулы. Но ступка — слишком грубое орудие для того, чтобы достигнуть этой границы. Более совершенным орудием оказывается вода: при растворе­нии сахара в воде каждая его крупинка легко дробится на тысячи более мелких, на молекулы. Такое же дробле­ние происходит и при испарении различных веществ.

Молекулы настолько малы, что их не удаётся увидеть даже в самые сильные микроскопы. Однако учёные су­мели установить, что размеры этих «кирпичиков» для разных веществ сильно отличаются друг от друга. Как правило, чем сложнее вещество, тем больше размер мо­лекул, которые его составляют. Любой образец какого угодно чистого (т. е. не содержащего примесей) вещества состоит из громадного числа совершенно одина­ковых молекул. Поэтому чистое вещество всегда однородно.

Есть ли в природе явления, показывающие, что веще­ства состоят из молекул? Да, есть. И прежде всего это явления, связанные с движением молекул. Мы знаем, на­пример, что вода существует в трёх состояниях: в виде льда, в виде жидкости и в виде пара. Однако состав её одинаков во всех этих трёх состояниях. Различия в свой­ствах воды, льда и пара зависят от того, насколько тесно примыкают друг к другу отдельные молекулы воды и насколько они подвижны[22]).

Существуют ли частицы меньшие, чем молекулы? Изучая поведение веществ в различных условиях, химики установили, что и сами молекулы сложны.

Есть вещество, которое называется окисью ртути. Это красный порошок. Если мы станем нагревать окись ртути, то она разрушается, выделяя металл ртуть и газ кисло­род. Так как окись ртути однородна, — она не смешана ни со ртутью, ни с кислородом, и все её молекулы совер­шенно одинаковы, — то образование из неё двух новых веществ можно объяснить только тем, что при нагревании происходит разрушение самих молекул. Но ведь это зна­чит, что молекулы окиси ртути состоят из более мелких частиц, из частиц кислорода и ртути! Окись ртути не является каким-либо исключением. Молекулы всех ве­ществ состоят из более мелких частиц. Эти составные частицы молекул называют атомами.

Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, молекула кислорода — из двух атомов кислорода и т. д.

Атомы в молекулах связаны между собой несравненно более прочно, чем молекулы друг с другом. Подтвер­ждается это хотя бы тем, что, например, разделение молекулы воды на атомы водорода и кислорода требует затраты во много раз большего количества тепла (нагре­вание до 1000 градусов), чем разрушение кристалла льда (нагревание чуть выше 0 градусов).

Чем отличаются простые вещества от сложных? Все вещества, из которых тем или иным путём можно полу­чить более простые, считаются сложными. Сложных веществ в настоящее время известно уже более двух МИЛ­ЛИОНОВ; Вода, поваренная соль, стекло, спирт, сахар, яичный белок — всё это вещества сложные. Но суще­ствуют вещества, которые не разлагаются на более про­стые. Таких веществ нам известно около ста. Их назвали простыми веществами. Кислород, водород, сера, железо, ртуть, медь, золото — всё это простые вещества. Из простых веществ и построены все сложные вещества.

Зная, что молекулы состоят из атомов, можно вполне точно указать, чём простые вещества отличаются от сложных. Особенность простых веществ заключается в том, что молекулы каждого из них построены из оди­наковых атомов. Например, молекула хлора по­строена из двух атомов:

Атом хлора + атом хлора=молекула хлора.

При разложении молекулы хлора ничего, кроме атомов хлора, получить нельзя. Это простое вещество.

Молекулы же сложных веществ всегда построены из разных атомов. Так, молекула поваренной соли со­стоит из двух разных атомов:

Атом натрия + атом хлора=молекула поваренной соли.

Это наиболее простой пример молекулы сложного веще­ства. В большинстве случаев состав молекул более сло­жен. Так, в молекуле железной окалины 7 атомов, мо­лекула сахара построена из 45, а молекула вещества, составляющего большую часть говяжьего сала, — из 173 атомов. Есть и такие молекулы, которые построены из нескольких тысяч атомов; таковы молекулы яичного белка, каучука и т. д.

По свойствам простые вещества можно разделить на две большие группы — на металлы и неметаллы. К метал­лам относится большая часть простых веществ. Метал­лы — натрий, кальций, хром, медь, железо, никель и все другие — отличаются от неметаллов по внешнему виду, блеском. Металлы ковки, хорошо проводят электриче­ский ток и тепло.

Неметаллы — кислород, азот, углерод, сера, фосфор, хлор и др. — разнородны по внешнему виду. Они не ковки. Большинство из них плохо проводит ток и тепло.

Металлы и неметаллы отличаются друг от друга и по своим химическим свойствам (об этом мы подробно рас­скажем в четвёртом разделе).

Как в химии обозначаются атомы и молекулы? Моле­кулы разных веществ отличаются друг от друга по «сор­там» образующих их атомов. Так, молекулы поваренной соли содержат совершенно другие сорта атомов, чем мо­лекулы воды. Сахар и жир состоят из трёх «сортов» ато­мов — углерода, водорода и кислорода. В яичном белке к этим трём сортам добавляются атомы азота, фосфора, серы. Все это — атомы простых веществ. Войдя в состав

Молекулы, они перестают быть «простыми веществами», они становятся составными частями молекулы, образую­щими её элементами.

В природе элементы распространены не равномерно. Это показано на рисунке 1 (проценты указаны прибли­жённо). Около половины вещества земной коры с её во­дами и атмосферой составляет кислород. Он входит в состав воды и почти всех пород земной коры. Второе ме­сто занимает кремний. Он входит в состав песка, глин и многих других пород. Остальные элементы встречаются в природе реже и в меньших количествах.

Каждый элемент, а значит, и каждый сорт атомов имеет своё латинское название (названия многим элемен­там давались в то время, когда научным языком был исключительно латинский) и «символ»—сокращённое обозначение.

Символами пользуются для написания формул раз­личных веществ, показывающих, из каких сортов атомов состоит молекула вещества. Формула «изображает» мо­лекулу. Формула молекулы поваренной соли — ЫаС1 (натрий хлор) показывает, что она состоит из атома натрия и атома хлора. ИНз (эн аш три) — формула мо­лекулы аммиака.

Мы уже знаем, что простое вещество всегда содержит один элемент, а сложное — всегда несколько. Очень важно знать не только элементарный состав вещества, но и соотношения в нём отдельных элементов. Возьмём, например, воду и перекись водорода. И та и другая со­стоят из водорода и кислорода. В молекуле воды есть два атома водорода и один атом кислорода (Н20), а в моле­куле перекиси водорода—два атома водорода и два атома кислорода (Н202). Количественные соотношения между атомами здесь различны, различны и свойства этих веществ. Молекулы сахара и жира также состоят из одних и тех же элементов: углерода, водорода и кисло­рода, и также отличаются числом атомов этих элементов в молекуле.

Химики стремятся узнать и расположение атомов в молекуле, то-есть строение молекулы. Это важно потому, что, как показал крупнейший русский химик А. М. Бутле­ров, химические свойства вещества зависят и от того, в каком порядке атомы расположены в молекуле.

Смеси веществ и химические соединения. Мы уже знаем, что чистое вещество однородно: все его частички имеют одинаковый состав. Например, все молекулы же­леза одинаковы, также одинаковы и все молекулы серы. Если мы смешаем мелкие железные опилки с порошком серы («серным цветом»), то образуется смесь, в кото­рой имеются отдельные частички железа и частички серы, не связанные химически между собой. Это легко доказать. Насыплем немного нашей смеси на лист бумаги и под­несём близко к ней магнит. Частички железа притянутся к магниту, а сера останется на бумаге. Можно поступить и иначе, например, внести смесь серы и железа в жидкое вещество — сероуглерод. Сероуглерод легко растворит на­ходящуюся в смеси серу, а железо останется в осадке.

Сера, находясь в смеси с железом, не мешает его ча­стичкам притягиваться к магниту. В свою очередь, частички железа не препятствуют частичкам серы раство­ряться в сероуглероде. Таким образом, каждое веще­ство проявляет в смеси свои собственные свойства. Смеси можно приготовлять в любых со­отношениях. Можно взять 1 грамм серы и 10 граммов железа, но можно составить смесь и из 10 граммов серы и 1 грамма железа. Значит, смеси не имеют по­стоянного состава. Смесь серы и железа неодно­родна. Но бывают и однородные смеси — растворы. О них мы подробнее расскажем дальше.

Проделаем теперь со смесью серы и железа такой опыт. Насыплем смесь в пробирку и подогреем немного её донышко. Дальше вся смесь сама нагреется до крас­ного каления, а затем постепенно застынет в тёмргую твёрдую пористую массу. Теперь попытки разделить же­лезо и серу из этой массы магнитом или растворением ни к чему не приведут — при нагревании произошло хи­мическое превращение, реакция, и из серы и железа мы получили новое сложное вещество—сернистое же­лезо-. Оно не имеет сходства ни с железом, ни с серой. Это показывает, что при химических реакциях свойства веществ изменяются.

При образовании химического соединения произвол в отношении состава уже недопустим. Химическое соединение имеет постоянный состав — его молекулы состоят из определённого числа атомов.

Схема основных типов веществ показана на рисунке 2.

Атомные веса. Атомы разных элементов не одинаковы: они отличаются друг от друга прежде всего весом. Атомы и молекулы — чрезвычайно малые частицы. Например,

В одном грамме воды содержатся миллиарды миллиардов молекул. Поэтому и веса отдельных атомов и молекул очень малы. Но для химика нет необходимости знать, сколько весит каждый атом или каждая молекула — ведь он всегда имеет дело с громадными количествами моле­кул. Он должен знать, во сколько раз одна молекула тяжелее или легче другой, знать сравнительные или, как говорят, относительные веса атомов и молекул. Для

Однородные

Вещества

1 г

Рис. 2. Основные типы веществ.

Сравнения в химии принят атом кислорода. Сравнивая вес атома кислорода, принятый за 16, с весами атомов всех других элементов, химики рассчитали относительные веса всех атомов. Атом водорода весит почти в 16 раз меньше, чем атом кислорода — его атомный вес равен 1,008, это самый лёгкий атом. Атомный вес кремния ра­вен 28,06, железа — 55,85 (атомные веса всех элементов указаны на рис. 3).

Зная относительные, атомные веса элементов, мы мо­жем вычислить относительный вес любой молекулы — молекулярный вес. Рассчитаем, например, моле­кулярный вес воды Н20: два атома водорода весят

1, 008X2=2,016, атом кислорода — 16, молекулярный вес
воды 2,016+16=18,016; молекула воды в 18 раз тяжелее Vi6 атома кислорода.

Чем же помогают нам эти относительные веса атомов и молекул? А вот чем. Если мы возьмём при одинаковых условиях 14,008 грамма азота (атомный вес его равен 14,008 и 1,008 грамма водорода (атомный вес водо­рода—1,008), то можем быть уверены, что и в 14,008 грамма азота, ив 1,008 грамма водорода содержится одно и то же количество атомов! Число граммов элемента, равное его атомному весу, называют г р а м м-а т о м о м, а число граммов сложного вещества, равное его молеку­лярному весу — г р а м м-м олекулой. И если нам тре­буется, например, получить аммиак из азота и водорода, то мы можем точно рассчитать, сколько граммов обоих газов нужно взять для получения того или другого коли­чества аммиака, так как 1 грамм-атом азота, соединяясь с 3 грамм-атомами водорода, даёт ровно 1 грамм-моле - кулу аммиака. Такие расчёты очень важны для всех хи­мических производств.

Жизнь в мире веществ. В мире веществ идёт своя многообразная и интересная жизнь. Эта жизнь — хими­ческие реакции, во время которых молекулы перестраи­ваются, составляющие их атомы группируются в новые молекулы, образуются новые вещества. В природе непре­рывно происходят такие превращения. Появление осенней окраски листьев, накопление сахара в свёкле или крах­мала в картофеле, образование болотного газа из раз­лагающихся под водой растений, разрушение горных пород под действием тепла, воды и воздуха — всё это явления природы, в которых происходят химические из­менения вещества, проявляется их «жизнь».

Существует множество типов химических реакций. Вот самые главные из них:

1. Реакции соединения: два или несколько веществ образуют одно новое вещество. Образование ржавчины на железных предметах в присутствии влаги, появление белого налёта на алюминиевых изделиях, го­рение угля — всё это реакции соединения с кислородом.

2. Реакции разложения: одно вещество даёт два или несколько веществ. Мел при сильном нагрева­нии разлагается на известь и углекислый газ. Питьевая сода, брошенная в кипяток, разлагается на углекислый газ и стиральную соду. Ляпис (азотнокислое серебро),
применяемый в медицине для «прижигания», легко разла­гается на свету. При этом из него выделяется металличе­ское серебро (поэтому и образуется чёрное пятно на сма­занном ляписом участке кожи). Другие продукты разло­жения ляписа — газообразные; мы их обычно не заме­чаем, но химическими способами их можно обнаружить.

3. Реакции вытеснения: одно простое и одно сложное вещество образуют одно простое и одно сложное вещество, но уже другого состава. В качестве примера такой реакции опишем опыт, выполнить который очень просто. Возьмём несколько синих кристаликов медного купороса и растворим их в воде. Опустим в полученный голубой раствор обыкновенный гвоздь. Через некоторое время мы заметим, что гвоздь покрылся бурым налётом меди, а раствор стал менее голубым или даже совсем бесцветным. Это происходит потому, что железо, из ко­торого состоит гвоздь, вытеснило медь из купороса и само встало на её место:

Железо+медный купорос=железный купорос+медь.

А вот ещё один пример: перед пайкой оловом металл смазывают «травленой» соляной кислотой. Кислоту «тра­вят» цинком. Цинк растворяется в кислоте, вытесняя из неё водород. Хотя кислоту для этого и не подогревают, она «кипит» — из раствора выделяются пузырьки газа водорода.

4. Реакции двойного обмена, как показы­вает само их название, состоят в том, что молекулы двух сложных веществ обмениваются своими атомами и обра­зуют два новых тоже сложных вещества. Та. кой обмен происходит, например, при получении горючего газа — ацетилена, необходимого при автогенной сварке. Ацети­лен получается из соединения кальция с углеродом (карбида кальция) и воды:

Карбид кальция + вода = окись кальция ацетилен

| кальций| | кислород |

I углерод | углерод | | водород | водород |

Материя вечна. Химические реакции заключаются в изменении состава и строения молекул; при этом атомы как химически неделимые частицы не разрушаются и не образуются вновь. Они только переходят из состава одной молекулы в состав другой. Продукты любой
химической реакции содержат ровно столько атомов, сколько их было в веществах, взятых для реакции, и вес продуктов реакции в точности равен весу веществ, из ко­торых они получены.

На сжигание 12 граммов углерода расходуется 32 грамма кислорода. Значит, в реакции участвует 44 грамма веществ. И продукта реакции, углекислого

Газа, получается тоже 44 грамма. Если мы возьмём 216,6 грамма окиси ртути и разложим её нагреванием, то получим 200,6 грамма ртути и 16 граммов кислорода, то-есть всего вместе 216,6 грамма:

Значит, несмотря на то, что вещества способны к раз­личным превращениям, материя вечна: она не тво­рится вновь и не исчезает. Меняются лишь её форм ы. Этот важнейший закон природы был установлен в 1748 году основоположником химической науки Михаи­лом Васильевичем Ломоносовым. Великий русский учёный изложил его так: «Все изменения, случающиеся в при­роде, происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимется от чего-то другого. Так сколько к какому-нибудь телу присоединится мате­рии, столько же отнимется у другого».

Ломоносов опытным путём показал, что при химиче­ских реакциях количество вещества остаётся неизмен­ным. Этот закон сохранения вещества являет­ся одним из основных законов природы.

Химическая реакция не всегда возможна. Химические превращения идут только при определённых, благоприят­ных условиях. Иногда для этого достаточно простого со­прикосновения молекул. Металл натрий никогда не хра­нят на воздухе — он очень быстро соединяется с кисло­родом. Если бросить кусочек натрия в воду — сразу же начинается реакция: натрий вытесняет водород из воды. Щёлочь (едкий натр) легко поглощает углекислый газ и превращается в соду.

Многие реакции в обычных условиях не идуг. Однако их легко вызвать, изменяя условия. Например, в смеси рудничного или светильного газа метана (СН4) с возду­хом ежесекундно сталкиваются миллиарды молекул ме­тана и кислорода, но реакция между ними не происходит. Но достаточно искры (т. е. сильного нагревания только в одном месте), чтобы смесь мгновенно взорвалась. Порох может сохраняться сколько угодно долго. Но от удара или огня он взрывается. Мы можем смешать сухую питьевую соду с кристаллами лимонной кислоты и они не будут реагировать. Но стоит только их бросить в воду (как это делают любители газированной воды), как между ними сейчас же начнётся реакция, которую мы заметим по выделяющимся с шипением пузырькам углекислого газа. Только при высокой температуре песок, глина и из­весть соединяются друг с другом и образуют стекло, выделяется из руды железо.

Есть вещества «индиферентные», безразличные друг к другу. Так, винный спирт и вода только смешиваются друг с другом, но никаких новых веществ не образуют. Подобным же образом ведут себя сахар и поваренная соль. Существуют и такие вещества, которые вообще не вступают ни в какие реакции. Это инертные газы — гелий, неон и др.

Закон Менделеева — основной закон химии. Для того чтобы предвидеть возможность или невозможность хими-

Ческой реакции между какими-либо веществами, необхо-* димо было привести в строгую систему все элементы и найти закономерности в изменении их свойств. Эту задачу разрешил великий русский химик Дмитрий Иванович Менделеев. Он открыл «периодический закон». Этот закон гласит: «Свойства элементов (а следовательно, и обра­зованных ими простых и сложных тел) находятся в пе­риодической зависимости от их атомных весов». Считая, что химический характер каждого элемента зависит от его атомного веса, Д. И. Менделеев расположил все эле­менты в порядке возрастания их атомных весов и построил свою знаменитую таблицу элементов.

На рисунке 3 изображена периодическая таблица эле­ментов в её современном виде. Отметим самые главные черты этой таблицы.

В таблице имеется 9 вертикальных столбцов—г р у п п элементов, от нулевой до восьмой. Все элементы каждой группы, несмотря на различия в атомных весах, имеют сходные важнейшие химические свойства. Напри­мер, все элементы одной и той же группы образуют одно­типные окислы, то-есть соединения с кислородом. Эле­менты первой группы дают окислы, в которых на один атом кислорода приходится два атома металла (NasO, К2О). Элементы второй группы образуют уже другие окислы, — в них один атом кислорода соединён с одним атомом металла (CaO, ZnO), и т. д.

Если рассматривать таблицу по горизонтальным ря­дам, начав, например, с лития (Li), то можно заметить, что каждый ряд включает элементы, разные по свойствам: начинается он элементом с ярко выраженными металли­ческими свойствами (литий), а кончается типичным неме­таллом (фтор F) и инертным газом (неон Ne). Затем снова идёт типичный металл (натрий Na) и т. д. Такие ряды различных по свойствам элементов составляют периоды таблицы (отсюда название закона и таблицы) в

Когда Д. И. Менделеев строил свою таблицу (1869— 1871 года), многие элементы были ещё не известны. Вели­кий учёный оставил для них в своей таблице пустые клетки и, пользуясь периодической зависимостью свойств элементов от их атомных весов, гениально предсказал свойства никому не известных элементов. Когда впослед­ствии эти элементы были открыты, оказалось, что они дей­ствительно имеют предсказанные Менделеевым свойства!

Рис. 3. Периодическая таблица

Элементов Д. И. Менделеева

2 А. М. Рубинштейн

Это показало, каким мощным орудием познания при* роды явился периодический закон. Он оказал громадное влияние на последующее развитие химии.

Как построены атомы и почему они ведут себя по - разному? В дальнейшем учёные раскрыли глубокий смысл периодического закона Менделеева.

Мы уже говорили, что атом нельзя разрушить ника­кими химическими способами. Однако физическими спосо­бами удалось это сделать, и оказалось, что сами атомы — очень сложные частицы. Физики открыли несколько типов частиц, составляющих акшы: электрон — частицу, несущую отрицательный заряд (его масса в 1840 раз меньше массы атома водорода); протон — положи­тельно заряженную частицу с массой, равной массе атома водорода, и нейтрон — частицу с массой, равной массе протона, но не имеющую электрического заряда.

По своему строению атомы напоминают солнечную си­стему. В центре атома находится ядро. Оно состоит из

Протонов и нейтронов, как это установил советский учё­ный Д. Д. Иваненко. Ядро атома заряжено положительно. Вокруг ядра с громадной скоростью вращаются элек­троны. Они сгруппированы на различных от ядра расстоя­ниях в слои или «оболочки» (см. рис. 4). Так как число протонов в ядре и число окружающих ядро электронов равны, атом в целом электрически нейтрален.

Атомы различных элементов отличаются по числу обраеующих их протонов, нейтронов и электронов. И вот что замечательно: оказывается, что порядковый, атомный номер каждого элемента в таблице соответствует числу электронов, обращающихся вокруг ядра. Имея перед гла­зами таблицу Менделеева, можно очень просто рассчи­тать, сколько каких частиц имеется в любом атоме.

Возьмём, например, элемент гелий. Его порядковый номер равен 2. Это значит, что вокруг ядра атома гелия обращается 2 электрона. Но столько же протонов должно быть и в ядре — ведь каждый атом электрически нейтра­лен. А сколько в ядре нейтронов? Узнать это нам по­может атомный вес гелия. Он равен 4, — атом гелия в 4 раза тяжелее атома водорода. Электроны имеют ничтожную массу, и ими в нашем расчёте можно прене­бречь. Значит, в ядре должно находиться 4 частицы с массой, равной массе водорода, 4 протона и нейтрона. Число протонов нам уже известно, их два; следовательно, в ядре атома гелия два нейтрона.

Такими же простыми расчётами можно установить состав любого другого атома.

Теперь познакомимся поближе с электронной оболоч­кой атома.

Опыты с заряженными телами показывают, что сила, с которой один заряд действует на другой, быстро умень­шается при увеличении расстояния между ними. Значит, и заряд ядра действует на электроны тем сильнее, чем они к нему ближе. Чем дальше находится электрон, тем меньше он притягивается ядром. Кроме того, влияние ядра на удалённые от него электроны ослабляется более близкими электронами. Слабее всего ядро действует на наиболее удалённую от него, внешнюю электронную оболочку. Электроны этой оболочки наиболее подвижны: они могут отрываться от ядра и частично или полностью переходить «во владение» ядра атома другого элемента. Это и происходит при химическом соединении атомов.

В каждую группу периодической таблицы попадают элементы с одинаковым числом электронов на внешней оболочке атома: у водорода, лития и других эле­ментов I группы во внешней оболочке находится только

1 электрон, у элементов II группы — 2, у элементов

Атом хлора

О' /,'/ о

Ч>гУ

III группы — 3 и т. д. А так как в химических реакциях участвуют только внешние электроны, сходство элемен­тов одной и той же группы становится вполне понятным.

У гелия имеется только одна оболочка с двумя элек­тронами. У неона и всех остальных элементов нулевой группы внешняя оболочка содержит 8 электронов. Все эти элементы не способны к химическим реакциям, и мы вправе заключить поэтому, что восьмиэлектронная обо­лочка наиболее устойчива.

Интересно, что химические реакции протекают так, что атомы, отдавая свои электроны другим атомам или, наоборот, захватывая их электроны, стремятся приобрести именно такую восьмиэлектронную оболочку. Посмотрим, например, как атомы натрия и хлора соединяются в мо­лекулу поваренной соли (рис. 4). Атом натрия имеет

11 электронов. Они расположены в трёх оболочках. Внут­ренняя оболочка содержит 2 электрона, средняя — 8 и

Внешняя только 1 электрон. При химическом соединении натрия с хлором атом натрия отдаёт один электрон из внешней оболочки атому хлора. Тогда его средняя, вось­миэлектронная оболочка становится внешней. Атом хлора, принимая один электрон, достраивает свою внешнюю оболочку до восьмиэлектронной. Таким образом, атом натрия оказывается заряженным положительно, а атом хлора приобретает отрицательный заряд. Оба они при­тягиваются друг к другу и образуют прочную электри­чески нейтральную молекулу поваренной соли.

Вообще атомы металлов легко отдают, а атомы неме­таллов — захватывают электроны. Зная это, легко пред­видеть, как будет взаимодействовать металл с неметаллом.

Мы разобрали случай, в котором электрон полностью перешёл из владения ядра одного атома во владение ядра другого атома. Но очень часто (особенно при соединении неметаллов друг с другом) каждый из соединяющихся атомов выделяет в «совместное владение» по одному или по несколько электронов из своей внешней оболочки. На рисунке 5 показано, как из кислорода и водорода обра­зуется вода. Здесь каждая химическая связь между двумя атомами осуществляется парой электронов. В обра­зующейся молекуле воды нет ясно выраженных положи­тельно и отрицательно заряженных частей. Заметим, что описанные процессы только приближённо, упрощенно отражают то, что происходит в действительности.

Что такое валентность? Атом хлора соединяется только с одним атомом водорода. Атом кислорода соеди­няется уже с двумя атомами водорода, атом азота — с тремя, а атом углерода—с четырьмя атомами водо­рода. Эти числа, показывающие, со сколькими атомами водорода может взаимодействовать один атом элемента, называют валентностью элемента. Мы можем ска­зать, таким образом, что хлор — одновалентен, а угле­род — четырёхвалентен. Валентность «управляет» соот­ношением между атомами, вступающими в соединение.

Водород одновалентен, и в реакциях он может отда­вать или захватывать только 1 электрон. Значит, валент­ность показывает также, сколько электронов может от­дать или захватить атом данного элемента в реакциях. Если атом отдаёт электрон и становится положительно заряженной частицей, то его валентность положи­тельная (например, у атома натрия). Атом, захва­тывающий электрон, проявляет отрицательную валентность (например, атом хлора в соединении с на­трием). В химических реакциях участвуют только те электроны, которые расположены во внешней оболочке атома. Эти электроны называют валентными. Таким образом, различия в химическом поведении элементов определяются величиной (от нуля до 8) и знаком (поло­жительная, отрицательная) валентности. Ни у одного элемента валентность не может быть больше восьми, так как 8 — самое большее число электронов во внешней обо­лочке атома. Нулевая валентность свойственна не всту­пающим в реакции инертным газам; её мы приписываем также простым веществам до их вступления в реакцию, так как их атомы ещё не обмениваются электронами с атомами других элементов. У большинства элементов валентность может быть различной (высшая валентность всегда равна номеру группы, к которой принадлежит элемент). Такие случаи особенно часты у элементов 4—8 групп. Например, углерод образует окись СО, где его валентность 2, и двуокись СО2, где его валентность 4, а хлор может в зависимости от условий давать соединения с 8 различными валентностями (от —1 до +7).

Химическая активность. Нам уже известно, что атомы металлов отдают в реакциях свои электроны атомам неме­таллов. Но одни металлы отдают электроны легче, чем другие. По способности отдавать электроны металлы рас­полагаются в следующий ряд:

КАЛИЙ, НАТРИЙ, КАЛЬЦИЙ, МАГНИЙ, АЛЮМИНИЙ, ЦИНК,

ЖЕЛЕЗО, ОЛОВО, СВИНЕЦ, ВОДОРОД, МЕДЬ, РТУТЬ, СЕРЕБРО, ЗОЛОТО.

Наиболее активен в этом ряду калий, наименее — зо­лото. Каждый металл вытесняет из соединений все остальные, стоящие справа от него, следовательно, он активней всех следующих за ним металлов. Так, напри­мер, железо активнее меди и вытесняет её из медных солей (см. опыт на стр. 12).

Водород, хотя и не является металлом, включён в этот ряд потому, что во многих реакциях ведёт себя подобно металлам. Некоторые металлы вытесняют водород из его соединений (кислот), но и он сам обладает такой же спо­собностью по отношению к меди, ртути, серебру, золоту.

В свою очередь, атомы различных неметаллов неоди­наково легко захватывают электроны. Например, в ряду Р, С1, Вг, ) (фтор, хлор, бром, иод) наиболее активен фтор, а наименее — иод.

Кислород —один из наиболее активных неметаллов. Это видно из того, что кислород входит в состав подав­ляющего числа веществ, встречающихся в природе.

Сведения об активности элементов также помогают нам решить, возможна ли та или иная химическая реакция.

Чем больше активность участвующих в реакции метал­лов и неметаллов, тем легче протекает реакция.

Как сокращённо записать химическую реакцию. Можем ли мы каким-либо способом изобразить, что про­исходит во время химической реакции? Конечно, можем. Ведь для этого и существуют символы элементов, обозна­чающие не только «сорта» атомов, но и количество ве­щества, заключённого в каждом из них (атомный вес). Периодическая таблица даёт нам сведения о валентности элементов, а валентность точно определяет, в каких соот­ношениях атомы различных элементов могут связываться друг С другом. КрОхМе того, мы должны помнить и о за­коне сохранения вещества. Он требует, чтобы вес всех взятых для реакции веществ равнялся весу всех образую­щихся продуктов. Всё это даёт нам возможность написать уравнение химической реакции.

Составляя уравнение реакции, нужно учесть, что все простые вещества, за исключением инертных газов, состоят из молекул, а не из отдельных, свободных атомов. Поэтому мы должны записать, например, реакцию водо­рода с хлором как реакцию между молекулами:

Н2 + С12 = 2НС1

1 молекула водорода 1 молекула хлора 2 молекулы хлористого

Еодорода

(2x1,СС8) (2X35,46) (2x36,468)

2,016 70,92 72,636

Так как кислород двухвалентен, а водород одновален­тен, то при образовании воды одна молекула кислорода реагирует с двумя молекулами водорода. Эту реакцию можно записать так:

02 + 2Н2 = 2Н20.

Для описания реакции пишут уравнение, состоящее только из формул соединений. Но количество веществ, которые нужно взять для реакции, и ожидаемые количе­ства продуктов реакции рассчитывают так, как мы это только что сделали на примере водорода и хлора — по составу молекул, атомным весам и валентности элементов. Такие расчёты реакции особенно важны в заводской практике: они позволяют правильно и экономно расходо­вать сырьё, облегчают контроль производства и управле­ние самой реакцией.

*

С химической точки зрения мир представляет собой непрерывно действующую гигантскую лабораторию, в ко­торой разрушаются одни вещества и возникают другие. С некоторыми веществами, окружающими нас, и хими­ческими превращениями их мы и познакомимся в следую­щих разделах.

О оздух — это газообразная оболочка земли, та мате - риальная среда, в которой протекает жизнь живот­ных и растений. Воздух необходим для всех живых орга­низмов. Без пищи живой организм может существовать несколько недель, без воды — несколько дней, а без воз­духа он не просуществует и нескольких МИНУТ.

Из чего же состоит воздух? Почему он так необходим для живых организмов?

Многие тысячелетия воздух считался простым веще­ством. И только около 200 лет назад было доказано, что воздух — смесь газов и что только часть этой смеси под­держивает горение. Это устанавливается простым опытом (рис. 6). Поместим в стеклянный сосуд кусочек фосфора. Плотно закроем сосуд пробкой и подогреем его дно. Фос­фор загорится. Когда горение закончится, опустим гор­лышко сосуда в воду и вытащим пробку. Вода немедленно устремится в сосуд и займёт около!/б его объёма. Оче­видно, часть воздуха, находившегося в сосуде, была из­расходована при горении фосфора, вступила в соединение с ним. Эта составная часть воздуха — кислород. Он под­держивает горение и дыхание.

Если внести в газ, оставшийся после сгорания фосфора, зажжённую лучинку, она погаснет. Если поместить в него муху или бабочку — они быстро погибнут от удушья. Это показывает, что в воздухе кроме кислорода есть газ, не поддерживающий горения и не пригодный для

Дыхания. Этот газ — азот. Древнегреческое слово «азот» и означает «безжизненный».

Кислород и азот — главные составные части воздуха.

Кроме того в воздухе есть очень небольшое количе­ство — по объёму меньше одного процента — инертных газов: аргона, гелия, неона, криптона и ксенона.

Кислород, азот и инертные газы — это постоян­ные составные части воздуха. В каком бы месте вблизи поверхности Земли мы ни взяли воздух, по удалении из него переменных составных частей в нём всегда оказы­вается по объёму 20,91 процента кислорода, 78,15 про­цента азота и 0,94 процента инертных газов. Помимо них в воздухе всегда содержатся ещё и некоторые химические соединения. Из них наибольшее количество приходится на долю углекислоты и водяных паров. Содержание их в воздухе сильно меняется в зависимости от условий. По­этому водяные пары и углекислоту называют перемен' ными составными частями воздуха.

При 20 градусах в одном кубическом метре воздуха со­держится приблизительно 10—11 граммов воды. Воздух над морями и океанами обычно содержит больше водяных паров, чем воздух над материками. Количество углеки­слоты в чистом воздухе в среднем близко к 0,03 процента по объёму. Но в городах и промышленных центрах оно больше, потому что там сжигается много топлива.

В воздухе всегда содержится пыль — мельчайшие ча­стички твёрдых веществ. Иногда к воздуху примеши­ваются некоторые газы, обычно не входящие в его состав. Например, вблизи металлургических или сернокислотных заводов в воздухе находится сернистый газ, в районах нефтепромыслов — нефтяные газы. Всё это — случай­ные составные части воздуха.

Значение составных частей воздуха для организма. По значению для живых организмов на первом месте из всех составных частей воздуха стоит кислород — он по­требляется при дыхании. Кислород необходим для хими­ческих реакций, которые непрерывно протекают в орга­низме и снабжают его жизненной энергией. В результате этих реакций образуются углекислота и вода. Это дока­зывает химический анализ вдыхаемого и выдыхаемого воздуха. В выдыхаемом воздухе количество кислорода уменьшается на 20 процентов, а количество углекислоты увеличивается почти в 140 раз. Ощущение духоты являет-* ся откликом организма на уменьшение в воздухе содер­жания кислорода и увеличение количества углекислоты.

Азот не используется при дыхании. Тем не менее его присутствие в воздухе необходимо для живых организ­мов. Составляя по объёму около 4/б воздуха, он р а з б а в - л я е т кислород и тем самым замедляет реакции, проте­кающие в чистом кислороде слишком энергично, служит «тормозом». Инертные газы, аргон и другие, играют ту же роль, что и азот. Но, конечно, их влияние очень мало, так как их в воздухе немного.

Хотя азот в обычных условиях химически инертен, некоторые бактерии способны его перерабатывать и усваи­вать. Такие бактерии поселяются на корнях бобовых ра­стений (гороха, клевера и др.) и создают необходимые для их роста запасы азотистых соединений.

Воздух играет огромную роль и как переносчик и «рас­пределитель» воды на земле. Благодаря большой подвиж­ности воздуха испаряющаяся с поверхности морей, озёр и рек влага распределяется на громадные площади. При понижении температуры воздуха часть содержащейся в нём влаги сгущается, конденсируется в капельки. Так об­разуются роса, туман, облака. Вода из облаков вновь возвращается на землю в виде дождя или снега и попол­няет запасы необходимой для растения влаги в почве.

Воздух — источник сырья для промышленности. Воз­дух — не только среда, необходимая для жизни растений и животных, но и материал, используемый промышленно­стью. В химической практике часто встречается необхо­димость «ввести» в молекулу того или иного вещества атом кислорода. Такие реакции называют окислением. Для многих из них достаточно уже действия кислорода, присутствующего в воздухе, например, при варке олифы, при получении уксуса из виноградного вина или при сжи­гании серы для получения серной кислоты.

Но во многих случаях действие воздуха оказывается недостаточным, необходим чистый кислород. Его и по­лучают из воздуха. Для этого воздух сначала превра­щают в жидкость, пользуясь специальными машинами.

Жидкий воздух, испаряясь, меняет состав, становится всё богаче и богаче кислородом. Это происходит потому, что вначале улетучивается главным образом азот, имею­щий более низкую температуру кипения (минус 196 гра­дусов), чем кислород (минус 183 градуса). Когда темпера­тура жидкости достигнет минус 183 градусов, в ней остаются только кислород и инертные газы. Этот «техни­ческий» кислород перекачивают в стальные баллоны под давлением 150 атмосфер и в таком виде доставляют на производства, например, на химические и металлургиче­ские заводы.

Испаряющийся из жидкого воздуха азот собирают, сгущают в жидкость и вновь испаряют. Таким образом, он получается почти без примеси кислорода. Это — «техни­ческий» азот; его также перекачивают в стальные бал­лоны, в которых он хранится под давлением.

Жидкий воздух, а также жидкие кислород и азот при­меняются в технике для очень сильного охлаждения.

Кислород используется не только в химической про­мышленности. Большие количества его расходуются при автогенной сварке и резке металлов. Пламя, которое даёт при горении в воздухе водород или другой горючий газ — ацетилен, недостаточно горячо для того, чтобы быстро рас­плавлять металлы. Заменяя воздух чистым кислородом, получают настолько горячее пламя, что даже толстые слои металла разрезаются и «свариваются» очень быстро.

Азот воздуха—также очень важное сырьё. Его долго не умели использовать, так как при обычных условиях он не вступает в реакции ни с кислородом, ни с водородом. Промышленная переработка азота воздуха развилась только 25—30 лет назад, когда нашли способ заставить азот соединяться с водородом. Такая реакция происходит, если сжатую под давлением в несколько сот атмосфер смесь азота с водородом пропускать над некоторыми ме­таллами, нагретыми до 400—550 градусов. Азот с водоро­дом образуют газ аммиак, 1ЧНз. Аммиак очень легко реа­гирует с другими веществами. Окисляя аммиак, получают азотную кислоту. И аммиак, и азотная кислота использу­ются для производства красителей, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов. Теперь аммиак и азотная ки­слота получаются почти исключительно из азота воздуха.