книги / Неорганическая химия

мощной ударной (детонационной) волны в двигателях внутренне­ го сгорания, резко нарушающей их нормальную работу.

Двуокись углерода — С02 (угольный ангидрид) в лаборатории получают действием соляной кислоты на мрамор:

СаС03 + 2НС1 = СаСГ2 + Н20 + С02.

В промышленности ее получают как побочный продукт при об­ жиге известняка в производстве негашеной извести:

воды 0,88 объема СОа). Под давлением в 60 атм при обычной тем­ пературе он превращается в жидкость, которую сохраняют в сталь­ ных баллонах.

В народном хозяйстве широко используется «сухой лед», пред­ ставляющий собой твердый С02. Его применяют в холодильниках.

Человек, животные и растения в процессе дыхания поглощают кислород и выделяют углекислый газ. Растения в процессе фото­ синтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Погло­ щение, или ассимиляция, углекислого газа растениями заключает­ ся в том, что в присутствии хлорофилла, содержащегося в листьях,

крахмал, и другие вещества. Этот процесс с увеличением концент­ рации углекислого газа в воздухе ускоряется, но при содержании его в воздухе свыше 3% рост растений подавляется.

Углекислый газ в незначительных количествах для человека и животных полезен, так как возбуждающе действует на дыхатель­ ный центр, но при концентрации его в воздухе свыше 3 % он стано­ вится вредным, а более 10% — смертельным. Известны случаи гибели животных в пещерах с высоким содержанием в воздухе уг­ лекислого газа, выделяющегося из трещин земли.

Углекислый газ не горит и не поддерживает горения. Однако зажженная на воздухе лента металлического магния продолжает гореть и в атмосфере углекислого газа. Это объясняется сильным электроположительным характером магния, способного отнимать от С02 кислород:

2Мб + С02 = 2М§0 + С.

При растворении в воде углекислый газ взаимодействует с нею, образуя непрочную угольную кислоту:

С02+ Н 20 ^ Н 2СО3.

Равновесие сильно смещено влево, вследствие чего не более 1 % СОа превращается в Н2СОа.

Угольная кислота диссоциирует на ионы по уравнению (первая ступень диссоциации):

НаС03^ Н ' + НС03'

ив ничтожной степени по уравнению (вторая ступень диссоциации):

не с у ^ Н*+ СО/.

Угольная кислота образует два типа солей: средние (карбонаты).

и кислые (бикарбонаты, или гидрокарбонаты). Многие бикарбона­ ты растворимы в воде; большинство карбонатов, за исключением карбонатов щелочных металлов, аммония и некоторых других, в воде нерастворимо.

В природе бикарбонаты образуются в результате совместного действия углекислого газа и воды на карбонатные породы. Реак­ ции идут по уравнениям:

СаС03 -|—Н20 —|—С02 = Са (НС03)2;

М§С03 + НаО + СОа = Мё (НС03)а.

Растворимые бикарбонаты уносятся водой в ручьи, реки, моря, океаны, часть их поглощается растительными и животными орга­ низмами, обитающими в природной воде и потребляющими гидро­ карбонаты на построение своих скелетов.

В течение геологических периодов надне океанов образовывались огромные толщи из остатков известковых скелетов этих отмерших организмов, состоящие преимущественно из известняковых пород (карбонатов).

При действии на карбонаты сильных кислот выделяется угле­ кислый газ:

Па2СО0 + На304 = Ыа2504 + НаО + СОа.

Эта реакция используется в огнетушителе, внутри которого нахо­ дится раствор соды и стеклянный сосуд с серной кислотой. Чтобы привести огнетушитель в действие, сосуд разбивают, и кислота реагирует с содой. Образующаяся СОа с пенистой жидкостью выб­ расывается из огнетушителя на горящий предмет и препятствует доступу к нему кислорода.

Природные карбонаты (известняки, доломиты) широко приме­ няются в строительном деле для приготовления цементов, гашеной извести, а в металлургической промышленности — как флюсы. Большие количества СаС03 в виде мрамора идут на облицовку стен, приготовление мраморной крошки. В сельском хозяйстве известня­ ки применяют для известкования почв— нейтрализации кислот в них.

Соединения углерода с неметаллами. Углерод с неметаллами образует различные соединения, из которых наибольший интерес представляют соединения с азотом, серой и галогенами. В атмос­

фере электрической дуги уголь легко соединяется с азотом, в ре­ зультате чего получается газообразное вещество — циан.

Циан, или синерод, С2Ы2 (структурная формула N = С — С = Ы)— бесцветный ядовитый газ с раздражающим запахом. Впер­ вые получен Ж. Гей-Люссаком (1815) путем нагревания циановой ртути:

Н§ (СЫ)2 Н§ + СаМ2.

По химическим свойствам циан имеет сходство с галогенами. Так, при взаимодействии с разбавленными щелочами он, аналогич­ но хлору, образует соли:

С2Ы2 + 2КОН = ксы + к е ш + Н20.

При взаимодействии с водородом образуется цианистоводородная, или синильная, кислота НСЫ.

Синильная кислота (цианистый водород) НСЫ — слабая бес­ кислородная кислота, подвижная бесцветная жидкость. Соедине­ ние очень летучее и сильно ядовитое, с запахом горького миндаля. Смешивается во всех отношениях с водой, спиртом, растворяется во многих органических соединениях. Получают ее действием раст­ вора кислот на цианистые соли. Из солей синильной кислоты наибо­ лее известны цианистый калий КСЫ и цианистый натрий ЫаСЫ. Группа СЫ входит в состав многих комплексных солей (см. гл. XXI).

Ядовитость синильной кислоты и ее солей объясняется их спо­ собностью задерживать окислительные ферментативные процессы.

При соблюдении необходимых мер предосторожности синильная кислота и ее соли 1КСЫ, ЫаСЫ, Са(СЫ)г, цианплав — смесь циа­ нистых и хлористых солей кальция и натрия с примесями других Беществ ]. могут находить применение в сельском хозяйстве для обез­ зараживания семян, посадочного материала, растений, плодов, для борьбы; с сусликами, обеззараживания помещений и для многих

Сероуглерод С52 получают при пропускании паров серы через слой раскаленного угля. Это бесцветная, легколетучая жидкость, при длительном стоянии темнеющая на воздухе. Сероуглерод — хороший растворитель для ряда веществ растительного и минераль­ ного происхождения: жиров, масел, смол, серы, брома, йода и др. Значительные количества его расходуются для производства вис­ козы, борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. От­ рицательным свойством сероуглерода является его легкая воспла­ меняемость.

С галогенами углерод образует различные соединения, из ко­ торых наибольший интерес представляет четыреххлористый угле­ род СС14. Это летучая жидкость, кипящая при 70°С; прекрасный растворитель жиров и масел; не горюч и не взрывоопасен.

Соединения углерода с металлами. Углерод (в виде угля) с ме­ таллами реагирует только при высокой температуре, образуя кар­ биды. Большое промышленное значение имеет карбид кальция СаС2, получаемый сплавлением смеси угля с окисью кальция в элек­ трической печи:

СаО“I- ЗС = СаСз—|—СО.

При высокой температуре карбид кальция соединяется с азотом, образуя цианамид кальция СаСЫ2 по уравнению:

СаС2 + Ы2 = СаСЫ2-|-С.

При действии перегретого пара на СаСЫ„ под давлением 6 атм образуется аммиак:

СаСЫ2 + ЗН20 = СаС03 + 2 Ш 3.

Эта реакция протекает медленно при обычной температуре. Поэто­ му цианамид кальция непосредственно используют в сельском хо­ зяйстве как азотсодержащее удобрение. Особенно эффективно его действие на кислых почвах, где образующийся в результате реак­ ции углекислый кальций известкует такие почвы.

Круговорот углерода в природе. В природе углерод находится в постоянном движении, входя в состав различных соединений в процессе непрерывно совершающегося круговорота.

В начальный период развития нашей планеты почти весь угле­ род находился в углекислом газе, который вместе с азотом, водя­ ными парами и незначительным количеством кислорода составлял атмосферу. В процессе охлаждения Земли водяные пары превра­ щались в воду.

'Совместные действия воды, воздуха и солнечной энергии созда­ вали условия для постепенного разрушения (выветривания) пер­ воначальных голых скалистых горных пород твердой оболочки Зем­ ли. В результате действия этих факторов часть разрушенных гор­ ных пород превращалась в карбонаты, а затем в растворимые в во­ де бикарбонаты, постепенно уносимые в мировой океан.

Как предполагается, первоначальная жизнь на Земле возник­ ла в океане и, только впоследствии, появились сухопутные орга­ низмы. В ту, отдаленную от нас на несколько сот миллионов лет геологическую эпоху, первыми возникли растительные формы жизни, чему способствовало большое содержание углекислого га­ за в атмосфере. Растения, поглощая С02, выделяли кислород, ко­ торый благодаря этому накапливался в атмосфере. Это способство­ вало возникновению жизни на Земле, затем животных и, наконец, человека.

В настоящее время растения поглощают ежегодно 17 млн. тонн С02 и выделяют в атмосферу эквивалентное по объему количество кислорода. Источниками пополнения убыли углекислого газа в атмосфере являются как природные факторы, так и полезная дея­ тельность человека. Углекислый газ выделяется, при дыхании жи­

вых организмов. Так, человек ежедневно выделяет в процессе ды­ хания около 0,5 и43 С02. Углекислый газ выделяется также во мно­ гих местах из недр Земли в результате вулканической деятельности и гниения в почве живых организмов и т. п. Значительная роль в круговороте углерода в природе принадлежит человеку. Извлекая из недр Земли громадные количества ископаемых углей, нефти, газообразных продуктов, содержащих углерод, и сжигая часть их, человек возвращает в атмосферу громадное количество углекисло­ го газа.

В результате всех этих и иных процессов наступило сложное равновесие в балансе углерода в природе. Содержание С02 в атмос­ фере в настоящее время считается почти неизменным, что имеет громадное значение для всей растительной жизни на Земле.

2. УГЛЕРОД И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ КАК ВАЖНЕЙШИЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ТЕХНИКИ.

Углерод в виде каменного угля, нефти, древесины, торфа, горю­ чих газов, горючих сланцев и др. является важнейшим источником энергии, без которой не может.развиваться техника, немыслимо ни­ какое производство. Около .80% всей потребляемой в мире энергии получается за счет сжигания топлива.

Все источники энергии на Земле имеют своим первоисточником солнечную энергию, которая, неисчерпаемым потоком падая на на­ шу планету, веками аккумулировалась на ней растениями в про­ цессе фотосинтеза и дошла до нас в виде углеродистых накоплений. Скрытая химическая энергия, таящаяся в этих углеродистых ве­ ществах, есть по существу превращенная энергия Солнца.

Виды топлива. Каменный уголь — наиболее широко применяе­ мый в технике источник энергии. Он используется как для непос­ редственного сжигания, так и для получения других более ценных видов топлива (кокса, жидкого и газового топлива). Источником накопления углей послужила растительность древних геологиче­ ских эпох. Достигнув мощного развития, растения после отмира­ ния покрывались различными.осадочными породами и постепенно превращались в обогащенный углеродом каменный уголь.

Нефть — жидкое природное топливо, источник таких высоко­ калорийных видов топлива, как бензин, лигроин, керосин, мазут, дизельное топливо, а также смазочных масел. Ценнейшее сырье для химической промышленности — для получения каучука, спир­ та, красок, различных синтетических ^материалов, пластических масс, лекарственных, парфюмерных и многих сотен других веществ.

Нефть — сложная смесь различных жидких, газообразных и твердых углеводородов, образовавшихся в земле из органических остатков (растительных, животных, простейших организмов) в ре­

Торф — продукт первой стадии образования ископаемых углей. Он накапливается на дне болот из отмирающих частей болотной рас­ тительности (мха, осоки и др.), из-за затрудненного доступа воз­ духа и увеличенной влажности подвергающихся неполному раз­ ложению.

Кроме использования на топливо, торф является ценным сырьем для получения различных химических веществ: уксусной кислоты, восков, парафина, фенола, креолина и др. В сельском хозяйстве его широко используют как органическое удобрение, для мульчи­ рования почвы, изготовления торфоперегнойных горшочков и т. д.

Горючие сланцы представляют собой уплотненную массу из ос­ татков отмерших организмов. Сланцы, как и торф, — хорошее сырье для получения масел, горючих газов, различных инсектисидов, дубильных веществ, фенолов и др.

Природные газы образуются в земной коре, по-видймому, в результате бактериального разложения органических веществ. Накапливаются они в районах залегания нефти (нефтяной газ), скапливаются в порах, пустотах рыхлых осадочных пород. Основ­ ной частью их является метан с небольшими примесями других га­ зов. На территории СССР обнаружено много месторождений природ­ ного газа! (Саратовское, Ставропольское, Западно-Украинское, в Бухарской области, в районе Баку и др.). Сооружены газопрово­ ды для передачи саратовского и ставропольского газа в Москву, газопровод Дашава — Киев, Бугуруслан — Куйбышев, Елшанка — Саратов и др.

Природный газ, кроме использования как топлива, служит цен­ ным и экономически выгодным сырьем для синтеза многих важней­ ших органических веществ.

Кроме природных газов, большое применение в технике нахо­ дят искусственные газы — генераторный, водяной, светильный, смешанный и др. Широко используется и так называемый доменный газ, образующийся в доменных печах при выплавке чугуна.

Состав и теплотворная способность топлива. В состав перечис­ ленных видов топлива входят как основные элементы — углерод, водород, кислород, а также примеси других элементов. Ценность топлива обусловливается главным образом содержанием в нем уг­ лерода и водорода (табл. 41 и 42).

Состав газообразного топлива характеризуется обычно содер­ жанием в нем не отдельных элементов, а химических соединений (в процентах к объему сухого газа). Азот, кислород и углекислый газ в газообразном топливе являются балластом.

Для сравнения объема потребления различных видов топлива и для подсчета его запасов введено понятие условное топливо с теп­ лотворной способностью, равной 7000 ккал/кг, что примерно соот­ ветствует теплотворной способности высококачественного камен­ ного угля, сжигаемого в «идеальной» котельной установке с к. п. д., равным единице.

Средний химический состав некоторых видов топлива (в весовых процентах к горючей массе)

и их теплотворная способность, к к а л / к г

Т а б л и ц а 42

Химический состав горючих газов (в объемных процентах)

Очень важным показателем качества топлива является его тем­ пература воспламенения. При прочих равных условиях температу­ ра воспламенения твердого топлива тем ниже, чем вышевыход из него летучих веществ (табл. 43). Температура воспламенения газов находится в зависимости от условий воспламенения: в струе воз­ духа, в замкнутом сосуде и т. д.

Жидкое топливо, кроме температуры воспламенения, характе­ ризуется так называемой температуройвспышки, при которой пары топлива образуют с окружающим воздухом смесь, способную вос­ пламеняться от искры. Это качество топлива имеет значение для использования его в карбюраторных двигателях внутреннего сгорания, для техники безопасности. Так, температура вспышки

осветительного керосина — не ниже 40°С (температура воспламене­ ния около 600°С), авиационного бензина около 40°С и т. д.

Таблица 43

Температура воспламенения некоторых видов топлива

Таким образом, основой для оценки топлива служит его тепло­ творная способность, которая зависит от его химического состава и физического состояния. Определяется теплотворная способность топлива опытным путем. Для практических целей можно приб­ лиженно вычислять теплотворную способность по формуле, пред­ ложенной Д. И. Менделеевым:

3. КРЕМНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ

Кремний 51 — химический элемент, впервые выделенный в сво­ бодном виде шведским химиком Я. Берцелиусом (1823) и назван­ ный им силицием. Русское название — кремний — предложено

Г.И. Гессом в 1834 г.

После кислорода кремний — наиболее распространенный эле­

мент-земной коры, где на его долю приходится около 27%. В сво­ бодном состоянии в природе он не встречается, а входит в состав многих минералов, преимущественно кислородных соединений — окислов, силикатов (солей кремниевых кислот), которые составля­ ют свыше 97% твердой земной коры. Наиболее известны минералы: кварц, горный хрусталь, кремень, яшма, агат, опал, халцедон, трепел, состоящие из двуокиси кремния 5Ю2; полевые шпаты, слю­ да, глины, асбест, тальк и многие другие соли кремниевых и алюмокремниевых кислот.

В промышленности свободный кремний получают из кремне^ зема, восстанавливая его коксом в специальных дуговых электри­ ческих печах:

$Ю8 + 2С = 51 + 2СО.

Можно получить кремний электролизом расплавленного кремне­ фтористого натрия Ыа251р6 или восстановлением 5Юг при высокой температуре такими металлами, как магний, алюминий:

5Юа + 2М§ = 51 + 2МбО,

восстановлением четыреххлористого кремния 31С14 цинком при вы­ сокой температуре:

51С14+ 2 2 п = 22пС1а + $1.

Свободный кремний — твердое хрупкое вещество серовато-сталь­ ного цвета, с металлическим блеском. Бывает в двух аллотропи­ ческих формах — кристаллической и аморфной.

Кристаллический кремний обладает хорошей теплопроводностью, заметной электропроводностью. Имеет кубическую структуру, аналогичную структуре алмаза. Довольно инертное вещество. Не подвергается действию кислот (не исключая и плавиковой), но сравнительно легко растворяется при кипячении в концентриро­ ванных растворах сильных щелочей, образуя соли кремниевой кис­ лоты:

51 + 2ЫаОН + НаО = Ма2ЗЮ3 + 2На.

Аморфный кремний — бурый или коричневый порошок, силь­ но гигроскопичный. Химически более активен, чем кристалличес­ кий. При обыкновенной температуре непосредственно реагирует с фтором, образуя фтористый кремний 51Р4; при высокой темпера­ туре реагирует почти со всеми неметаллами и со многими металла­ ми.

Двуокись кремния, или кремниевый ангидрид, или кремнезем, 8Юа существует в виде полимерных молекул (ЗЮ2)Л или 51„02П. Число п не всегда одинаково, так как двуокись кремния образует несколько видоизменений.

Кремнезем — бесцветное твердое вещество, широко распростра­ ненное в природе, плавящееся несколько выше 1700°С. Образова­ ние его из элементов идёт с большим выделением тепла:

31 + Оа = 5Юа + 203 ккал.

Наиболее распространенная кристаллическая разновидность ЗЮ2 известна под названием кварц («твердый»), аморфная (слабогидратированная форма) — кремень. Есть скрытокристалличес­ кие природные разновидности кварца всевозможных расцветок, зависящих от примесей: яшма, халцедон, опал.

При гниении дерева в кремнеземистых водах кремнезем посте­ пенно замещает собой органическую часть дерева; дерево «окаме-

невает», сохраняя все тончайшие детали первоначального строения. Структурная формула кремнезема:

• • • — 51 — О —51 — О — 31—''О — • • •

ОО О

Большие прозрачные кристаллы ЗЮ2 носят название горного хрусталя, который встречается в виде больших шестигранных призм с пирамидами на концах. Обыкновенный песок и сцементирован­ ный песчаник состоят преимущественно из кварца. Трепел (инфу­ зорная земля) — мелкозернистый, пористый кремниевый ангид­ рид, образованный остатками мелких организмов.

В природе встречается много красиво окрашенных разновид­ ностей кварца. Горный хрусталь, окрашенный примесями органи­ ческих веществ, ' называется дымчатым кварцем; окрашенный в фиолетовый цвет примесями железа и марганца называется аме­ тистом.

Кварцевое стекло, получаемое из расплавленного кварца (уд. вес 2,22), имеет очень небольшой коэффициент расширения (0,0000005) и может служить для изготовления такой посуды, которая не лопа­ ется от резких изменений температуры и не сообщает воде щелоч­ ной реакции, в противоположность обыкновенной стеклянной по­ суде. Такое стекло применяют для оптических приборов (линз), так как через него проникают инфракрасные и ультрафиолетовые лучи. Кварцевое стекло при нагревании расширяется примерно в 18 раз менее обычного стекла. Из кварцевого стекла изготовляют электрические ртутные лампы, свет которых богат ультрафиолето­ выми лучами.

Кристалл кварца обладает особым свойством: если давить на него в определенном направлении, то на противоположных гранях появляются электрические заряды: на одной грани положительный заряд, на другой отрицательный. Если же кристалл растягивать, то знаки зарядов изменяются на обратные (рис. 69). Это явление носит название пьезоэлектричество (от греческого пьезо — давлю). Пьезокварцевые пластинки площадью 3—4 см2, толщиной в деся­