Неорганическая химия. Учебное пособие

Комплексные (многосторонние) удобрения содержат два или три главных питательных элемента и по их числу называются двойными (азотно-фосфорные, фосфорно-

калийные - и др.) либо тройными или полными (напр., азотно-фосфорно-калийные).

Сложными называются комплексные удобрения, полученные в результате взаимодействия исходных неорганических солей, кристаллизацией или сплавлением основных компонентов, смешением простых и сложных удобрений.

подразделяются:

1)низкоконцентрированные (до 25%);

2)концентрированные (до 60%);

3)высококонцентрированные (более 60%).

В зависимости от агрегатного состояния минеральные удобрения бывают:

1)жидкие;

2)твердые;

3)порошковидные (размер частиц < 1 мм);

4)кристаллические (> 0,5 мм);

5)гранулированные (1-4 мм).

Производство минеральных удобрений – важная отрасль химической промышленности. Наиболее важными минеральными удобрениями считаются фосфорные

(суперфосфат, двойной суперфосфат, преципитат).

Суперфосфат получают из размолотого фосфорита, смешивая его с серной кислотой,

и непрерывно перемешивают: Ca3(PO4)2 + 2H2SO4 = 2CaSO4 + Ca(H2PO4)2

Суперфосфат легко растворим в воде.

Двойной суперфосфат получают в результате разложения природного фосфата под воздействием фосфорной кислоты: Ca3(PO4)2 + 4H3PO4 = 3Ca(H2PO4)2

В этом удобрении отсутствует сульфат кальция, тем самым, упрощая внесение удобрения в почву.

Преципитат – фосфорное удобрение, компонентом которого является гидрофосфат кальция.

Указанные выше минеральные удобрения являются простыми.

Сложные минеральные удобрения более перспективны.

Аммофос получается в результате взаимодействия фосфорной кислоты и аммиака –

NH4H2PO4 или (NH4)2H2PO4

Нитрофоска получается при сплавлении гидрофосфата аммония, нитрата аммония и хлорида (сульфата) натрия.

51

Минеральные удобрения повышают плодородие почвы. Степень усвоения минеральных удобрений растениями зависит от их растворимости в почве. Водорастворимые или быстродействующие легко усваиваются, но быстро вымываются, а плохорастворимые создают питательный запас в почве.

38. Углерод и его свойства

Углерод - С – типичный неметалл; в периодической системе находится в 2-м периоде

IV группе, главной подгруппе. Порядковый номер 6, Ar = 12,011 а.е.м., заряд ядра +6.

Физические свойства: углерод образует множество аллотропных модификаций: алмаз –

одно из самых твердых веществ, графит, уголь, сажа. Химические свойства: электронная конфигурация: 1s22s22p2. На электронной оболочке атома – 6 электронов; на внешнем валентном уровне – 4 электрона. Наиболее характерные степени окисления: +4, +2 – в

неорганических соединениях, -4, -2 – в органических. Углерод в любом гибридном состоянии способен использовать все свои валентные электроны и орбитали. У 4-х

валентного углерода нет неподеленных электронных пар и нет свободных орбиталей – углерод химически относительно устойчив. Характерно несколько типов гибридизации: sp, sp2, sp3. При низких температурах углерод инертен, но при нагревании его активность возрастает. Углерод – хороший восстановитель, но соединяясь с металлами и образуя

карбиды, он выступает окислителем:

Са + 2С = СаС2

Cr + C = CrC

4Al + 3C = Al4C3

3Fe + C = Fe3C

Углерод (кокс) вступает в реакции с оксидами металлов: СаО + 3С = СаС2 + СО

2ZnO + C = 2Zn + CO2

FeO + C = Fe + CO

PbO + C = Pb + CO

SnO2 + 2C = Sn + 2CO

Таким образом выплавляют металл из руды. При очень высоких температурах углерод реагирует со многими неметаллами. Огромное количество соединений углерод

52

образует с водородом, образуя органические соединения – углеводороды. В присутствии никеля – Ni, углерод, реагируя с водородом образует предельный углеводород – метан:

С + Н2 = СН4 При взаимодействии с серой образует сероуглерод:

С + 2S2 = СS2

При температуре электрической дуги углерод соединяется с азотом, образуя ядовитый газ дициан:

2С + N2 = С2N2↑

В соединении с водородом дициан образует синильную кислоту – НСN. С галогенами углерод реагирует в зависимости от их химической активности, образуя галогениды. На холоду реагирует со фтором:

С + 2F2 = СF2

При 2000ºС в электропечи углерод соединяется с кремнием, образуя карборунд:

Si + C = SiC

Нахождение в природе: Свободный углерод встречается в виде алмаза и графита. В

виде соединений углерод находится в составе минералов: мела, мрамора, известняка – СаСО3, доломита – MgCO3 . CaCO3; гидрокарбонатов – Mg(НCO3)2 и Са(НCO3)2, СО2 входит в состав воздуха; углерод является главной составной частью природных органических соединений – газа, нефти, каменного угля, торфа, входит в состав органических веществ,

белков, жиров, углеводов, аминокислот, входящих в состав живых организмов.

39. Аллотропные модификации углерода

Углерод образует 5 аллотропных модификаций: кубический алмаз, гексагональный алмаз, графит, и две формы карбина. Гексагональный алмаз найден в метеоритах (минерал

лонсдейлит) и получен искусственно при очень высоком давлении и длительном нагревании. Алмаз - самый твердый из всех природных веществ - его используют для резки стекла и для бурения горных пород. Алмаз - прозрачное, бесцветное, кристаллическое вещество, обладающее высокой светопреломляемостью. Алмазы образуют отдельные кристаллы, образующие кубическую гранецентрированную решетку - одна половина атомов в кристалле расположена в вершинах и центрах граней одного куба, а другая - в вершинах и центрах граней другого куба, смещенного относительно первого в направлении его пространственной диагонали. sp3 – гибридизация. Атомы образует 3-мерную

53

тетраэдрическую сетку, где они связаны ковалентными связями. Из простых веществ алмаз имеет максимальное число атомов, расположенных плотно друг к другу, отчего он прочный и твердый. Прочность связей в углеродных тетраэдрах (σ-связи) обуславливает высокую химическую устойчивость алмаза. На него действует лишь F2 и O2 при 800 ºС.

При сильном нагревании без доступа воздуха алмаз переходит в графит. Графит –

кристаллы темно-серого цвета, со слабым металлическим блеском, маслянистый на ощупь. sp3 – гибридизация. Каждый атом образует по 3 ковалентных σ-связи с соседними атомами,

под углом 120º - образуется плоская сетка, состоящая из правильных 6-угольников, в

вершинах которых находятся атомы С. Образовавшиеся слои С идут параллельно друг другу.

Связи между ними слабые, их обеспечивают электроны, не участвующих в гибридизации орбиталей. Последние образуют π-связи. Связь атомов С в разных слоях носит частично металлический характер – обобществление электронов всеми атомами. Графит обладает относительно высокой электро – и – теплопровдностью, стоек к нагреванию. Из графита изготавливают карандаши. Карбин получен синтетически ά и β-формы (поликумулен).

каталитическим окислением ацетилена. Это твердые, черные вещества со стеклянным блеском. При нагревании без доступа воздуха переходят в графит. Уголь – аморфный углерод – неупорядоченная структура графита – получается при нагревании углеродосодержащих соединений. В природе имеется большие залежи угля. Уголь имеет несколько сортов: кокс, костяной уголь и сажа.

40. Оксиды углерода. Угольная кислота

Углерод с кислородом образует оксиды: СО, СО2, С3О2, С5О2, С6О9 и др. Наиболее распространенные - СО, СО2. Оксид углерода (II) – СО. Физические свойства: угарный газ; без цвета и запаха, ядовит, в воде почти не растворим, растворим в органических растворителях, t кипения = -192°C; t плавления = -205°C. Химические свойства: CO -

несолеобразующий оксид. В обычных условиях малоактивен; при нагревании проявляет восстановительные свойства:

1)с кислородом: 2C+2O + O2 = 2C+4O2

2)восстанавливает металлы из руд: C+2O + CuO = Сu + C+4O2

3)с хлором (на свету): CO + Cl2 = COCl2(фосген)

4)с водородом: СО + Н2 = СН3ОН (метанол)

5)с серой: СО + S = СОS (сульфоксид углерода)

54

6) реагирует с расплавами щелочей: CO + NaOH = HCOONa (формиат натрия)

8) с переходными металлами образует карбонилы: Ni + 4CO = Ni(CO)4, Fe + 5CO = Fe(CO)5

СО легко соединяется с гемоглобином - Hb крови, образуя карбоксигемоглобин,

препятствуя переносу О2 от легких к тканям: Hb + CO = HbCO

При вдохе воздуха карбогемоглобин распадается на исходные продукты: HbCO → Hb

+ CO

Получение:

1) В промышленности (в газогенераторах):

C + O2 = CO2 CO2 + C = 2CO

2) В лаборатории - термическим разложением муравьиной или щавелевой кислоты в присутствии H2SO4(конц.):

HCOOH = H2O + CO H2C2O4 = CO + CO2 + H2O

Оксид углерода (IV) СO2. Физические свойства: углекислый газ, без цвета и запаха,

малорастворим в воде; тяжелее воздуха; t плавления = -78,5°C, твердый CO2 - сухой лед; не поддерживает горение.

Получение:

1)Промышленное - обжиг известняка: CaCO3 → CaO + CO2

2)Действием сильных кислот на карбонаты и гидрокарбонаты:

CaCO3(мрамор) + 2HCl =CaCl2 + H2O + CO2

NaHCO3 + HCl = NaCl + H2O + CO2

Химические свойства: кислотный оксид: реагирует с основными оксидами и основаниями, образуя соли угольной кислоты:

Na2O + CO2 = Na2CO3

2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O

NaOH + CO2 = NaHCO3

При повышенной температуре проявляет окислительные свойства: С+4O2 + 2Mg = 2Mg+2O + C0

Качественная реакция - помутнение известковой воды: Ca(OH)2 + CO2 =

CaCO3(белый осадок) + H2O

Угольная кислота - слабая, существует в водном растворе: CO2 + H2O = H2CO3

Диссоциация:

H2CO3 = H+ + HCO3-

55

HCO3- = H+ + CO32-

Соли: средние - карбонаты (СO32-), кислые - бикарбонаты, гидрокарбонаты (HCO3-).

Карбонаты и гидрокарбонаты превращаются друг в друга:

2NaHCO3 → Na2CO3 + H2O + CO2

Na2CO3 + H2O + CO2 = 2NaHCO3

Карбонаты металлов (кроме щелочных металлов) при нагревании декарбоксилируются: CuCO3 → CuO + CO2

Качественная реакция - "вскипание" при действии сильной кислоты:

Na2CO3 + 2HCl = 2NaCl + H2O + CO2

CO32- + 2H+ = H2O + CO2

41. Кремний и его свойства

Кремний (Si) – стоит в 3 периоде, IV группе, главной подгруппе периодической системы. Физические свойства: кремний существует в двух модификациях: аморфной и кристаллической. Аморфный кремний – порошок бурого цвета, плотностью 2,33 г/см3,

растворяется в расплавах металлов. Кристаллический кремний – это кристаллы темно-серого цвета, обладающие стальным блеском, твердый и хрупкий, плотностью 2,4 г/см3. Кремний состоит из 3-х изотопов: Si (28), Si (29), Si (30).

Химические свойства: электронная конфигурация: 1s22s22p63s23p2. Кремний – неметалл. На внешнем энергетическом уровне кремний имеет 4 электрона, что обуславливает его степени окисления +4, -4, -2. Валентность – 2, 4. Аморфный кремний обладает большей реакционной способностью чем кристаллический. При обычных условиях он взаимодействует со фтором:

Si + 2F2 = SiF4

При 1000ºС Si реагирует с неметаллами: с Cl2, N2, C, S. Si + Cl2 = SiCl2

3Si + 2N2 = Si3N4

Si + 2S = SiS2

Si + С = SiС (карборунд)

Из кислот кремний взаимодействует только со смесью азотной и плавиковой кислот

3Si + 4НNO3 + 18HF = 3H2SiF6 + 4NO↑ + 8H2O

56

По отношению к металлам ведет себя по-разному: в расплавленных Zn, Al, Sn, Pb он хорошо растворяется, но не реагирует с ними; с другими расплавами металлов – с Mg, Cu, Fe

кремний взаимодействует с образованием силицидов:

Si + 2Mg = Mg2Si

Кремний горит в кислороде:

Si + O2 = SiO2 (песок)

Диоксид кремния или кремнезем – стойкое соединение Si, широко распространен в природе. Реагирует со сплавлением его с щелочами, основными оксидами, образуя соли кремниевой кислоты – силикаты. Получение: в промышленности кремний в чистом виде получают восстановлением диоксида кремния коксом в электропечах: SiO2 + 2С = Si + 2СO↑

В лаборатории кремний получают прокаливанием с магнием или алюминием белого

песка:

SiO2 + 2Mg + 2MgO + Si

3SiO2 + 4Al = Al2О3 + 3Si

Кремний образует кислоты: Н2SiO3 – метакремниевая кислота; Н2Si2O5 -

двуметакремниевая кислота

Нахождение в природе: минерал кварц - SiO2. Кристаллы кварца формой шестигранной призмы, бесцветные и прозрачные называют горным хрусталем. Аметист – горный хрусталь, окрашенный примесями в лиловый цвет; дымчатый топаз окрашен в буроватый цвет; агат и яшма – кристаллические разновидности кварца. Аморфный кремнезем менее распространен и существует в виде минерала опала - SiO2 . nН2О. Диатомит,

трепел или кизельгур (инфузорная земля) – землистые формы аморфного кремния. Эти отложения имеются на дне морей. Они образовались из SiO2 , входит в состав организмов диатомовых водорослей и некоторых инфузорий.

42. Понятие коллоидных растворов

Коллоидные растворы - высокодисперсные двухфазные системы, состоящие из дисперсионной среды и дисперсной фазы. По размерам частиц являются промежуточными между истинными растворами и суспензиями и эмульсиями. Коллоидные частицы

молекулярный или ионный состав.

Существуют три типа внутренней структуры первичных частиц:

57

1. Суспензоиды (или необратимые коллоиды) – гетерогенные системы, свойства которых можно определить развитой межфазовой поверхностью. По сравнению с суспензиями более высокодисперсные. Не могут долго существовать без стабилизатора дисперсности. Их называют необратимыми коллоидами из-за того, что их осадки после выпаривания вновь не образуют золей. Их концентрация мала 0,1%. От вязкости дисперсной среды отличается незначительно.

Суспензоиды можно получить:

1)методами диспергирования (измельчение крупных тел);

2)методами конденсации (получение нерастворимых соединений при помощи реакций обмена, гидролиза и т.п.).

Самопроизвольное уменьшение дисперсности у суспензоидов зависит от свободной поверхностной энергии. Чтобы получить длительно сохраняющуюся суспензию,

необходимы условия для ее стабилизации.

Устойчивые дисперсные системы:

1)дисперсионная среда;

2)дисперсная фаза;

3)стабилизатор дисперсной системы.

Стабилизатор может быть ионный, молекулярный, но чаще всего –

высокомолекулярный.

Защитные коллоиды – высокомолекулярные соединения, которые добавляют для стабилизации (белки, пептиды, поливиниловый спирт и др.).

2. Ассоциативные (или мицеллярные коллоиды) – полуколлоиды, возникающие при достаточной концентрации молекул, состоящих из углеводородных радикалов

(дифильные молекулы) низкомолекулярных веществ при ассоциации их в агрегаты молекул

(мицеллы). Мицеллы образуются в водных растворах моющих средств (мыл), органических красителей.

3. Молекулярные коллоиды (обратимые или лиофильные коллоиды) –

природные и синтетические высокомолекулярные вещества с большим молекулярным весом.

Молекулы их имеют размер коллоидных частиц (макромолекулы).

Разбавленные растворы коллоидов высокомолекулярных соединений – гомогенные растворы. При сильном разбавлении эти растворы подчиняются законам разбавленных растворов.

Чтобы получить раствор молекулярного коллоида можно взять сухое вещество и смешать с подходящим растворителем. Неполярные макромолекулы растворяются в углеводородах, полярные – полярных растворителях.

58

Обратимые коллоиды – вещества, сухой остаток которых при добавлении новой порции растворителя вновь переходит в раствор.

43. Соли кремниевой кислоты

Общая формула кремниевых кислот nSiO2 ∙mH2O. В природе находятся в основном виде солей, в свободной форме выделены немногие, например H4SiO4 ортокремневая и

H2SiO3 кремниевая (метакремниевая).

Получение кремневой кислоты:

1) взаимодействие силикатов щелочных металлов с кислотами:

Na2SiO3 + 2HCl = H2SiO3 + 2NaCl

2) кремневая кислота является термически неустойчивой:

H2SiO3 = H2O + SiO2

H2SiO3 образует пересыщенные растворы, в которых в результате полимеризации образует коллоиды. Используя стабилизаторы можно получить стойкие коллоиды (золи). Их используют в производстве. Без стабилизаторов из раствора кремниевой кислоты образуется гель, осушив который можно получить силикагель (используют как адсорбент).

Силикаты – соли кремниевой кислоты. Силикаты распространены в природе, земная кора состоит в большинстве из кремнезема и силикатов (полевые шпаты, слюда, глина, тальк и др.). Гранит, базальт и другие горные породы имеют в своем составе силикаты. Изумруд,

топаз, аквамарин – кристаллы силикатов. Растворимы только силикаты натрия и калия,

остальные – нерастворимы. Силикаты имеют сложный химический состав:

Растворимое стекло – силикаты натрия и калия. Жидкое стекло – водные растворы

силикатов калия и натрия. Его используют для изготовления кислотоупорного цемента и бетона, керосинонепроницаемых штукатурок, огнезащитных красок. Алюмосиликаты –

силикаты, содержащие алюминий (полевой шпат, слюда). Полевые шпаты состоят помимо оксидов кремния и алюминия, из оксидов калия, натрия, кальция – K2O∙Al2O3∙6SiO2 –

ортоклаз.

59

Слюды имеют в своем составе кроме кремния и алюминия еще водород, натрий или калий, реже кальций, магний, железо. Граниты и гнейсы (горные породы) – состоят из кварца, полевого шпата и слюды. Горные породы и минералы, находясь на поверхности Земли, вступают во взаимодействие с водой и воздухом, что вызывает их изменение и разрушение. Этот процесс называется выветривание.

Выветривание ортоклаза:

K2O∙Al2O3∙6SiO2 + CO2 + nH2O = K2CO3 + 4SiO2 (n - 2) H2O + Al2O3∙2SiO2∙2H2O

ортоклаз поташ каолин

Применение: силикатные породы (гранит) используют как строительный материал,

силикаты: 1) в качестве сырья при производстве цемента, стекла, керамики, наполнителей;

2)слюду и асбест – как электро- и термоизоляцию;

3)алюмосиликаты – для смягчения воды.

44. Получение стекла

Стекло, цемент и керамика - искусственно полученные силикаты. Состав обычного оконного стекла – Na2O•CaO•6SiO2. Стекло нерастворимо в воде, но при продолжительном воздействии из него извлекается силикат натрия. При взбалтывании порошкообразного стекла в воде и добавлении в него фенолфталеина, раствор дает розовую окраску - реакция щелочная, вследствие гидролиза Na2SiO3.Избыток SiO2 (белый песок), его берется в 6 раз больше, чем всех остальных компонентов.

Получение стекла:

1) исходным сырьем для получения такого стекла являются:

Na2CO3 (кальцинированная сода)

CaCO3 (известняк или мел);

2) исходную смесь (шихту) загружают в специальные плавильные ванны, диаметром 6

м. и с помощью плавления в специальных печах получают силикаты натрия и кальция:

SiO2 + Na2CO3 = Na2SiO3 + CO2 ↑ SiO2 + Ca2CO3 = Ca SiO3 + CO2 ↑;

3) полученные силикаты и кремнезем снова сплавляют в массу и постепенно охлаждают:

Na2CO3 + Ca2CO3 + 4 SiO2 = Na2O•CaO•6SiO2

60