Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:А ты хочешь знать химию. Учебно-справочное пособие для старшеклассников и абитуриентов
.pdf
Основная химическая реакция, в результате которой по-
лучают железо:
+3 +2 0 +4
Fe2O3 + 3СО = Fe + СО2 + Q.
Схема электронного баланса
+3 0
Fe + 3е
+2 +4
СО – 2е СО
Fe
+3
восстанавливается до Fe
Fe
2
окислитель
+2
окисляется до С
С
3
2
восстановитель
+4
0
Характеристика реакции:
— необратимая;
— некаталитическая;
— гетерогенная;
— экзотермическая.
Скорость любой химической реакции будет увеличиваться при повышении концентрации реагирующих веществ. Для
повышения концентрации оксидов в руде производят обогащение руд, которое заключается в отделении концентрата —
продукта с повышенным содержанием оксидов железа от пустой породы.
Для повышения концентрации оксида углерода (II) воздух, подаваемый в печь, обогащают кислородом. Используют
неочищенный воздух, так как реакция — некаталитическая.
Благодаря использованию обогащённого кислородом воздуха
увеличивается скорость сгорания кокса и образования оксида
углерода (II).
Концентрацию оксида углерода (II) увеличивают, подавая
в доменную печь метан СН
, который, сгорая, также образует
4
оксид углерода (II) (см. выше).
Поскольку данная реакция гетерогенная (оксиды железа — твёрдые вещества, а оксид углерода (II) — газ), то для
увеличения поверхности соприкосновения руду измельчают
до кусков определённого размера и желательно, чтобы они
были приблизительно одинаковые — это необходимо для
того, чтобы процесс протекал равномерно. Поэтому концентраты, которые получаются в виде мелких зёрен и маленькие
кусочки, которые образуются при измельчении крупных кусков руды, до подачи в доменную печь спекают, предварительно смешав их с углём.
Скорость химических реакций зависит и от температуры,
а поэтому каждую из многочисленных реакций, протекаю-
261
щих в домне, следует проводить при возможно более высокой
температуре. Для обеспечения оптимального температурного
режима в доменную печь подают воздух, предварительно нагретый до температуры 1300 °С и выше за счёт сжигания газов, выходящих из доменной печи.
Так как в руде содержатся примеси: оксиды и другие соединения кремния, марганца, фосфора и др., то одновременно
с восстановлением железа из оксидов железа протекает восстановление кремния, марганца, фосфора и др. из их соединений.
Производство чугуна в доменной печи — это непрерывный процесс. Однако засыпание шихты и выпуск чугуна и
шлака производятся периодически. В процессе используются
теплота реакции и принцип противотока (сверху вниз движутся руда, кокс и флюсы, а снизу вверх горячий воздух и образующиеся в процессе производства чугуна газы).
Продукт производства: чугун. Чугун, образующийся в результате доменного процесса, по дальнейшему назначению
делят на литейный и передельный. Литейный чугун находит
применение для изготовления чугунных изделий, а передельный — большая часть чугуна — (около 80% производства
чугуна) идёт на последующую переработку в стали.
Вопросы и задания
по теме «Металлургия»:
1. Что такое минерал? Какие минералы наиболее распространены
в земной коре? Что такое рудный минерал?
2. Что такое руда? Что такое простая руда? Приведите пример
простой породы. Что такое пустая порода? Какие железные руды
вы знаете?
3. В чём состоит суть всех промышленных способов получения
металлов? Напишите уравнение реакции, с помощью которой по-
лучают металл из руды, расставьте коэффициенты в уравнении,
используя схему электронного баланса. Укажите окислитель и
восстановитель.
4. Назовите наиболее распространённые промышленные восста-
новители.
5. Что такое металлургия?
6. Что такое чёрная металлургия?
7. Что такое чугун? Классификация чугунов по назначению.
8. Назовите состав шихты при производстве чугуна.
9. Напишите уравнение основной реакции получения железа в
доменном процессе и дайте характеристику этой реакции. Рас-
262
ставьте коэффициенты в уравнении реакции, используя схему
электронного баланса. Укажите окислитель и восстановитель.
10. Что такое флюсы? Для чего используют флюсы в доменном
процессе? Назовите вещества, которые используют в качестве
флюсов и напишите уравнения реакций, которые протекают при
шлакообразовании.
11. Что такое шлак? Напишите уравнение реакции образования
шлака. Имеет ли шлак какое-то значение в доменном процессе?
Укажите использование шлаков.
12. Какими путями повышают концентрацию главного восстановителя в доменном процессе? Напишите необходимые уравнения
реакций.
13. Что такое обогащение руды? С какой целью проводят этот процесс?
14. Что делают для увеличения скорости выплавки чугуна, принимая во внимание, что основная реакция в этом процессе — гетерогенная?
15. За счёт чего поддерживается оптимальный температурный
режим в доменной печи? Приведите необходимые уравнения реакций.
16. Дайте характеристику доменного процесса.
17. Что такое сталь? В чём состоит суть процесса переработки чугуна в сталь? Назовите способы получения сталей.
18. Что такое легированная сталь? Что такое нержавеющая
сталь?
263
ЧАСТЬ III
ОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Глава 1
Углеводороды
§ 1. Предмет органической химии
Органическая химия — это химия соединений углерода.
Органические вещества — это вещества, в состав кото-
рых входит углерод. Исключением являются оксиды углерода, угольная кислота и её соли, карбиды — эти вещества относят к неорганическим веществам.
Краткая история развития органической химии.
Ещё в древние времена люди имели большой жизненный
опыт по получению и использованию органических веществ.
Они умели изготавливать спиртные напитки путём брожения
сахаристых веществ (вино, пиво). Был хорошо известен уксус, и, по-видимому, уксусная кислота была первой кислотой,
с которой познакомился человек. В Индии из сахарного тростника умели выделять сахар. В Древнем Египте были известны
многие душистые вещества — эфирные масла, которые использовали не только в качестве благовоний, но и как дезинфицирующие и консервирующие средства, например, при сохранении трупов в виде мумий.
В первоначальный период развития химии учёные не видели различий между органическими и неорганическими веществами. Однако в дальнейшем стали обращать внимание на
то, что многие вещества, получаемые из «мёртвой» природы —
различные металлы, соли и т. д., обладают свойствами, отличающимися от свойств веществ, получаемых из организмов животных и растений. В 1807 году шведский химик Берцелиус
предложил делить химию на органическую и неорганическую.
Таким образом, в начале XIX века органической химией
называли науку, которая изучала вещества, образующиеся в
организмах растений и животных. От слова «организм» и
264
произошли названия «органические вещества» и «органическая химия».
В 1824 году немецкий химик и врач Фридрих Вёлер синтезировал щавелевую кислоту — органическое вещество растительного происхождения, а в 1828 году Вёлер синтезировал
мочевину — вещество животного происхождения. В последующие годы были синтезированы более сложные органические
вещества.
В настоящее время органическими веществами называют
все соединения углерода, как природные, так и синтетические. Из 15 млн известных науке веществ примерно 95% —
органические.
Причины многообразия органических веществ и их отличительные свойства.
Огромное многообразие органических соединений обусловлены свойствами атома углерода.
1) Углерод способен образовывать ковалентные связи с
большинством элементов; атомы углерода способны соединяться ковалентными связями друг с другом; причём прочность связи С–С достаточно велика, а поэтому атомы углерода, соединяясь друг с другом, образуют устойчивые — достаточно прочные углеродные цепи различного вида (прямые,
разветвлённые, замкнутые в цикл). В настоящее время получены высокомолекулярные соединения, углеродная цепь которых состоит из сотен и тысяч углеродных атомов (полиэтилен, полиизобутилен и др.).
2) Атомы углерода могут образовывать не только обычные
(одинарные), но и кратные (двойные и тройные) связи друг с
другом и с атомами других элементов.
§ 2. Особенности органических веществ
Большинство органических веществ (соединений) построено из сравнительно небольшого числа химических элементов. В состав органических соединений обязательно входит
углерод; почти в каждом органическом веществе имеется также водород. Многие органические вещества содержат кислород и азот, несколько реже в них входят галогены, сера и фосфор, т. е. неметаллы, а поэтому связь между атомами в органических веществах — ковалентная. Органические вещества
имеют молекулярное строение, а поэтому они обладают свой-
ствами, характерными для веществ, имеющих молекуляр-
265
ную кристаллическую решётку. Обычно органические вещества представляют собой газы, жидкости или низкоплавкие
твёрдые вещества. Некоторые жидкие вещества — летучие.
Огромное большинство твёрдых органических веществ плавится в интервале сравнительно невысоких температур (от
комнатной до 400 °С).
Касаясь химических свойств органических веществ, отмечают их горючесть (за некоторым исключением) и их терми-
ческую неустойчивость — органические соединения разрушаются при высоких температурах; многие из них постепенно окисляются на воздухе.
Молекулы большинства органических соединений достаточно велики, поэтому в химические реакции вступает, как
правило, не вся молекула, а лишь её активный центр — функциональная группа атомов.
Функциональная группа атомов — это группа атомов,
обусловливающая химические свойства данного класса соединений.
В строении молекул органических веществ особо выделяют углеродный скелет.
Углеродный скелет — это каркас органической молекулы, который представляет собой последовательность химически связанных между собой атомов углерода.
Во многих химических реакциях углеродный скелет остаётся неизменным.
Углерод во всех органических веществах четырехвалентен.
Органические соединения в природе образуются в процессе фотосинтеза из углекислого газа и воды. Этот процесс протекает в зелёных растениях под действием солнечного излучения, поглощаемого хлорофиллом.
СО
+ Н2О глюкоза — органическое вещество
неорганические вещества
2
В результате фотосинтеза возникли и ископаемые источники энергии и химическое сырьё, т. е. уголь, нефть и природный газ.
Значение органических веществ огромно, так
как жизнь на Земле связана с их возникновением и их превращениями. На долю органических веществ приходится основная часть массы живых растительных и животных организмов. В природе эти соединения находятся чаще всего в виде
сложных смесей и лишь изредка в чистом виде. Например,
266
хлопок — это практически чистая целлюлоза, а камни в
желчном пузыре иногда представляют собой чистый холестерин. Органические вещества служат животным и людям пищей и издавна используются как сырьё для производства тканей (шерсть, шёлк, хлопок, лён и т. д.). В современном обществе очень важную роль играют высокомолекулярные
синтетические материалы (пластмассы, волокна, каучуки,
клеи и т. д.). Многие из синтетических материалов превосходят по свойствам природные материалы. Органические вещества используются для изготовления лекарственных препаратов, моющих средств, пестицидов (веществ, уничтожающих
разных вредителей животных и растений) и т. д.
Основным сырьём для производства синтетических органических соединений в большинстве случаев служат нефть и
природный газ. Химической переработкой этого сырья занимается самостоятельная отрасль химической промышленности — нефтехимия.
§ 3. Теория химического строения А.М. Бутлерова
Основой органической химии является теория химического строения органических соединений
(структурная теория), которая была разработана во
второй половине XIX века и в которую огромный вклад внесла научная школа русского химика А.М. Бутлерова.
Впервые основные идеи структурной теории были высказаны А.М. Бутлеровым в его докладе «О химическом строении
вещества», который он сделал 19 сентября 1861 года на Международном съезде естествоиспытателей и врачей в Шпейере.
А.М. Бутлеров был убеждён в том, что атомы в молекулах
соединены в определённом порядке, что строение молекул познаваемо и что именно строение молекул в конечном итоге
определяет свойства вещества (зависимость свойств веществ
от качественного и количественного состава соединений была
известна и ранее).
Химическое строение — это последовательность соединения атомов химическими связями в соответствии с их валентностью, порядок их взаимодействия и взаимного влияния друг на друга.
«Химическим» А.М. Бутлеров называл строение, потому
что определить его можно химическими методами, изучая
267
Таблица 24
бензол
6
H
6
C
С
НС СН
НС СН
СН
С
16
10
4
8
2
H
H
2
3
12
6
H
4
14
H
H
H
H
H
5
6
7
8
9
метилбензол
этилбензол
5
3
Н
2
СН
С
- фенил (ароматический
5
5
18
H
10
5
Н
6
радикал)
Н
Н
6
6
С
С
гибридизация
2
0
120
связь и -система
2n-2
H
n
C
1. —
Этин
(ацетилен) C
H
Углеводороды
2n
H
n
C
1. —
Этен
(этилен) C
6
4
H
H
2
2n +2
H
n
Метан CH
C
Пропан C
Этан C
Предельные Непредельные Ароматические
Пропин C
Бутин C
Пентин C
Гексин C
12
6
10
4
8
H
H
H
H
2
3
4
5
6
Пропен C
Бутен C
Пентен C
Гексен C
14
8
12
16
10
H
H
H
H
3
4
5
6
7
Бутан C
Пентан C
Гексан C
Гептан C
Гептин C
Октин C
Нонин C
Декин C
20
18
14
16
H
H
H
H
7
8
9
10
Гептен C
Октен C
Нонен C
Декен C
22
20
18
H
H
H
8
9
10
Октан C
Нонан C
Декан C
гибридизация sp
гибридизация sp
2
гибридизация sp
3
sp
2
форма
s-орбиталей
форма
0
180
0
28 120
0
p-орбиталей
форма гибрид-
ных орбиталей
связь и две связи
(тройная связь)
(двойная связь)
0,154 нм 0,134 нм 0,120 нм 0,140 нм
Гомологический ряд —
это ряд органических
веществ, сходных по
своему химическому
строению, обладающих
сходными химическими
и закономерно изменяю-
щимися физическими
свойствами, имеющих
общие методы получе-
ния. Состав всех членов
гомологического ряда
может быть выражен
общей формулой. При-
чём состав двух соседних
членов ряда отличается
на постоянную гомоло-
гическую разность -СН
группу
Гибридизация электрон-
268
ных облаков — это вы-
равнивание электрон-
ных облаков по форме и
энергии
Валентный угол 109
Виды ковалентной связи связь (одинарная, простая) связь и связь
Расстояние между цент-
рами атомов углерода
O
-систе-
+H
HONO
вид «сбоку»
(схематично)
Образование единой
мы в молекуле бензола
Молекула плоская
+
-связей в
молекуле ацетилена
Молекула линейная
Схема образования
2
O
2
+H
2
NO
5
H
Cl + HCl
6
5
2
H
6
С
С
3
2
+HNO
+Cl
6
6
H
H
6
6
бензол нитробензол
С
бензол нитробензол
С
бензол хлорбензол
Идёт легче, чем у предельных
6
Cl
6
H
6
С
2
+ 3Cl
6
H
6
С
бензол гексахлоран
(гексахлорциклогексан) Идёт труднее,чем у непредельных
H–C–C–H
CH=CH
2
2
CH + Br
CH CH + Br
бромирование | |
качественная Br Br
реакция 1,2-дибромэтен
Br Br
| |
CH
| | | |
3
2
–СН
3
=CH
2
СН
2
CH
2
+ Н
2
=CHCl
=CH
2
1,2-дибромэтен 1,2,3,4-тетра-
бромэтан
CH CH +Н
ацетилен (этин) этилен (этен)
Br Br Br Br
CH
2
CH
этилен (этен) этан
гидрирование
CH CH + HCl
хлорэтен (винилхлорид)
-связь — это хими ческая
связь, которая образуется
при перекрывании
-связь — это химиче-
электронных облаков на
прямой, соединяющей
ядра атомов.
Cl + HCl
3
H-C-Cl + HCl
2
хлорметан
CH
2
+ Cl
4
CH
H H
H-C-H + Cl
H H
ская связь, которая обра-
зуется при перекрывании
Реакция замещения
электронных облаков вне
прямой, соединяющей
ядра атомов Молекула — плоская
+ HCl
2
Cl
2
CH
хлорметан
2
Cl + Cl
3
дихлорметан и т. д.
CH
2
– CH
2
CH
2
+ Br
2
=CH
2
CH
3
–CH
3
дибромэтан
CH
2
+ Н
2
=CH
2
бромирование | |
качественная реакция Br Br
CH
этилен этан
+ HCl
2
–
+
–CH=CH
3
гидрирование
CH
пропилен
Реакция присоединения
3
–CHCl–CH
3
2-хлорпропан
СН
Правило Марковникова
269
Окончание табл. 24
СН СН
НС СН СН СН
НС СН СН СН
– +
2
–CH
+
2
2
=CH
2
– + –CH
2
– ...
2
2
+ CH
2
–CH
CH
2
2
=CH
2
=CH
2
+ CH
–CH
CH
+–CH
ацетилен бензол
СН СН
–
n
2
–)
2
–CH
2
–CH
2
–CH
2
–CH
2
) (–CH
полимер
2
–CH
2
=CH
2
–...
2
–CH
CH
мономер
этилен полиэтилен
n(CH
Реакция полимеризации
270
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]