ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Элементы IVA группы: углерод, кремний, германий.

Лекция № 14

ХИМИЯ НЕМЕТАЛЛОВ.Часть 1

1. Химические свойства неметаллов.

2. Водород.

3. Вода.

3.1. Состав природных вод. Кислотные дожди.

3.2. Показатели качества природных вод.

3.3. Основные способы водоподготовки.

4. Элементы IVA группы: углерод, кремний, германий.

4.1. Углерод. Оксиды углерода. Парниковый эффект.

4.2. Кремний и германий.

1. Химические свойства неметаллов. Неметаллы играют важнейшую роль в жизни нашей планеты. Все основные жизненные процессы связаны с кислородом, водородом и другими неметаллами. Кислород и кремний являются самыми распространенными элементами земной коры. Многие неметаллы в огромных масштабах потребляются в мировой экономике.

Неметаллы могут быть и окислителями и восстановителями. Окислительная способность увеличивается в периоде и в группе с ростом порядкового номера, так что самыми сильными окислителями являются фтор, кислород, хлор и бром. Преимущественно восстановительные свойства проявляют водород, бор, углерод, кремний, германий, фосфор, мышьяк и теллур. Промежуточные О-В свойства имеют азот, сера и йод.

2. Водород. Наиболее распространенный элемент Вселенной, в земной коре – 3%. Это бесцветный газ, без запаха и вкуса, очень малой плотности, с низкими температурами кипения и плавления. Водород слабо растворим в воде и органических растворителях.

Водород может быть и окислителем и восстановителем, взаимодействует с галогенами, кислородом, оксидами многих металлов, входит в состав гидридов ковалентного и ионного типа.

Водород получают пароводяной конверсией метана: СН₄ + Н₂О(г) « СО + Н₂, или более чистый – методами электролиза. Основная его часть используется для синтеза аммиака: N₂ + 3H₂ « 2NH₃ и получения метанола: СО + 2Н₂ « СН₃ОН. Кроме этого, водород используется для гидрирования нефтепродуктов и т.д. В настоящее время перспективным является развитие экологически чистой водородной энергетики.

3. Вода. Вода – одно из наиболее распространенных в природе веществ. Она обладает аномальными свойствами – в отличие от других соединений плотность воды при кристаллизации не растет, а уменьшается, максимальную плотность вода имеет при 4⁰С, что тоже необычно. Подобные свойства обусловлены полярным характером молекул, наличием неподеленных пар электронов у атомов кислорода и образованием водородных связей.

Вода – очень слабый электролит, амфотерное соединение: может быть и кислотой и основанием, и окислителем и восстановителем. Вода является лигандом и координируется как катионами [Me(H₂O)_m]ⁿ⁺, так и анионами [A(H₂O)_m]ⁿ^-. Вода реагирует с анионами слабых кислот и катионами слабых оснований (процесс гидролиза) и катализирует многие реакции.

3.1. Состав природных вод. Кислотные дожди. Природные воды всегда содержат примеси в растворенном, коллоидном или взвешенном виде. Органические примеси имеют очень сложный состав, неорганические находятся в воде, в основном, в виде ионов – натрия, кальция, магния, калия, хлорид, сульфат и гидрокарбонат-анионов. В воде растворены азот, кислород, углекислый газ и др. Буферная система угольная кислота/гидрокарбонат-анион обеспечивает постоянство рН природных вод. рН дождевой воды около 5,6 из-за процесса СО₂(газ) + Н₂О(ж) « Н₂СО₃(водн.). Оксиды серы и азота, образуя кислоты, понижают рН. Основными реакциями, приводящими к выпадению кислотных осадков, являются:

Н₂О(ж) + SO₂(газ) → H₂SO₃(водн.); 2SO₂ + O₂ → 2SO₃

Н₂О(ж) + SO₃(газ) → H₂SO₄(водн.)

Н₂О(ж) + 2NO₂(газ) → HNO₂(водн.) + HNO₃(водн.)

3HNO₂ → HNO₃ + H₂O + 2NO.

Повышение кислотности озер и прудов делает невозможным разведение рыб. Кислотные дожди неблагоприятно воздействуют на урожайность зерновых культур, состояние лесов, здоровье человека. Кислотные осадки разрушают известняк, бетон и мрамор (очень страдают памятники архитектуры):

H₂SO₄(водн.) + CaCO₃(тв.) → CaSO₄(тв.) + H₂O(ж) + CO₂(газ).

Растворимость сульфата кальция больше, чем карбоната, таким образом, строения разрушаются, поскольку сульфат смывается, а новые слои карбоната подвергаются действию кислотных дождей.

Пагубное действие кислотных дождей проявляется и в том, что они переводят в растворимые формы металлы из твердых оксидов, в том числе и токсичные, например:

ZnO(тв.) + 2H⁺ → Zn²⁺(раствор) + H₂O.

3.2. Показатели качества природных вод. Содержащиеся в воде примеси могут быть вредными для объекта водоснабжения, поэтому они нормируются ГОСТ. Качество природных вод определяется обобщенными показателями: общей жесткостью; рН; щелочностью; солесодержанием; окисляемостью, кроме того регламентируется содержание бактерий и многих ионов.

рН вод хозяйственно-питьевого назначения должен лежать в пределах 6.5 – 8,5. Под щелочностью понимают суммарную концентрацию гидроксид-ионов и анионов слабых кислот – гидрокарбонатов, карбонатов и др.

По солесодержанию или минерализации (общему количеству растворенных солей) воды делят на пресные (до 1г/кг), солоноватые, соленые и рассолы (более 50г/кг).

Величина, характеризующая содержание в воде органических веществ, окисляемых одним из сильных химических окислителей при определенных условиях, называется окисляемостью. Существует несколько видов окисляемости воды: перманганатная, бихроматная и др. Окисляемость выражается в миллиграммах кислорода, эквивалентного количеству реагента, пошедшего на окисление органических веществ, содержащихся в 1 л воды. Для природных малозагрязненных вод рекомендовано определять перманганатную окисляемость (перманганатный индекс); в более загрязненных водах определяют, как правило, бихроматную окисляемость, называемую еще химическим потреблением кислорода (ХПК).

Биологическая потребность в кислороде (БПК) определяет расход кислорода на разложение органических веществ путем окисления бактериями. Измеряется по изменению концентрации кислорода (мг/л) в воде до и после ее выдержки в темноте в течение пяти суток при 20⁰С (БПК₅). Величины БПК и ХПК, так же как и остальные показатели, для питьевых и других вод регламентируются ГОСТ.

3.3. Основные способы водоподготовки. Выбор метода удаления примесей из воды определяется их характером и свойствами. Взвешенные примеси удаляют фильтрованием, коллоидные – коагуляцией. Растворимые соединения осаждают с помощью осадителей. Например, известково-содовый метод (добавление гидроксида кальция и карбоната натрия) уменьшает концентрацию катионов кальция и магния (умягчение), гидрокарбонат-анионов (снижение щелочности) и угольной кислоты:

Ca(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂ → 2CaCO₃¯ + 2H₂O

Mg(HCO₃)₂ + 2Ca(OH)₂ → Mg(OH)₂¯ + 2CaCO₃ + 2H₂O

Na₂CO₃ → 2Na⁺ + CO₃^2-; CO₃^2- + Ca²⁺ → CaCO₃¯

H₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃¯ + 2H₂O.

Для удаления примесей широко используется адсорбция: незаряженные примеси адсорбируют активированным углем или другими адсорбентами, а ионы – на ионообменных веществах. Катионы кальция и магния, например, замещаются в катионообменниках на ионы натрия.

Для очистки воды используются методы электродиализа, обратного осмоса и др.

Уничтожению биологических загрязнений служит хлорирование воды жидким или газообразным хлором, гипохлоритами натрия или кальция. Бактерицидное действие хлора вызвано хлорноватистой кислотой: Cl₂ + H₂O « HClO + H⁺ + Cl^-. Реакция хлора с органическими веществами приводит к образованию токсичных веществ, поэтому безопаснее обработка воды озоном.

Элементы IVA группы: углерод, кремний, германий.

4.1. Углерод. Оксиды углерода. Парниковый эффект. Углерод встречается в виде нескольких аллотропных модификаций: алмаза, графита, карбина, кроме этого известны фуллерен и графен. Все они отличаются строением и свойствами. Углерод входит в состав всех органических соединений.

При высоких температурах углерод реагирует с кислородом, азотом, галогенами и многими металлами. С кислородом углерод образует два оккисда – CO – и CO₂. Монооксид углерода или угарный газ образуется как продукт неполного окисления углерода. Это соединение ядовито и чрезвычайно опасно потому, что не имеет запаха. Проникая с воздухом в легкие, СО реагирует как с окисленным HbO₂, так и с восстановленным гемоглобином Hb:

HbO₂ + CO « HbCO + O₂

Hb + CO « HbCO.

Образующийся карбонилгемоглобин не способен присоединять к себе кислород – становится невозможным перенос кислорода от легких к тканям. СО образует прочные комплексы с d-металлами, так катион Fe²⁺ является антидотом СО.

Диоксид углерода или углекислый газ – бесцветный газ без запаха, с низкой растворимостью в воде, кристаллизуется в виде молекулярных кристаллов (сухой лед), в этом виде используется как хладагент.

СО₂ прозрачен для солнечного света, но не пропускает в атмосферу ИК излучение Земли. Слой СО₂ подобен полиэтиленовой пленке парника. В настоящее время, концентрация углекислого газа на планете все время растет, что вызывает таяние ледников и повышение уровня мирового океана. Аналогично СО₂ на ИК излучение воздействует метан и другие углеводороды. Парниковый эффект несколько компенсируется выбросом в атмосферу твердых частиц, снижающих ее способность пропускать солнечный свет. Однако, необходимо снижать концентрацию СО₂, и пока решения этой проблемы нет.

Диоксид углерода, как кислотный оксид, образует слабую угольную кислоту, соли которой карбонаты и гидрокарбонаты широко распространены в природе.

Из других соединений углерода применяются галогениды, сульфид, оксо- и сульфогалогениды, например ССl₄, CS₂ в качестве растворителя, COCl₂ – фосген (очень ядовит!) – в органическом синтезе.

4.2. Кремний и германий.Кремний встречается в виде одной аллотропной модификации. Кремний тугоплавкий и твердый, по внешнему виду напоминает темно-серый металл. При комнатной температуре является полупроводником, химически инертен. Реагирует с кислородом, азотом и галогенами только при повышенной температуре. Кремний широко применяется в полупроводниковой технике и в металлургии.

Диоксид кремния – кремнезем – имеет несколько модификаций, наиболее распространен кварц. Кристаллы кварца – гигантская полимерная молекула. Кварц обладает большой твердостью, высокими температурами плавления и кипения, химической стойкостью по отношению ко многим реагентам.

Кремнезем легко переходит в стеклообразное состояние – структурные единицы в нем, в отличие от кристаллов кварца, расположены неупорядоченно. Кварцевое стекло химически и термически стойкое, используется химических лабораториях и производствах, в волоконной оптике.

Как кислотный оксид SiO₂ образует кремниевую кислоту и соли – силикаты, для которых также характерно полимерное строение. Силикаты составляют около 75% массы земной коры.

При сплавлении силикатов и других соединений получают стекло. Оконное и бутылочное стекло выплавляют из песка, соды и мела, его примерный состав: Na₂O×nCaO×6SiO₂. Для придания различных свойств, применяют добавки. Силикат натрия – жидкое стекло – используется как клей, при нагревании жидкое стекло превращается в силикагель – пористую структуру с очень развитой поверхностью. Силикагель служит адсорбентом, осушителем, основой для катализаторов.

В составе керамики и цемента тоже основную массу занимают силикаты.

Германий по свойствам похож на кремний, полупроводник, используется в основном в полупроводниковой технике. Соединения германия малотоксичны.