asyan.org
добавить свой файл
1 2 3 4
Розділ І

ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ ПРО ЕЛЕМЕНТИ - НЕМЕТАЛИ ТА ЇХНІ СПОЛУКИ
ОКСИГЕН І СУЛЬФУР
§ 1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА ОКСИГЕНУ І СУЛЬФУРУ

Історичні відомості. Про історію відкриття кисню, моле­кули якого складаються з елемента Оксигену, ви довідалися ще у 8 класі. Тепер ознайомтеся з деякими історичними відомостями про сірку, що складається з елемента Сульфуру.

Сірка відома людині з давніх-давен. Легендарний дав­ньогрецький поет Гомер, який жив між XII і VIII ст. до н. е. і вважається автором епічних поем «Іліада» і «Одіссея», зазначає, що сірка застосовувалась для куріння під час релі­гійних обрядів. Вона входила до складу славнозвісного в історії стародавнього світу грецького вогню. Секретом його виготовлення володіли грецькі царі протягом чотирьох віків. У 941 р. під стінами Царграду було знищено флот київсько­го князя Ігоря. Літописець, розповідаючи про цю подію, за­значає, що греки пускали вогонь, ніби блискавку на небі, яка спалювала воїнів Ігоря, через що вони не змогли подо­лати греків. Про найдавніше знайомство людини з сіркою свідчить і походження її назви (від санскритського1 слова «сіра», що означає світло-жовтий).
Оксиген і Сульфур — елементи VI групи періодичної си­стеми, входять до складу головної підгрупи.

^ Електронна будова. Що ж видно з електронних формул Оксигену 1s22s22p4

і Сульфуру 1s22s22p63s23p4, які ви щойно записали?

В
s

p
они показують, що в атомах Оксигену і Сульфуру на зовнішньому електронному шарі міститься по 6 електронів (див. підкреслене в електронних формулах) —пs2пр4. В ато­мах Оксигену ці 6 зовнішніх електронів розміщуються на орбіталях двох типів —s і р (одна s- і три p-орбіталі):









8
O n=2

За рахунок двох неспарених p-електронів атом Оксигену, як правило, утворює два ковалентні зв'язки. При цьому він проявляє ступінь окиснення -2, наприклад Н2О-2, Fe2O-23p, H2So4-2.

У сполуках з найбільш електронегативним елементом — Флуором Оксиген виявляє позитивний ступінь окиснення, наприклад у фториді оксигену O+2F2-1

Існують сполуки, що містять зв'язок Оксиген—Оксиген (О—О), наприклад пероксид гідрогену Н2+1O2-1 або пероксид барію Ва+2O2-1. Ступінь окиснення Оксигену в таких сполуках дорівнює, як вважається, -1.

На відміну від Оксигену, який міститься у другому періоді періодичної системи і електрони в його атомах розміщені на двох електронних шарах (а електрони другого шару—на s- і p-орбіталях), Сульфур міститься у третьому періоді. Це означає, що електрони в атомах Сульфуру розміщені на трьох електронних шарах, а електрони третьо­го шару можуть розміщуватись на s-, р- і d-орбіталях (якщо атом перебуває у збудженому стані).

Отже, на відміну від атома Оксигену атом Сульфуру (ізольований, хімічно не зв'язаний) на зовнішньому елек­тронному шарі має вільні орбіталі, на які можуть переходи­ти електрони під час збудження атома, коли із затратою деякої енергії відбувається розпаровування електронних пар для утворення хімічних зв'язків з іншими атомами.

Т
s
аким чином, в атомі Сульфуру електрони на зовніш­ньому електронному шарі можуть розміщуватися так:


s

p

d

1









p
6
S n=3 hjосновний стан атома

1












збуджені

стани

атома
6
S n=3



















1

6
S n=3
Атом Сульфуру, в якому є 2, 4 або 6 неспарених електро­нів, може виявляти у сполуках ступінь окиснення -2, +4, +6.

Наприклад: H2S-2; S+4O2; S+6O3; H2S+6O4; Na2S+6O4.

Атом Сульфуру порівняно з атомом Оксигену має більший радіус (чому?) і виявляє меншу елекгронегативність.

§ 2. ПОНЯТТЯ ПРО АЛОТРОПІЮ. ОЗОН

Хімічні елементи у вільному стані існують у формі простих речовин. Так, елемент Оксиген утворює дві прості речовини — кисень О2 та озон О3.

Озон. Якщо на кисень подіяти електричним розрядом, то з'являється характерний запах свіжості —утворюється газуватий озон:

3

O2 2O3 ; ΔH =283,6 кДж.

Кисень поглинає енергію і перетворюється на озон, а озон самовільно розкладається, утворюючи кисень.

Обидві прості речовини —кисень O2 і озон О3 —утво­рені одним і тим самим хімічним елементом — Оксигеном, а властивості у них різні (табл. 1).

Явище існування хімічного елемента у вигля­ді двох або кількох простих речовин, різних за властивостями і будовою, називається алотро­пією, а самі прості речовини- алотропними формами (модифікаціями).

Отже, кисень O2 і озон О3 —алотропні форми елемента Оксигену.

Порівняння властивостей кисню O2 і озонe О3 засвід­чує, що окисна активність озону вища, ніж кисню. Наприк­лад, вже за звичайних умов він окиснює багато які малоак­тивні прості речовини (срібло, ртуть тощо):

8Ag+2O3=4Ag2O+O2

Таблиця 1. Властивості кисню й озону

Властивості простих речовин

Прості речовини

Кисень

озон

Агрегатний стан за звичайних умов

Газ

Газ

Колір

Безбарвний

Синій

Запах

Без запаху

Різкий, своєрідний

Розчинність (у 100 об’ємах Н2О при 200С)

3 об’єми

49 об’ємів

Густина газу за н.у.

1,43 г/л

2,14 г/л

Температура кипіння

-1930С

-1120С

Температура плавлення

-2190С

-1920С

Фізіологічна дія

Неотруйний

Дуже отруйний

Хімічні властивості

Окисник

Дуже сильний окисник

Реакційна здатність

Висока

Жуже висока


Підвищена окисна здатність озону (порівняно з киснем) пояснюється низькою енергією відриву атома Оксигену від молекули озону Оз, і в реакціях окиснення беруть участь саме ці атоми Оксигену.

^ Застосування озону зумовлене його винятковими окис­ними властивостями. Озон використовується для озонуван­ня питної води, що значно ефективніше, ніж хлорування; для знешкодження промислових стічних вод; вибілювання тканин, мінеральних масел; як дезінфікуючий засіб у меди­цині; як окисник ракетного палива.

Зверніть увагу на фізіологічну дію озону: він отруйний для людини, тварин і рослин. Невеликі концентрації озону в повітрі створюють відчуття свіжості, але вдихання повітря навіть із зовсім малою концентрацією озону викликає по­дразнення дихальних шляхів, кашель, блювоту, запаморо­чення, стомленість.

Проте озон може бути не лише шкідливим, а й корис­ним.

^ Роль озону в збереженні життя на Землі. Біля поверхні Землі озону мало. Його концентрація у повітрі коливається (вночі менша, вдень більша). Влітку і навесні його в повітрі у 3,5 раза більше, ніж узимку і восени. Над полярними частинами Землі вміст озону в повітрі вищий, ніж над еква­тором, в атмосфері міст —вищий, ніж у сільській місцевос­ті. З віддаленням від поверхні Землі концентрація озону збільшується і досягає максимуму на висоті 20—25 км. Там утворюється так званий озоновий шар.

Озоновий шар відіграє значну роль у збереженні життя на нашій планеті. Він затримує найбільш згубну для люди­ни, тварин і рослин частину ультрафіолетової радіації Сон­ця, яка спричинює онкологічні (ракові) захворювання шкі­ри. Окрім того, озоновий шар разом з вуглекислим газом СО2, поглинає інфрачервоне випромінювання2 Землі і тим самим запобігає її охолодженню. Так озоновий шар забез­печує збереження життя на Землі.

Виникає запитання, звідки ж береться озон в атмосфері і як саме він захищає нас.

Озон утворюється у верхніх шарах атмосфери внаслідок поглинання киснем ультрафіолетового випромінювання Сонця:

O2 + hv  O + O

O + O2  O3

Крім того, поглинаючи променисту енергію Сонця (фотони), молекули кисню переходять у збуджений стан (помічено зірочкою) і під час дальшої взаємодії зі звичай­ним киснем також утворюють озон:

O2 + hv  O2

O2 + O2  O3 + O

O + O2  O3

Озон, що утворився, огортає Землю з усіх боків. Але мо­лекули озону існують недовго. Відбувається зворотна реакція фотохімічного розкладу3 озону, яка, власне, являє со­бою поглинання озоном фотонів:

O3 + hv  O2 +O

Отже, в атмосфері існує цикл озону—збалансоване утворення і розклад його. Результатом існування цього циклу є перетворення ультрафіолетового випромінювання Сонця на теплову енергію. Але для нас головна «заслуга» озону полягає в тому, що він, «жертвуючи собою», поглинає ультрафіолетове випромінювання і тим самим не допускає високоенергетичні фотони Сонця до Землі.

Озоновий шар не є стабільним. Він може самовільно то збільшуватись, то зменшуватись над певною місцевістю по кілька разів на рік. Під впливом природних факторів (фото­хімічного розкладу, виверження вулканів, значного перемі­щення великих повітряних мас), а більшою мірою під впли­вом забруднення навколишнього середовища він зазнає руйнування, внаслідок чого утворюються так звані «озонові дірки», які збільшують ультрафіолетове навантаження на все живе на Землі.

Причиною техногенного4 руйнування озонового шару є забруднення атмосфери оксидами нітрогену, наявність яких у 20 разів збільшує токсичність озону. Так, масове викидан­ня в атмосферу вихлопних газів реактивних літаків, що містять оксиди нітрогену, руйнує озоновий шар. Окрім того, використання хлоро- і флуоровмісних речовин (фрео­нів) у холодильних машинах також спричинює руйнування озонового шару. Адже фреони, якщо потрапляють в атмос­феру, реагують лише з озоном, бо відносно інших речовин вони інертні. Внаслідок цього над місцевістю може утвори­тися «озонова дірка».

Над Україною (окрім південної частини) загальний вміст озону за останні 20 років зменшився на 6 %, і утворилася аномальна5 зона. Вам про це слід пам'ятати! Особливо небезпечна «озонова дірка» влітку. У цей період дуже потер­пають очі, тому треба користуватися сонцезахисними окулярами. Варто утримуватися і від загару, щоб не зашкодити шкірі.

Алотропія кисню й озону зумовлена різною кількістю атомів Оксигену в молекулах речовин —О2 і О3.

Проте буває й інша причина алотропії —різна структура кристалів. З таким типом алотропії ви ознайомитеся на прикладі сірки.

С

ірка за звичайних умов — крихка кристалічна речовина жовтого кольору. Погано проводить теплоту і не проводить електричного струму. У воді не розчиняється, краще розчи­няється в деяких розчинниках (у сірковуглеці СS2, бензині, ефірі та ін.).

Мал.1 Форма молекул сірки

І в розчинах, і в кристалах сірка складається з циклічних молекул S8, які формою нагадують корону. (мал. 1). Але в кристалах ці молекули можуть бути упаковані по-різному.

Я

кщо молекули розташо­вані щільно, утворюється алотропна форма ромбічна сірка. Менш щільне упакування молекул спричинює виникнення іншої алотропної форми —моноклінної сірки (мал. 2).

Різна будова кристалів ромбічної і моноклінної сірки зумовлює різні їхні фізичні властивості. Деякі з них наводяться у таблиці 2.

а б

Мал.2 Кристалічні форми сірки:

б) ромбічна; б) - моноклінна

Якщо сірку розплавити і швидко охолодити, утворюється ще одна алотропна форма: пластична сірка коричнева гумоподібна маса. Їй можна надати будь-якої форми, навіть розтягнути в нитку. Ця властивість пластичної сірки пояснюється : тим, що вона не містить молекул S8, а складається з довгих ланцюжків атомів Сульфуру. Ці ланцюжки безладно пере­плутані між собою. Під час розтягування вони розпрямля­ються, а якщо відпустити — знову скручуються. Цим пояс­нюється еластичність даної форми. Але пластична сірка дуже нестійка, швидко загусає, твердне, стає крихкою і пе­ретворюється на ромбічну.

Отже, у сірки є дві основні алотропні форми: ромбічна і моноклінна. Обидві вони складаються з молекул S8, а різняться кристалічною будовою.

Таблиця 2. Властивості ромбічної і монокдінної сірки

^ Властивості простих

Речовин

Сірка

ромбічна

Моноклінна

Колір

Лимонно-жовтий

Блідо-жовтий,

майже безбарвний

Густина

2,07 г/см3

1,96 г/см3

Температура плавлення

112,8 °С

119,3 °С


^ У природі зустрічаються найбільш стійкі алотропні форми. Так, до складу земної атмосфери входить кисень, бо його молекули стійкіші, ніж молекули озону.
Лабораторна робота 1

Ознайомлення із зразками сірки та її природних сполук

Розгляньте видані вам зразки сірки та її природних сполук. Для кожного з них запишіть у зошит: 1) назву, 2) хімічну формулу, 3) агрегатний стан, 4) колір,

5) твердість.
Ви довідались, що в природі дуже поширені сполуки Сульфуру з різними металами. Багато з них є цінними ру­дами: РbS — свинцевий блиск, ZnS — цинкова обманка, Сu2S — мідний блиск, FeS2 — залізний колчедан, або пірит. Поширені в природі й інші мінерали Сульфуру, в основно­му сульфати кальцію і магнію. Поклади сполук Сульфуру є в Україні (Львівська область), Туркменістані, Італії, Японії, США та ін.




следующая страница >>