Химия. 9 класс

Химия 9 класс. Учебник.

Автор: О.С. Габриелян

М.: Дрофа, 2019

Нифигасе... Я не имею совершенно ничего против того, что автор использовал в тексте своего учебника строчку из легендарной песни Виктора Робертовича Цоя и группы "Кино". Хотя видеть его творчество в учебнике химии немного непривычно, но пусть. Цой, как известно, жив. 

Но вот про химический состав "звезды по имени Солнце" автор наврал. Текущая оценка массовых долей различных элементов на Солнце такая: 73% - водород, 25% - гелий, 2% - разные прочие элементы (углерод, кислород, неон и так далее). Хотя, 73 процента - это, конечно, больше половины...

Термоядерная реакция превращения водорода в гелий на Солнце идет в относительно небольшой центральной области звезды, а вся остальная масса Солнца как была с рождения водородом, так им и останется до самого конца. Единственное, что в определенный момент существенно повлияет на баланс водорода и гелия - это потеря Солнцем внешних слоев из-за расширения и остывания. Но до этого момента еще очень далеко.

А про Юпитер здесь вообще полный бред. Водорода в нем около 90 процентов, но и гелия немало - порядка 10 процентов, так что не водородом единым. При этом водород на Юпитере, в основном, находится в привычном нам газообразном состоянии. Знаменитое "Красное пятно", которое хорошо заметно на иллюстрации, представляет собой как раз вихрь в атмосфере планеты.

В 2017 году космический аппарат "Юнона", отправленный к Юпитеру, провел исследования, результаты которых были опубликованы за год до выхода учебника. Оказалось, что у Юпитера вообще нет твердой поверхности в том смысле, в каком мы себе это представляем. Ядро планеты представляет собой шар из вязкого водорода и гелия, в котором присутствуют вкрапления более тяжелых элементов.

Но на Юпитере нет условий для перехода водорода в твердое состояние ни в атмосфере, ни в глубине. В верхних слоях атмосферы температура составляет примерно -145 градусов, этого не хватит даже для того, чтобы сделать водород жидким. А по мере продвижения вглубь планеты температура растет, хотя растет и давление. Вообще, Юпитер называют "неудавшейся звездой". Причина проста - процессы, которые привели к рождению "звезды по имени Солнце", в свое время начались и на Юпитере, но для их завершения и превращения в полноценную звезду Юпитеру не хватило массы. Будь он примерно в 75 раз массивнее, в Солнечной системе засияла бы еще одна звезда. Так что недра Юпитера очень горячи - порядка 30 тысяч градусов. Для автора это низкая температура... Ну, смотря с чем сравнивать, конечно.

Колоссальное давление, равное примерно 75 миллионам атмосфер, даже при такой температуре делает из водорода жидкость, причем обладающую свойствами расплавленного металла, но где на Юпитере автор нашел водород в твердом состоянии - тайна великая есть.

Нельзя сказать, что это частое явление, но кто, интересно, запретил атомам металлов присоединять электроны? Чтобы проверить, верно ли утверждение, надо просто узнать, нет ли таких металлов, которые в соединениях проявляют отрицательные степени окисления.

Есть такие и довольно много. Берем тригидрид висмута с формулой BiH3 - это ядовитый газ, который иначе называется висмутин. Соединение довольно нестабильное, при температуре выше 15 градусов разлагается на висмут и водород, так что хранится он при низких температурах. Однако же висмут в этом соединении проявляет степень окисления аж минус три. Висмут - металл, он даже присутствует в классическом ряду активности металлов.

Аналогичное вещество - газ стибин, он же гидрид сурьмы SbH3. Тоже ядовит и неустойчив, степень окисления сурьмы в нем все те же минус три. Сурьму, правда, иногда относят к полуметаллам, но в ряду активности металлов этот элемент тоже есть. Более того, на той же странице учебника автор явно указал, что и висмут, и сурьму он относит к металлам.

Полоний тоже иногда называют полуметаллом. При этом он способен образовывать соединения с обычными металлами, которые называются полонидами, например, полонид натрия Na2Po. Степень окисления полония здесь - минус два. Про полоний автор написал еще более однозначно: "полоний - явно выраженный металл".

Последнее соединение относится к классу интерметаллидов, для них понятие степени окисления не всегда корректно. Но в данном случае, когда речь идет о щелочном металле с очень низкой электроотрицательностью (у натрия - 0.93) и постпереходном металле, у которого электроотрицательность довольно высока (у полония - 2), связи между атомами начинают приобретать характер ионных. Такие интерметаллиды даже называют ионными.

Кроме них к соединениям, где металлы проявляют отрицательные степени окисления, относятся алкалиды. Это соли, содержащие в качестве анионов ионы щелочных металлов - натрия, калия, рубидия и цезия. О них я писал, комментируя учебник химии за 8 класс.

Наконец, в 2016 году в США было получено соединение, получившее название платинид-гидрид цезия с формулой Cs9Pt4H. В нем платина имеет степень окисления минус 2.

Не то чтобы неправда, но утверждение требует существенного уточнения. Свойством резко терять сопротивление электрическому току при понижении температуры обладают далеко не все металлы. Эта температура называется критической, но для многих металлов и сплавов ее достижение является не единственным условием перехода в сверхпроводящее состояние. Часто такой переход требует еще и экстремально высокого давления. Например, в случае натрия требуется давление почти в миллион атмосфер, а иначе ни о какой сверхпроводимости речи и быть не может.

Связано это с тем, что сверхпроводимость - квантовый эффект, и ее наличие/отсутствие зависит от того, каким образом свободные электроны в проводнике взаимодействуют с кристаллической решеткой. Очень интересно, что металлы, являющиеся наилучшими проводниками в обычных условиях - медь, золото, алюминий - довольно неохотно переходят в сверхпроводящее состояние. А для чистого серебра - самого лучшего проводника среди всех известных металлов - такой переход и вовсе невозможен. Это как раз следствие устройства кристаллической решетки и связанных с этим особенностей электрон-ионного взаимодействия.

Что значит "ни при каких условиях" и что такое "кислород воздуха"? Это какой-то необычный кислород или что? Я знаю три модификации кислорода - атомарный, молекулярный и озон. Атомарного в воздухе практически нет, поскольку он слишком активен, молекулярного кислорода в воздухе содержится 21 процент, а из озона состоит всем известный озоновый слой атмосферы, так что его тоже достаточно много. Так каким из них нельзя окислить платину?

Реакция между платиной и самым популярным - молекулярным кислородом идет при температуре 450 градусов. Да, требуется нагревание, ну и что такого? Написано же "ни при каких условиях". С озоном - да, платина не реагирует, более того платина является катализатором распада молекул озона. А вот с обычным кислородом она еще как реагирует.

Традиционно для школьной химии учебник сообщает о наиболее "удобных" степенях окисления элементов, забывая упомянуть о том, что есть и другие. Автор несколько раз подчеркнул, что у железа есть только две возможных степени окисления, но это не так. Мы каждый день держим в руках изделия из стали и привыкли, что железо, в общем-то, довольно инертный металл. Но чистое железо ведет себя весьма активно и умеет такое, о чем в школе не рассказывают.

Например, получены соединения железа, называемые ферратами. Если бы в природе существовала железная кислота H2FeO4 то ферраты можно было бы получать обычным путем, но такой кислоты в свободном состоянии нет, поэтому методы получения солей косвенные. Тем не менее, существуют, к примеру феррат калия K2FeO4 и феррат бария BaFeO4. В обоих соединениях железо имеет степень окисления плюс шесть.

На деле железо умеет проявлять практически любую степень окисления, которая не запрещена химией. Ноль - это понятно. Плюс один - да, хоть эти комплексные соединения и крайне неустойчивы. Плюс два и три - само собой, это наиболее популярные состояния железа в соединениях. В научной литературе есть сведения о степенях окисления плюс четыре, семь и восемь! Только пятерки нет, но и это еще не все. Железо может иметь отрицательные степени окисления! Например, в веществе под названием тетракарбонилферрат натрия Na2[Fe(CO)4] атомы железа находятся в степени окисления минус два.

Вот читаешь учебник и даже иногда радуешься - написано вполне толково, грамотно, ошибок нет, а потом - бах, и вот такой вот абзац. Как будто автор отлучился на минуту и вместо него текст писал какой-то двоечник, который понятия о предмете не имеет.

Кислород, пусть и не очень охотно, но взаимодействует с хлором, для этого требуется подействовать на реагенты ультрафиолетом. В результате получается оксид хлора (IV) ClO2. Всего же существует восемь различных бинарных соединений хлора и кислорода, правда да - их получают не прямыми реакциями, а более хитрым путем.

С бромом сложнее. Кислород с бромом не реагирует, а вот озон - вполне. Получается диоксид брома BrO2 - очень нестабильное твердое вещество, которое при нагревании превращается в оксид брома (I) Br2O.

Из благородных газов удалось провести реакции кислорода с криптоном, ксеноном и радоном. Все они требуют очень специфических условий типа давления в миллион атмосфер, но, тем не менее, возможны.

С золотом кислород действительно не реагирует, но обратите внимание. При рассказе о металлах (см. чуть выше) автор утверждал, что с кислородом не реагируют и металлы платиновой группы. А здесь их почему-то нет. Нелогично.

Наконец, что это за железная окалина тут? Ну-ка посмотрим повнимательнее... Ух ты, да неужто! А можно уточнить, какова степень окисления железа в этом соединении? Если считать в лоб, то ничего хорошего не получится, поскольку результат будет 8/3, а все потому что формула Fe3O4 не слишком корректна. Окалина представляет собой двойной оксид железа, его еще называют закись-окись железа, и его более точная формула FeO·Fe2O3.

Черт... как все запущено...

Ну, допустим, читали мы этот роман не раз и даже не пять. Раз десять я его читал, наверное - одно из любимейших моих произведений. Сера упоминается в диалоге между Эдмоном Дантесом и аббатом Фариа, который демонстрировал Дантесу плоды своих трудов, и речь там зашла о том, как Фариа ухитрился устроить в своей камере освещение. Так вот серу аббат использовал для изготовления спичек, а не пороха. Для пороха сера, конечно, тоже нужна, но в небольшом количестве, в основном порох состоит из калиевой селитры, а вот о ней в романе ничего не сказано. Да и непонятно, зачем аббату нужен был порох.

Впрочем, как известно, со спичками Дюма тоже слегка напутал. Роман был написан в середине 19 века, когда спички уже были изобретены, но действие происходит в двадцатых годах. Конкретно - заключение Дантеса в замке Иф продолжалось с 1815 по 1829 год, когда спичек еще не было. Кроме того, одной серы для их изготовления все равно бы не хватило.

А порох изобрели примерно в 9 веке нашей эры в Китае. Да, довольно давно, но я бы про "древнейшие времена" не стал утверждать.

Нет, хотя похоже, что этот вопрос - один из самых любимых у начинающих химиков. Хитрость тут в том, что водород образуется всегда - чего б ему не образовываться, когда все условия для этого есть, вот только описание процесса реакции надо малость поправить и дополнить.

Итак, мы бросаем в пробирку кусочек металла и наливаем туда азотную кислоту. По всем канонам неорганической химии атом металла должен заместить в молекуле кислоты атом водорода с образованием соли - в данном случае нитрата - а атом водорода при этом спокойно улетает... Стоп... Атом? Ага, вот где собака-то зарыта! Азотная кислота - одноосновная, ее молекула содержит один атом водорода, так что в процессе реакции образуется атомарный водород. А это очень активное вещество, атомы которого с легкостью дарят свой единственный электрон кому угодно по первому требованию. Их окружают мириады молекул азотной кислоты, и, как правильно заметил автор, атомы азота сильно поляризованы. С азотом связаны аж три атома кислорода, и электронные орбитали атома азота смещены в их сторону. Если появившийся на свет атом водорода приблизится к молекуле азотной кислоты, они незамедлительно вступят в реакцию, и никакого водорода не останется. 

Есть единственный шанс избежать этого - два атома водорода, образовавшиеся в ходе реакции, могут встретиться друг с другом, прежде чем один их них прореагирует с азотной кислотой, и тогда получится молекула водорода. А вот молекула водорода уже совсем не так охотно будет с кем-то взаимодействовать - у нее для этого нет свободных электронов. Соответственно, шанс на выделение водорода повышается.

Дело за малым - осталось подобрать условия для протекания реакции таким образом, чтобы у атомов водорода было больше шансов на встречу с себе подобными, нежели на встречу с молекулой азотной кислоты. Решение очевидно - кислота должна быть холодной и очень разбавленной. Разные источники говорят о концентрации от 1 до 12 процентов, но и это еще не все. Нужен подходящий металл.

Марганец или магний. Суть в том, что это достаточно активные металлы - нам же требуется активное выделение водорода, но с холодной водой они почти не реагируют. Зато молекулы воды позволяют "разбавить" среду до такой степени, чтобы появляющиеся атомы водорода успевали встретиться, образовать молекулу и спокойно улететь. Разумеется, кому-то из атомов не повезет, и он наткнется таки на молекулу азотной кислоты, но довольно значительный объем водорода все же получить можно. Опыты такого рода ставились неоднократно.

А вот за этот абзац я готов простить автору все прошлые неточности и прегрешения. Знаете почему? Сейчас расскажу.

Здесь нет никаких ошибок, все верно - белый фосфор хорошо растворяется в сероуглероде, а на воздухе легко окисляется и даже самовоспламеняется. Вы когда-нибудь наблюдали ритуал под названием "Схождение благодатного огня"? Все церковно-христианские детали нам тут не интересны, мы про химию - по какой причине зажигается факел (кадило, лампада, свечи или что там у них принято зажигать)? А все просто. Перед церемонией берут белый фосфор, растворяют его в сероуглероде и наносят раствор на нужный предмет. Это довольно опасно - сероуглерод ядовит и весьма летуч, вентиляция должна работать как надо.

Но та же летучесть сероуглерода позволяет провернуть требуемый трюк. Пока он защищает фосфор, все нормально, но сероуглерод довольно быстро улетучивается, и фосфор начинает подвергаться воздействию кислорода. После высыхания раствора фосфор как раз и будет в нужном, то есть порошкообразном состоянии. Сюда добавим, что и сероуглерод весьма огнеопасен, так что самовоспламенение факела или, если угодно, "Схождение благодатного огня" из чуда превращается в опыт из школьного учебника химии за 9 класс.