Курс целиком — одной страницей

Что такое химия

Химия — это наука о веществах, их свойствах и превращениях.

Вещество — всё, что имеет массу и занимает объём. Вода в стакане, железо в гвозде, воздух вокруг, сахар в чае — всё это вещества.

Вещества вокруг нас

• Простые вещества состоят из атомов одного элемента: кислород O₂, водород H₂.
• Сложные вещества состоят из атомов разных элементов: вода H₂O, соль NaCl.

Различают вещества чистые (только одно вещество) и смеси (несколько веществ вместе): воздух, морская вода, сплавы.

Техника безопасности

• До опыта — прочитай инструкцию и спроси учителя.
• Не пробуй вещества на вкус и не нюхай, поднося к лицу — махни рукой к носу.
• Реактивы бери только указанным количеством, крышки не путай.
• Нагревая пробирку, не направляй её горлышко на себя и на соседей.
• При ожоге кислотой или щёлочью — сразу промой большим количеством воды и скажи учителю.

Физические свойства

Каждое вещество можно узнать по его физическим свойствам — их видно, не превращая вещество в другое:

• агрегатное состояние — твёрдое, жидкое или газообразное;
• цвет, запах, вкус;
• плотность — масса единицы объёма;
• температура плавления и кипения;
• теплопроводность, растворимость, твёрдость.

Агрегатные состояния

Одно и то же вещество может быть в трёх состояниях — переход идёт при нагревании или охлаждении:

Лёд → вода → пар — это всё одно вещество, только вода H₂O в разных состояниях. Химический состав не меняется!

Чистые вещества и смеси

Чистое вещество — постоянно по составу: сахар, дистиллированная вода, алюминий.

Смесь — несколько веществ: воздух, молоко, гранит, раствор соли. Смеси бывают:

• однородные — компонентов не видно (соль в воде);
• неоднородные — компоненты видны (песок в воде, тесто).

Физические явления

При физическом явлении вещество не меняется — меняется только его форма, состояние или температура.

• тает снег, кипит вода, испаряется спирт;
• плавится медь, крошится сахар;
• струна звенит, лампочка светит.

Состав остался прежним — всё ещё вода.

Химические явления (реакции)

При химическом явлении одни вещества превращаются в другие. Происходит химическая реакция.

Тот же сахар, но нагретый без воды, разлагается на новые вещества. Это уже химия!

Примеры вокруг нас

Атом

Атом — мельчайшая частица химического элемента, сохраняющая его свойства. В одном яблоке атомов больше, чем звёзд в нашей галактике!

Молекула

Молекула — мельчайшая частица вещества, состоящая из двух и более атомов (часто одинаковых или разных).

Молекула — «слово», а атомы — «буквы» химии.

Простые и сложные вещества

• Простое вещество — из атомов ОДНОГО элемента: O₂, H₂, Fe, S.
• Сложное вещество — из атомов РАЗНЫХ элементов: H₂O, CO₂, NaCl.

Как обозначают элементы

Каждый элемент имеет символ — одну или две латинские буквы. Первая — большая, вторая (если есть) — маленькая.

Символ выводится из латинского названия: Fe — ferrum (железо), Cu — cuprum (медь), Ag — argentum (серебро).

Опорная таблица

Относительная атомная масса Ar

Массы атомов сравнивают с 1/12 массы атома углерода. Получается относительная атомная масса A_r — число без единиц измерения.

Индексы и коэффициенты

Индекс — цифра справа снизу от символа. Показывает, сколько атомов в одной молекуле.

Коэффициент — цифра перед формулой. Показывает, сколько молекул (или атомов для простых веществ).

Относительная молекулярная масса Mr

Складываем относительные атомные массы всех атомов в молекуле (с учётом индексов):

Читаем формулы

Что такое валентность

Валентность — способность атома присоединять определённое число других атомов. Измеряется в единицах: валентность водорода принята за I.

Постоянная валентность

Запомни элементы с постоянной валентностью:

• I — H, Na, K, Ag, F, Cl, Br, I;
• II — O, Ca, Mg, Zn, Ba;
• III — Al, B.

Переменная валентность: у железа II и III, у меди I и II, у серы II, IV и VI.

Составляем формулы

Чтобы составить формулу: находим наименьшее общее кратное валентностей и делим его на валентность каждого элемента. Полученные числа — индексы.

Закон сохранения массы

Установлен М. В. Ломоносовым и А. Лавуазье:

Атомы никуда не исчезают — они лишь перегруппировываются в новые молекулы.

Как записывают реакцию

Слева — исходные вещества, справа — продукты. Между ними — стрелка.

«2 H₂» — две молекулы водорода. Считаем атомы слева: 4 H + 2 O. Справа: 2·2 H = 4 H и 2 O. Равно!

Расставляем коэффициенты

• Записываем формулы веществ правильно.
• Считаем атомы каждого элемента слева и справа.
• Подбираем коэффициенты, чтобы количество атомов сравнялось.

Примеры

Реакция соединения

Из нескольких веществ получается одно сложное.

Реакция разложения

Одно вещество распадается на несколько.

Реакция обмена

Два сложных вещества обмениваются своими составными частями.

Шпаргалка в таблице

Физические свойства

• газ без цвета, вкуса и запаха;
• немного тяжелее воздуха;
• мало растворим в воде;
• поддерживает горение — тлеющая лучинка вспыхивает.

Химические свойства и горение

Окисление сопровождается выделением тепла и света — это горение. Медленное окисление (ржавление, дыхание) идёт без пламени.

Получение кислорода

В лаборатории:

В промышленности — из сжиженного воздуха перегонкой (кислород кипит при −183 °C).

Применение

• дыхание — медицина, кислородные подушки;
• сварка и резка металлов;
• ракетное топливо — окислитель;
• взрывные работы, металлургия.

Физические свойства

• самый лёгкий газ — в 14,5 раз легче воздуха;
• без цвета, вкуса и запаха;
• плохо растворим в воде;
• взрывоопасен в смеси с воздухом (гремучий газ).

Химические свойства

Водород соединяется с кислородом, образуя воду:

Восстанавливает металлы из их оксидов:

Не поддерживает горение, но горит сам.

Получение

В лаборатории — действие кислот на металлы (цинк):

В промышленности:

Применение

• аммиак NH₃ для удобрений;
• соляная кислота HCl;
• водородное топливо в машинах и ракетах;
• гидрирование жиров (маргарин).

Строение и свойства воды

• кипит при 100 °C, замерзает при 0 °C;
• растворяет очень много веществ — «универсальный растворитель»;
• при замерзании расширяется (лёд легче воды).

Растворы

Раствор — однородная смесь, в которой вещество распределено между молекулами воды.

• растворитель — то, чего больше (чаще вода);
• растворённое вещество — сахар, соль, кислота…

По растворимости вещества бывают хорошо растворимые (сахар), малорастворимые (гипс) и практически нерастворимые (мел, песок).

Массовая доля растворённого вещества

Показывает, сколько вещества в растворе:

Определение

Кислоты — сложные вещества, состоящие из атомов водорода и кислотного остатка.

В растворе кислоты диссоциируют, отдавая ионы водорода H⁺ — отсюда «кислый» вкус и действие на индикаторы.

Классификация

• по числу атомов водорода: одноосновные HCl, двуосновные H₂SO₄, трёхосновные H₃PO₄;
• по наличию кислорода в составе: кислородсодержащие H₂SO₄, бескислородные HCl.

Химические свойства

Кислота + металл (до H в ряду активности) → соль + водород:

Кислота + основание → соль + вода (реакция нейтрализации):

Кислота + оксид металла → соль + вода:

Определение

Основания — сложные вещества, состоящие из атомов металла и гидроксогрупп OH.

Число групп OH равно валентности металла. Они отщепляются в растворе с образованием гидроксид-ионов OH⁻.

Номенклатура

«Гидроксид + название металла + (валентность, если переменная)»:

Растворимые — щёлочи

• NaOH, KOH, LiOH, Ca(OH)₂, Ba(OH)₂ — растворяются в воде;
• мылкие на ощупь, едкие — осторожно!
• меняют индикаторы: лакмус — синий, фенолфталеин — малиновый, метилоранж — жёлтый.

Химические свойства

Щёлочь + кислота → соль + вода:

Нерастворимое основание разлагается при нагревании:

Щёлочь + кислотный оксид → соль + вода:

Определение

Оксиды — сложные вещества из двух элементов, один из которых кислород (валентность II).

Валентность второго элемента ищи в формуле: на неё делим.

Основные оксиды

Образуются металлами — реагируют с кислотами:

Примеры основных: Na₂O, CaO, MgO, Fe₂O₃, CuO.

Кислотные оксиды

Образуются неметаллами (и металлами в высших степенях окисления) — реагируют со щелочами:

Примеры кислотных: CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, SiO₂, NO₂.

Амфотерные оксиды

«Двойного поведения» — реагируют и с кислотами, и со щелочами:

Как получают оксиды

• горение: 4Al + 3O₂ → 2Al₂O₃;
• разложение: CaCO₃ → CaO + CO₂;
• окисление: 2SO₂ + O₂ → 2SO₃.

Определение

Соли — сложные вещества из атомов металла и кислотного остатка.

Получаются, когда атомы водорода кислоты заменяются атомами металла в ходе реакции нейтрализации.

Номенклатура

Получение солей

Растворимость и применение

• NaCl — поваренная соль: консервация, пища, медицина;
• CaCO₃ — мел, известняк, мрамор;
• NaHCO₃ — пищевая сода;
• CuSO₄ — ядохимикаты, бассейны;
• KNO₃, Ca₃(PO₄)₂ — удобрения.

Физические свойства

• металлический блеск;
• проводят ток и тепло;
• пластичные — тянутся в проволоку, куются;
• обычно твёрдые (кроме ртути Hg — жидкая).

Ряд активности металлов

Чем левее металл, тем он активнее. Металлы левее водорода вытесняют его из кислот, правее — не реагируют.

Химические свойства

С кислородом:

Активные металлы реагируют с водой:

Металлы вытесняют друг друга из растворов солей:

Применение

Свойства неметаллов

• газы или хрупкие твёрдые вещества (известен только жидкий бром Br);
• не блестят, плохо проводят ток (кроме графита);
• двухатомные молекулы у газов: H₂, N₂, O₂, Cl₂, F₂, Br₂, I₂;
• в реакциях чаще присоединяют электроны.

Реакции неметаллов

Применение

• Cl₂ — очистка воды, PVC-пластик;
• I₂ — антисептик;
• S — резина (вулканизация), спички;
• N₂ — удобрения, безопасные упаковки;
• C — топливо, сталь.

Закон

В 1869 году Д. И. Менделеев открыл, что свойства элементов периодически повторяются с ростом их атомных масс.

Менделеев оставил в таблице пустые клетки и предсказал свойства ещё не открытых элементов (галлий, германий, скандий) — и угадал!

Строение таблицы

• Период — горизонтальный ряд (их 7). Номер периода = число электронных слоёв.
• Группа — вертикальный столбец: в короткой форме таблицы 8 групп (А и В), в длинной — 18. Группы начинаются металлами, а заканчиваются неметаллами.
• Клетка — символ, номер, атомная масса.

В маленьких периодах всего по два-восемь элементов, в больших — по восемнадцать и тридцать два элемента.

Один период больше → элементы тяжелее

В периоде слева направо растёт число протонов и электронов. Активность металлов падает, неметаллические свойства усиливаются.

В группе сверху вниз атомы крупнее, металлические свойства заметнее: Li — активный металл, а F — самый сильный неметалл.

Зачем это знать

• таблица систематизирует 118 элементов — не нужно учить всё подряд;
• по положению элемента предсказывают его свойства и реакции;
• валентности, формулы оксидов и летучих соединений — как раз из номера группы.

Из чего состоит атом

• Протоны — «+», в ядре;
• Нейтроны — без заряда, в ядре;
• Электроны — «−», вращаются вокруг ядра.

Электронные слои

Электроны располагаются послойно. Номер периода, в котором стоит элемент, говорит, сколько слоёв-энергетических уровней у атома.

Вместимость слоёв: первый — до 2, второй — до 8, третий — до 18 электронов.

Внешний слой — самый важный: именно внешние электроны участвуют в реакциях.

Почему элементы не похожи

Поведение элемента определяет число электронов на внешнем слое:

Атом — мини-вселенная

Диаметр ядра в сто тысяч раз меньше диаметра атома. Электроны «несутся» вокруг него, как планеты вокруг Солнца: пустота и энергия.

Электролиты и неэлектролиты

Некоторые растворы проводят электрический ток, а некоторые — нет. Первые называются электролитами:

• Кислоты — растворы кислот;
• Щёлочи — растворы оснований;
• Соли — растворы солей.

А сахар, спирт, дистиллированная вода и кислород ток не проводят — это неэлектролиты.

Диссоциация

При растворении в воде электролит распадается на ионы — положительные и отрицательные. Этот распад и называется электролитической диссоциацией:

Сильные и слабые электролиты

Диссоциируют все электролиты, но по-разному. Степень диссоциации показывает, насколько «охотно» вещество распадается на ионы:

• Сильные — почти все соли, щёлочи, HCl, HNO₃, H₂SO₄;
• Слабые — H₂CO₃, H₂S, раствор аммиака, вода.

Вода — тоже электролит

Даже чистая вода немного распадается на ионы — это самый слабый электролит из всех:

Поэтому растворы кислот и щелочей — «родственники» воды: в них всегда есть и H⁺, и OH⁻, просто в разных количествах.

Реакции в растворах

Если встречаются два раствора электролитов, реагируют между собой не целые вещества, а их ионы. Это видно в ионном уравнении. Возьмём нейтрализацию:

Распишем всё на ионы — получим полное ионное уравнение:

Ионы Na⁺ и Cl⁻ просто «проскочили мимо» — они не участвуют. Убираем их и получаем сокращённое уравнение:

Осадок — реакция идёт

Смешаем нитрат серебра с поваренной солью — выпадет белый осадок:

А в сокращённом виде это красиво:

Газ и вода

Мел реагирует с соляной кислотой — шипение, пузырьки газа:

Ионное уравнение:

И ещё один классический пример — осадок сульфата бария:

Три кита ионных реакций

Реакция обмена в растворе идёт до конца, если в продуктах есть:

• осадок — ↓;
• газ — ↑;
• вода — H₂O.

Степень окисления

У каждого атома в соединении есть «степень окисления» — условный заряд, который он приобрёл. Главные правила:

• в простых веществах степень окисления атомов равна 0;
• водород обычно имеет +1, а кислород −2;
• сумма всех степеней окисления в молекуле равна нулю.

Найдём серу в серной кислоте:

Окисление и восстановление

Атом, который отдал электроны, — восстановитель. Атом, который забрал электроны, — окислитель.

Пример: цинк и медный купорос

Железный гвоздь в растворе сульфата меди покрывается медью — идёт реакция замещения:

Электронный баланс — сколько электронов отдано, столько и принято:

ОВР — вокруг нас

Окислительно-восстановительные реакции — это почти вся химия жизни:

• горение дров и бензина — углерод отдаёт электроны;
• дыхание — мы «сжигаем» глюкозу, а кислород их забирает;
• ржавление железа — железо отдаёт электроны кислороду воздуха.

Что такое скорость

Скорость реакции показывает, как быстро расходуются вещества или появляются продукты. Измеряется она по изменению концентрации за единицу времени:

Где Δc — изменение концентрации, Δt — время.

Факторы, которые ускоряют реакции

• Концентрация — чем больше частиц, тем чаще они сталкиваются;
• Температура — правило Вант-Гоффа: каждые +10 °C ускоряют реакцию в 2–4 раза;
• Площадь поверхности — порошок реагирует быстрее целого куска;
• Давление — для газов: сжимаем — ускоряем.

Катализаторы

Катализатор ускоряет реакцию, но сам в ней не расходуется. Он «подсказывает» частицам, как встретиться быстрее:

• марганец в пероксиде водорода даёт фонтан пены;
• ферменты — биологические катализаторы, они работают внутри наших клеток;
• порошок в выхлопной системе авто превращает вредные газы в безопасные.

Примеры в быту

Сахар в горячем чае растворяется быстрее, чем в холодном — температура.

Столовый уксус реагирует с содой быстрее, чем целый кусок мела с кислой кашей — площадь поверхности.

Щелочные металлы

Литий, натрий и калий живут в первой группе. Они мягкие — натрий режется ножом как масло, — лёгкие и очень активные. С водой реагируют бурно:

Щёлочноземельные металлы

Магний, кальций и барий — вторая группа. Они твёрже щелочных, но всё равно активные:

Магний с холодной водой почти не реагирует, зато горит на воздухе ослепительно белым пламенем.

Где они живут в природе

• Натрий — поваренная соль NaCl, сода Na₂CO₃;
• Кальций — известняк CaCO₃, мел, мрамор, гипс;
• Магний — морская соль, сплавы для самолётов, фейерверки;
• Калий — калийные удобрения для растений.

Почему они так активны

У всех металлов первой группы один внешний электрон, у второй — два. Отдать его очень легко, поэтому они так охотно реагируют.

Знакомьтесь — алюминий

Тринадцатый элемент: третий период, третья группа. Лёгкий, серебристый, ковкий металл. Снаружи он покрыт прочной плёнкой оксида Al₂O₃ — она защищает его от воздуха.

Реакции алюминия

С разбавленными кислотами выделяет водород:

С концентрированной азотной кислотой он не реагирует — пассивация. Зато с щелочами реагирует легко, что для металла необычно.

Что такое амфотерность

Амфотерное соединение ведёт себя и как кислота, и как основание — в зависимости от соседа. Оксид и гидроксид алюминия именно такие:

Применение

• самолёты и ракеты — лёгкие алюминиевые сплавы;
• фольга и пищевые банки;
• электрические провода — алюминий после меди лучший проводник;
• посуда, окна, велосипеды.

Самый важный металл

Железо — 26-й элемент, серебристо-серый, ковкий и тянущийся металл. Он притягивается магнитом, а в земной коре его больше всех металлов после алюминия.

• Температура плавления — около 1539 °C;
• Свойство — забытый гвоздь ржавеет;
• Роль — гемоглобин в крови держится на атомах железа.

Железо бывает двух видов

В соединениях железо проявляет степени окисления +2 и +3:

С соляной кислотой получается соль железа(+2), с хлором — соль железа(+3).

Оксиды и гидроксиды железа

• FeO — чёрный, Fe₂O₃ — ржаво-красный, Fe₃O₄ — чёрный магнетит;
• Fe(OH)₂ — бело-зелёный осадок;
• Fe(OH)₃ — бурый осадок, он и есть ржавчина на стенах.

Чугун и сталь

Чистое железо мягкое, поэтому в технике используют сплавы:

• Чугун — железа больше, углерода около 2–4 %;
• Сталь — углерода меньше 2 %, а с добавками хрома и никеля получается нержавейка.

Один атом — разные миры

Углерод — основа всех живых существ. В простом виде он встречается в нескольких обличьях — это аллотропия:

• Алмаз — самое твёрдое природное вещество;
• Графит — мягкий, слоистый, проводит ток (грифель карандаша);
• Сажа — чёрный углеродный порошок.

Два важных оксида

У углерода два «характера» — в зависимости от того, сколько кислорода он взял:

Как узнать углекислый газ? Пропустить через известковую воду — она помутнеет:

Угольная кислота и карбонаты

CO₂ растворяется в воде, образуя слабую угольную кислоту H₂CO₃. Её соли — карбонаты:

• CaCO₃ — мел, известняк, мрамор;
• Na₂CO₃ — кальцинированная сода;
• NaHCO₃ — пищевая сода (разрыхлитель теста).

Кремний — брат углерода

В четвёртой группе под углеродом живёт кремний. Его оксид SiO₂ — это песок, кварц и горный хрусталь:

Из кремния делают стекло, керамику, силикон и чипы компьютеров. Через стекло смотрит каждый, кто читает этот урок.

Азот — спокойный, но важный

Азот N₂ составляет почти 78 % воздуха. Он очень «ленивый» — простые реакции с ним идут неохотно. Зато его соединения — настоящие труженики:

В промышленности из азота и водорода получают аммиак:

Удобрения

Без азота растения не растут — из него строится белок. Поэтому азотные удобрения — хлеб агронома:

• NH₄NO₃ — аммиачная селитра;
• NH₄Cl — нашатырь;
• KNO₃ — калийная селитра (и удобрение, и компонент пороха).

Фосфор — у фосфора два лица

Белый фосфор ядовит, светится в темноте и самовоспламеняется на воздухе. Красный фосфор безопасен — именно он в спичечных коробках:

Фосфор входит в состав наших костей и ДНК — без него жизнь невозможна.

Фосфаты и круговорот в природе

Соли фосфорной кислоты — фосфаты. Например, Ca₃(PO₄)₂ — это кости и фосфориты.

Жёлтая и таинственная

Сера — жёлтый порошок, который не смачивается водой и не тонет. Как и углерод, она бывает разной — аллотропия:

• Ромбическая — обычная жёлтая сера;
• Пластическая — тёплая тянущаяся масса.

На воздухе сера горит синим пламенем:

Оксиды серы

Серная кислота — «хлеб промышленности»

H₂SO₄ — самая производимая кислота в мире. Разбавленная реагирует с металлами как обычная кислота:

А концентрированная — настоящий «сухарь»: она жадно отбирает воду даже у сахара и древесины, обугливая их.

Где живёт серная кислота

• автомобильные и другие аккумуляторы;
• производство удобрений, красок и пластмасс;
• очистка нефти от серы;
• отбеливание тканей.

Почему атомы соединяются

Атом знает своё счастливое число: обычно 8 электронов на внешнем слое — полный «набор», как у благородных газов. Водороду хватает двух. Всё остальное — это погоня за этим идеалом:

Отсюда и рождается химическая связь — «сцепление», которое держит атомы вместе.

Ионная связь

Классика: металл отдаёт электроны, неметалл забирает. Получаются ионы, которые держатся силой притяжения зарядов:

Ковалентная связь

Если оба атома — неметаллы, никто не «забирает». Они делятся: одна общая электронная пара — это одна связь:

Пара может быть и не одна — бывают двойные и даже тройные связи.

• O₂, N₂, H₂ — ковалентные неполярные;
• H₂O, HCl, CO₂ — ковалентные полярные.

Металлическая связь

В куске металла атомы стоят рядами, а внешние электроны гуляют между ними, как свободная толпа. Этот «электронный газ» и есть металлическая связь:

Именно поэтому металлы гнутся, стучат и легко проводят ток.

Зачем нужен порядок

В твёрдом веществе частицы не валяются как попало — они выстраиваются в строгую кристаллическую решётку. От того, ЧТО стоит в её узлах, зависят почти все свойства вещества:

Четыре типа решёток

• Ионная — в узлах ионы: NaCl. Твёрдые, плавятся при высокой температуре;
• Атомная — в узлах атомы, связанные прочными связями: алмаз. Самые твёрдые вещества;
• Молекулярная — в узлах молекулы: лёд, сахар, йод. Легкоплавкие и хрупкие;
• Металлическая — в узлах ионы металла + электронный газ. Ковкие, проводят ток.

Свойство диктует решётка

Понимаешь решётку — предсказываешь вещество:

Аморфные вещества

Не у всех твёрдых веществ есть кристаллы. Стекло, смола, пластилин — аморфные: порядок в них есть только на коротком расстоянии.

Семейство VII группы

Галогены («рождающие соли») — это фтор, хлор, бром, йод и астат. У всех по 7 внешних электронов — до заветной восьмёрки не хватает одного, поэтому они супержадные до электронов:

• фтор F₂ — бледно-жёлтый газ;
• хлор Cl₂ — жёлто-зелёный газ;
• бром Br₂ — красно-бурая жидкость;
• йод I₂ — тёмно-фиолетовые кристаллы.

Хлор — главный герой

Хлор ядовит, но очень полезен: им обеззараживают водопроводную воду и отбеливают ткани. С водородом реагирует со взрывом на свету:

Соляная кислота

Соединение хлора с водородом HCl — сильная одноосновная кислота:

Качественная реакция на хлорид-ион — белый творожистый осадок:

Кстати, именно соляная кислота работает в нашем желудке, помогая переваривать пищу.

Фтор и йод

Фтор — самый активный неметалл: на его соединениях делают тефлон — вещество-антипригар и «нержавеющий» пластик.

Йод — обязательная настойка в аптечке, а его кристаллы красиво возгоняются, минуя жидкость.

Ток рулит ионами

В растворе или расплаве электролита есть ионы. Если пропустить через такой раствор электрический ток, ионы послушно побегут к электродам:

Так ток разлагает вещество — это и есть электролиз.

Пример: электролиз раствора

Батарейка — обратный электролиз

В электролизе ток заставляет ионы бежать. В батарейке всё наоборот: сами реакции заставляют электроны бежать по проводу. Получается ток:

Где живёт электролиз

• производство алюминия — без тока оксид алюминия не восстановить;
• очистка меди для проводов;
• серебрение и золочение украшений;
• получение хлора и щёлочи из поваренной соли.

Враг металлов — коррозия

Коррозия — разрушение металла под действием окружающей среды. Ржавчина — её самый известный пример, «заболевание» одного только железа:

Что ускоряет беду

• Влага — ржавчина любит мокрые места;
• Кислород — без воздуха коррозии почти нет;
• Соли и кислоты — морской воздух и реагенты на дорогах «грызут» быстрее;
• Контакт металлов — пара «железо + медь» корродирует активнее.

Способы защиты

• краска, эмаль и масло — просто закрывают доступ воздуха;
• Цинкование — цинк жертвует собой раньше железа;
• Лужение — олово на банках для консервов;
• Легирование — хром и никель дают нержавейку;
• Протекторы — цинковые блоки на корпусах кораблей.

Электрохимическая защита

Если соединить железо с более активным металлом, «жертвой» станет активный металл, а железо останется целым. Так работают протекторы на трубопроводах и судах.

Считаем атомы порциями

Атомы не пересчитать поштучно — их слишком много. Химики выбрали «порцию» из стольких частиц, сколько атомов в 12 граммах углерода-12:

Это число — постоянная Авогадро. Моль — как «дюжина», только огромная.

Молярная масса

Масса одного моля вещества — это молярная масса M:

Численно молярная масса совпадает с относительной молекулярной — только в граммах.

Число частиц

Если знаешь количество вещества в молях, легко узнать число частиц:

Где Nₐ — число Авогадро.

Моль — мостик между кухней и формулами

Моль связывает всё: массу, объём газов и число частиц. На нём держатся все расчёты — включая следующий урок:

• масса ↔ моли через M;
• объём газа ↔ моли через 22,4 л/моль;
• частицы ↔ моли через Nₐ.

Рецепт химической задачи

Уравнение реакции — это как рецепт выпечки: коэффициенты показывают, в каких «порциях» (молях) вещества реагируют.

• есть масса или объём → считаем моли;
• смотрим соотношение коэффициентов;
• переводим моли обратно в массу или объём.

Пример: цинк и кислота

Сколько водорода выделится из 13 граммов цинка с соляной кислотой?

Молярный объём газов

Один моль ЛЮБОГО газа при нормальных условиях занимает один и тот же объём:

Поэтому для газов достаточно перевести массу в моли — и объём готов.

Нюансы: избыток и выход

Если одного вещества больше, чем нужно, часть останется непрореагировавшей — считают по веществу в недостатке.

А реальный выход почти всегда меньше теоретического: часть продукта теряется.

Химия углерода

Органическая химия — это химия соединений углерода. Углерод умеет выстраивать длинные цепи, и поэтому из него построены миллионы разных веществ — от метана до ДНК.

Алканы — спокойные вещества

Простейший углеводород — метан, болотный газ и главный компонент природного газа:

Алканы горят, отдавая много тепла:

Алкены — любители двойных связей

Этилен C₂H₄ — самый известный алкен. Он с двойной связью и потому активнее алканов:

Этилен ускоряет созревание помидоров и бананов, а ещё из него делают полиэтилен.

Горение — двигатель топлива

Почти всё топливо — это углеводороды: от газовой колонки до керосина в самолёте. Окисление углеводородов даёт тепло:

Природный газ

Природный газ — в основном метан CH₄. Он горит почти без дыма и сажи, поэтому считается самым «чистым» из трёх топлив:

Его выкачивают из-под земли и привозят по трубам к газовым плитам и электростанциям.

Нефть — чёрное золото

Нефть — смесь сотен углеводородов. Её разделяют перегонкой на фракции — по температуре кипения:

• Бензин — самый лёгкий, для авто;
• Керосин — для самолётов;
• Дизель — для грузовиков;
• Мазут — тяжёлый остаток для кораблей и ТЭЦ.

Крекинг — дробим большие молекулы

Из тяжёлых фракций нефти делают больше бензина: длинные молекулы «разрезают» на короткие:

Этот процесс называется крекингом — от английского «to crack», раскалывать.

Каменный уголь

При нагревании угля без воздуха (коксование) получают:

• кокс — топливо для доменных печей, без него не выплавить чугун;
• каменноугольную смолу — источник красителей и лекарств;
• коксовый газ — горючий газ.

Функциональная группа

Углеводороды — это «голый» каркас из углерода и водорода. Прикрепим к нему группу –OH — и получим совершенно новое семейство веществ — спирты:

Метанол и этанол

• Метанол CH₃OH — технический спирт, ядовит даже в малых дозах;
• Этанол C₂H₅OH — «винный спирт», из него напитки, лак и дезинфектанты.

Этанол горит чистым синим пламенем:

Многоатомные спирты

В молекуле может быть несколько групп –OH:

• этиленгликоль — два «-OH», незамерзающая жидкость-антифриз;
• глицерин — три «-OH», входит в состав косметики и мыла.

Брожение — фабрика спирта

Из сахара (глюкозы) дрожжи делают этанол:

Пузырьки в тесте и браге — тот самый углекислый газ, а спирт остаётся в жидкости.

Органические кислоты

У карбоновых кислот есть группа –COOH — «карбоксил». Самая известная — уксусная:

Она слабая, но достаточно кислотная, чтобы мариновать огурцы и снимать накипь с чайника.

Кислоты вокруг нас

• лимонная — в лимонах и газировке;
• яблочная — в яблоках;
• щавелевая — в щавеле и шпинате;
• молочная — в кефире и простокваше.

Кислый вкус — фирменный знак этой группы.

Жиры — эфиры глицерина

Жиры и масла — это «эфиры» глицерина и жирных кислот. Растительные — жидкие, животные — твёрдые:

Жир — компактный запас энергии: в килограмме жира энергии почти вдвое больше, чем в килограмме углеводов.

Мыло — химик на кухне

При варке жира со щёлочью получают мыло — соли жирных кислот:

Сладкое топливо — глюкоза

Глюкоза C₆H₁₂O₆ — «виноградный сахар», главное топливо клеток. Внутри наших клеток она медленно «сгорает»:

Сахароза — любимый сахар

Сахар в сахарнице — это сахароза C₁₂H₂₂O₁₁, глюкоза, склеенная с фруктозой:

В тёплом чае сахар распадается на «сладкую пару», поэтому кажется ещё слаще.

Крахмал и целлюлоза — длинные цепи

Крахмал и целлюлоза — полимеры, построенные из тысяч «кирпичиков» глюкозы:

Крахмал переваривается и кормит нас, а целлюлозу мы не перевариваем — зато это основа бумаги и ваты.

Качественная проба на крахмал

Капля йода на крахмал даёт сине-фиолетовое окрашивание — кто думает, что йодные «чернила» на хлебе? Это крахмал ловит йод в свою спираль:

Кирпичики жизни

Белки построены из аминокислот — всего около 20 «кирпичиков», из которых природа собирает всё живое:

Всего из 20 букв получилась вся жизнь на Земле. Сила — в порядке и числе.

Пептидная связь

Аминокислоты соединяются длинными цепочками — пептидными связями:

В одном белке таких «звеньев» сотни и тысячи. А цепочка ещё умеет складываться в шар или спираль.

Денатурация

Нагревание, кислота или спирт разрушают «складки» белка — это денатурация:

• яичный белок при жарке белеет и сворачивается;
• мясо на сковороде становится жёстче;
• спирт «свёртывает» белки микробов — поэтому он дезинфицирует.

Белок в тарелке

Белок нужен для роста и восстановления мышц. Источники: мясо, рыба, яйца, молоко, бобовые и орехи.

Молекула-поезд

Полимер — это «поезд» из тысяч одинаковых «вагонов»-мономеров. Одна молекула — гигантская:

Главные пластмассы

• Полиэтилен — пакеты, плёнка;
• Полипропилен — контейнеры для еды, трубы;
• ПВХ — окна, трубы, обшивка;
• Полистирол — одноразовая посуда, утеплитель;
• тефлон — самая «несъедобная» посуда в мире (антипригарная).

Каучук и резина

Натуральный каучук — сок дерева гевеи, он же полимер. Если его смешать с серой и нагреть — вулканизация — получается эластичная резина:

Шины машины, подошвы и жгуты — это каучук, ставший прочным на вулканизации.

Проблема пластика

Пластик служит веками: в природе он почти не разлагается. Океан полон полимерного мусора:

• раздельный сбор и переработка — даю пластику вторую жизнь;
• биоразлагаемые полимеры — созданные, чтобы исчезать;
• меньше одноразового — меньше химического мусора.

Химия в каждой комнате

Весь дом — склад химических веществ, половину которых ты уже знаешь по имени:

• Сода NaHCO₃ — чистит, печёт, тушит огонь;
• Уксус CH₃COOH — маринады и борьба с накипью;
• Перекись H₂O₂ — обрабатывает ранки;
• Отбеливатели — окислители, возвращающие белизну.

Лекарства — формулы против болезней

Аспирин, парацетамол, витамины — всё это химические соединения, созданные в лабораториях:

• витамин C (аскорбиновая кислота) — антиоксидант;
• антибиотики — «оружие» против бактерий;
• анальгетики — глушат боль.

Химия и экология

Та же химия помогает и вредит планете:

Хлорфторуглероды уже почти сняли с производства — озоновый слой восстанавливается. Химия способна лечить и свои собственные ошибки.

Первый этап пройден

Обратимые и необратимые реакции

Не все реакции идут «до конца». Многие обратимы: продукты тут же начинают превращаться обратно в исходные вещества. Для таких реакций используют знак ⇌:

Состояние равновесия

Когда скорость прямой реакции сравнялась со скоростью обратной, наступает химическое равновесие. Вещества продолжают реагировать, но количества больше не меняются.

Принцип Ле Шателье

Если на равновесную систему воздействовать, она «сопротивляется» и смещается так, чтобы уменьшить воздействие:

• повышаем давление → равновесие в сторону меньшего числа молекул;
• повышаем температуру → в сторону эндотермической реакции;
• добавляем реагент → в сторону продуктов.

Как заводы этим пользуются

Производство аммиака (процесс Габера) — классика: высокое давление до 300 атмосфер и температура ~500 °C. Давление гонит равновесие к аммиаку, а тепло и катализатор ускоряют реакцию.

Химия и энергия

Каждая реакция сопровождается тепловым эффектом. Выделяют тепло — экзотермическая, поглощают — эндотермическая:

Откуда берётся тепло

Когда атомы соединяются в новые связи, выделяется энергия. Когда старые связи разрываются — энергия тратится. Тепло реакции = разница этих двух сумм:

В горении выделение от «склейки» CO₂ и H₂O огромное — поэтому огонь такой горячий.

Термохимические уравнения

В термохимическом уравнении чистый реакционный баланс + тепловой эффект:

Эти цифры позволяют рассчитать: сколько тепла выделит реакция, если взять другое количество вещества (пропорция — как в уроке 37).

Тепло в жизни

Пищевые «калории» — это та же химическая энергия: глюкоза окисляется в клетках (урок 42), и организм греется и работает:

Жёсткая и мягкая

Жёсткость воде дают растворённые ионы кальция и магния. В «жёсткой» воде:

• мыло почти не пенится и оставляет налёт;
• в чайнике растёт накипь;
• одежда после стирки сероватая.

Временная жёсткость

Её создают гидрокарбонаты Ca(HCO₃)₂ и Mg(HCO₃)₂. Устранить её проще всего кипячением:

Гидрокарбонат разлагается — так и появляется та самая накипь в кастрюле.

Постоянная жёсткость

Её дают хлориды и сульфаты Ca и Mg. Кипячение не помогает — нужны химия или сода:

Ионообменные фильтры

Современный способ — ионообмен: специальные гранулы меняют ионы Ca²⁺ и Mg²⁺ на безобидные ионы Na⁺:

Так работают фильтры стиральных машин и бытовые умягчители.

NPK: три кита

Растениям нужно три главных элемента, и их не хватает в почве без подкормки:

• Азот (N) — для листьев и стеблей, «зелёная масса»;
• Фосфор (P) — для корней и цветения;
• Калий (K) — для зимостойкости и вкуса плодов.

Азотные удобрения

Селитра быстрого действия, карбамид медленно отдаёт азот — типа «быстрая» и «долгая» подкормка.

Фосфорные и калийные

• Ca(H₂PO₄)₂ — суперфосфат; KCl — калийная соль;
• комплексные NPK-удобрения — все три элемента в грануле;
• зольная подкормка — бесплатный калий из золы печи.

Экология и избыток

Избыток удобрений стекает в реки и озёра, вызывая «цветение» воды — эвтрофикацию. Водоросли пожирают кислород, рыба гибнет.

Руда — откуда металлы

Металлы в природе живут в горных породах — рудах. Чем выше процент металла, тем дешевле его извлечь. Железную руду (Fe₂O₃, Fe₃O₄) добывают из-под земли.

Доменное производство

В доменной печи оксид железа восстанавливается оксидом углерода:

Жидкий чугун стекает вниз, шлак — сверху. Чугун — промежуточный продукт, его плавят дальше.

Термитная реакция

Алюминий может вытащить железо из оксида — термит, который горит дотла:

Алюминий крадёт кислород у железа, выделяя гигантское тепло. Используют для сварки рельсов на месте.

Самые активные — электролизом

Алюминий и натрий получают только электролизом расплава — их не восстановить углеродом:

Зачем сплавы

Чистое железо мягкое, медная монета гнётся, а чистый золотой слиток легко поцарапать. Сплавы — «рецепты» из нескольких металлов, каждый даёт свой «аромат»:

Главные сплавы

• Чугун — Fe + 2–4 % C, хрупкий, льётся в формы;
• Сталь — Fe + 0,2–2 % C, ковкая, прочная;
• Нержавейка — Fe + Cr + Ni, не ржавеет;
• Дюралюминий — Al + Cu + Mn + Mg, лёгкий и прочный.

Медные сплавы

• Бронза — Cu + Sn, податливая, звонкая (колокола, памятники);
• Латунь — Cu + Zn, золотистая (детали, фурнитура);
• Мельхиор — Cu + Ni, белый блестящий (посуда, монеты).

Легирование — химия марганца

Легирование — намеренное добавление «легирующих элементов» в сталь. Никель делает нержавеющую, ванадий — твёрдую для резцов, марганец — стойкую к ударам:

Песок — сырьё цивилизации

Кремний — второй по распространённости элемент земной коры. Его оксид SiO₂ — это песок, кварц и горный хрусталь:

Стекло

Стекло варят из песка, соды и известняка при ~1500 °C. Упрощённая реакция производства стекла:

Получается твёрдый «переплавленный» материал, который почти ничего не боится, кроме плавиковой кислоты и бронебойного камня.

Цемент и бетон

Цемент производят обжигом смеси известняка и глины. Смесь цемента, песка и воды даёт бетон — строительный материал, который сформировал современные города.

Керамика и фарфор

Обжиг глины даёт керамику — кирпичи, горшки, изразцы. А тонкий белый фарфор — «высшая химия» глины, каолина и высоких температур.

Детективы на пробирках

Как узнать, есть ли в растворе ион, если не видно глазами? Проводят качественную реакцию — с известным «сигналом»: осадок, газ или изменение цвета.

Осадки-улики

• Ag⁺ + Cl⁻ → AgCl↓ белый творожистый;
• Ba²⁺ + SO₄²⁻ → BaSO₄↓ белый;
• Cu²⁺ + 2OH⁻ → Cu(OH)₂↓ синий;
• Fe³⁺ + 3OH⁻ → Fe(OH)₃↓ бурый.

Газы заявляют о себе

• CO₂ мутит известковую воду: CO₂ + Ca(OH)₂ → CaCO₃↓ + H₂O;
• H₂ подожги — хлопок (без вредного дыма);
• O₂ зажги тлеющую лучинку — вспыхнет ярко;
• NH₃ резко пахнет и «дымит» с HCl.

Индикаторы — цветные переключатели

Лакмус: красный — кислота, синий — основание. Фенолфталеин: бесцветный в кислоте, малиновый в щёлочи. Метиловый оранжевый: красный → жёлтый.

Треугольник огня

Чтобы горело, нужны три «угла»: топливо, кислород и температура. Уберёшь любой — пламя гаснет:

Полное и неполное горение

При избытке кислорода углерод сгорает полностью, а в недостатке — образуется ядовитый угарный газ:

Как тушить

• вода — охлаждает и «накрывает» топливо;
• пена с одеялом — отрезают кислород;
• огнетушитель с CO₂ — газ вытесняет воздух;
• горящую проводку водой тушить нельзя — только CO₂/порошком.

Холодное горение в клетках

В наших клетках глюкоза окисляется по тем же реакциям, что и дрова в камине, — но без пламени, катализаторами-ферментами, шаг за шагом:

Кислотные дожди

При сжигании угля и нефти в воздух попадают оксиды серы и азота. В каплях дождя они образуют кислоты:

Борьба с кислотой

Химия знает, как гасить кислоты — щелочами. Скрубберы на заводах пропускают дым через известковое молоко:

А озёра «лечат», известкуя берега — это та же нейтрализация кислоты.

Парниковый эффект

CO₂, метан и водяной пар держат тепло у Земли, как одеяло. Сжигание топлива добавляет «слоёв»:

Озоновый слой

В стратосфере озон O₃ защищает всё живое от жёсткого ультрафиолета. Фреоны из старых холодильников и баллончиков разрушали его — страны договорились их снять с производства:

Витамины — катализаторы жизни

Витамины — небольшие органические молекулы, без которых ферменты не работают. Их мало, а роль огромна:

• витамин C — антиоксидант, защищает клетки;
• витамин D — строит кости, делается на солнце;
• витамины группы B — «энергетическая валюта» клеток.

Минералы в теле

Всё это — химические элементы, которые мы должны получать с едой и даже с водой.

Желудок: соляная кислота в действии

В желудке — соляная кислота (урок 33). При изжоге её избыток гасят слабой щелочью — содой:

Доза решает всё

Любое вещество полезно или ядовито в зависимости от количества. Парацетамол лечит от температуры, а превышение доз вредит печени. Даже вода в огромных объёмах опасна.

• антибиотики — только по назначению врача;
• витамины — не «побольше», а по норме;
• алкоголь и курение — яд для клеток в любой дозе.

Румяная корочка — реакция Майяра

При жарке сахара и белки реагируют друг с другом, рождая сотни ароматных соединений. Это реакция Майяра — та самая «румяность» на хлебе и мясе:

Подъём теста — газ в дело

Разрыхлитель — это сода и кислота. Во влажном тесте они реагируют, выделяя углекислый газ:

Пузырьки раздувают тесто — отсюда пышность пирогов.

Соль и сахар — консерванты

Соль и сахар отнимают воду из микробов (осмос), и те не могут размножаться. Поэтому варенье, соленья и копчёности хранятся месяцами:

Желирование и студни

Пектин из яблок и агар из водорослей образуют студни — гели. Это коллоидные системы: жидкости, «застывшие» в сетке молекул:

Из чего состоит грязь

Грязь на одежде — это в основном жир, в который «вмёрзла» пыль. Вода одна не справится: капли жира в воде не растворяются.

Мыло — двуличный герой

Молекула мыла (соль жирной кислоты, урок 41) устроена хитро:

Хвосты вгрызаются в жирное пятно, а головки тянут его в воду — грязь отрывается от ткани.

Стиральные порошки

В составе порошков — команда химиков:

• ПАВ — отрывают грязь;
• Фосфаты и сода — смягчают жёсткую воду;
• Отбеливатели — окисляют цветные пятна до бесцветных;
• Ферменты — расщепляют белковые и жировые пятна.

Хлорный или кислородный

Хлорный отбеливатель силён, но жёсток к тканям и пахнет «хлоркой». Кислородный (перекись и соединения) бережно растворяет пятна:

Водород — топливо чистое

Водород при сгорании даёт только воду — никакого углекислого газа:

В топливном элементе эта реакция «работает» тихо и без дыма, превращаясь в электричество. Водородные автобусы и грузовики уже ездят по улицам.

Литий-ионные аккумуляторы

В смартфонах и электроавтомобилях — литий-ионные батареи. При зарядке ионы Li⁺ прячутся в электроды, при разрядке бегут обратно, отдавая ток:

Это обратимая электрохимия (урок 34) в миниатюре.

Солнце и кремний

Солнечные панели делают из кремния — того самого из урока 28. Кванты света выбивают электроны из атомов, и возникает ток:

Новый атомный «кремниевый век» начался с химии и физики полупроводников.

Будущее за химией хранения

Солнце и ветер дают энергию непостоянно — главная задача современности научиться её запасать. Аккумуляторы, водород и новые материалы — поле работы молодых химиков:

Лавуазье — отец химии

Антуан Лавуазье доказал, что при горении вещество соединяется с кислородом, а масса при реакциях не исчезает — закон сохранения массы:

Менделеев — таблица на века

Дмитрий Менделеев расположил элементы по возрастанию атомной массы и увидел закон: свойства повторяются через период. Он даже предсказал ещё не открытые элементы — и они нашлись:

Легенда про сон над таблицей красива, но за ней — годы кропотливой работы.

Кюри и Бутлеров

Мария Склодовская-Кюри открыла полоний и радий и научила мир обращаться с радиоактивностью. Александр Бутлеров создал теорию строения органических веществ — фундамент всех уроков по органике:

Зелинский — защитник солдат

Николай Зелинский изобрёл первый эффективный противогаз на активированном угле — во время Первой мировой он спас миллионы жизней от газовых атак:

Вода из фильтра-кувшина — тот же принцип Зелинского.

Финал курса