Хімічні елементи у вільному стані існують у формі простих речовин. Так, елемент Оксиген утворює дві прості речовини — кисень O2 та озон O3.
• Пригадайте, що являє собою кисень O2, які характерні властивості він має, для чого використовується і яку роль відіграє у природі.
Озон. Якщо на кисень подіяти електричним розрядом, то з'являється характерний запах свіжості —утворюється газоподібний озон:
Кисень поглинає енергію і перетворюється на озон, а озон самовільно розкладається, утворюючи кисень.
Обидві прості речовини—кисень O2 і озон O3—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 O3 —алотропні форми елемента Оксигену.
Порівняння властивостей кисню O2 й озону O3 засвідчує, що окисна активність озону вища, ніж кисню. Наприклад, вже за стандартних умов він окиснює багато які малоактивні прості речовини (срібло, ртуть тощо):
Табпиця 1. Властивості кисню й озону*
Властивості простих речовин
Прості речовини
кисень
озон
Агрегатний стан за стандартних умов
Газ
Газ
Колір
Безбарвний
Синій
Запах
Без запаху
Різкий, своєрідний
Розчинність (у 100 об'ємах Н20 при 20 *С)
3 об'єми
49 об'ємів
Густина газу за н. у.
1,43 г/л
2,14 г/л
Температура кипіння
-193 *С
-112 *С
Температура плавлення
-219 *С
-192 °С
Фізіологічна дія
Неотруйний
Дуже отруйний
Хімічні властивості
Окисник
Дуже сильний окисник
Реакційна здатність
Висока
Дуже висока
Підвищена окисна здатність озону (порівняно з киснем) пояснюється низькою енергією відриву атома Оксигену від молекули озону 03, і в реакціях окиснення беруть участь саме ці атоми Оксигену.
Зверніть увагу на фізіологічну дію озону: він отруйний для людини, тварин і рослин. Невеликі концентрації озону в повітрі створюють відчуття свіжості і разом з тим 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.
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.
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 СO2 поглинає інфрачервоне випромінювання1 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:
Озон, що утворився, огортає Землю з усіх боків. Але молекули озону існують недовго. Відбувається зворотна реакція фотохімічного розкладу озону, яка, власне, являє собою поглинання озоном фотонів:
Отже, в атмосфері існує цикл озону — збалансоване утворення і розклад його.
1 Інфрачервоне випромінювання — це невидимі електромагнітні хвилі, що їх випромінює нагріте тіло (теплове випромінювання).
Фотохімічний розклад — це процес, що відбувається під впливом світла.
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:
фіолетового 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 техногенного 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 аномальна2 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.
• Як ви гадаєте, чому кисень і озон, що складаються з одного й
того самого хімічного елемента, мають різні властивості, тобто
у чому полягає суть алотропії?
Алотропія кисню й озону зумовлена різною кількістю атомів Оксигену в молекулах речовин — O2 і O3.
2
Техногенний — той, що пов'язаний з виробничою діяльністю людини.
Аномальний — той, що відхилений від норми.
Проте буває й інша причина алотропії—різна структура кристалів. З таким типом алотропії ви ознайомитеся на прикладі сірки.
Сірка за стандартних 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 CS2, бензені, етері та ін.).
І в розчинах, і в кристалах сірка складається з циклічних молекул S8, які за формою нагадують корону (мал. 1). Але в кристалах ці молекули можуть бути упаковані по-різному.
Якщо 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.
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 зигзагоподібні 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 моноклінної 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.
• Згадайте, як утворюється в атмосфері озон, і обґрунтуйте його значення. У чому ви вбачаєте подвійну роль озону в природі — його користь і шкоду?
Сірка зустрічається в природі у вільному стані (самородна сірка), а також у вигляді різних сполук —сульфідів металів, сульфатів тощо.
Лабораторна робота 1
Ознайомлення зі 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: PbS—свинцевий блиск, ZnS—цинкова обманка, Cu2S —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.
• Які сполуки утворюються під час взаємодії з киснем: а) водню; б) алюмінію; в) метану СН4? Напишіть рівняння реакцій, зазначте у кожному з випадків ступінь окиснення елементів та окисник і відновник.
Хімічна активність сірки також доволі висока. При нагріванні вона реагує майже з усіма елементами (у формі простих речовин) і з багатьма складними речовинами, виявляючи при цьому властивості як окисника, так і відновника (порівняйте з киснем), бо для неї характерні як позитивні ступені окиснення (+4, +6), так і негативний (-2).
1. Взаємодія з металами. Сірка як типовий неметал взаємодіє з багатьма металами (окрім золота), утворюючи сульфіди. Так, якщо всипати порошок міді у розплавлену сірку (мал. 3), то відбувається реакція з утворенням чорного сульфіду купруму(І) і виділенням великої кількості теплоти:
2Cu + S = Cu2S Після початку реакції спиртівку відставляють.
• Сірка безпосередньо сполучається з залізом, цинком, натрієм, алюмінієм. Напишіть рівняння цих реакцій і зазначне назви речовин, що утворилися.
2. Взаємодія з неметалами.
Мал. 3. Взаємодія міді і сірки
Сірка безпосередньо взаємодіє з усіма неметалами (окрім йоду й азоту). Реакції відбуваються при нагріванні:
Застосування. Найбільша маса сірки і природних сульфідів витрачається на виробництво сульфатної кислоти. Сірка використовується і в інших галузях хімічної промисловості: для добування сульфітів NajjSOj і Ca(HS03)2, що використовуються в легкій промисловості, сульфідів Na,S, CaS, BaS для шкіряного
виробництва, виготовлення люмінофорів (речовин, здатних світитися). Сірку застосовують у виробництві барвників, гуми, чорного пороху, сірників, ліків, використовують її і в сільському господарстві для боротьби зі шкідниками.
Завдання для самоконтролю
12. Які хімічні властивості характерні для кисню і сірки? Наведіть рівняння відповідних реакцій.
13. Порівняйте взаємодію водню з киснем і сіркою. У чому подібність і відмінність цих реакцій?
14. Напишіть рівняння реакцій сірки з киснем і цинком. Яку роль відіграє сірка в одній і в другій реакціях?
15. Який тип хімічного зв'язку у сполуках Сульфуру з металами?
16. Чому кисень виявляє окисні властивості, а сірка, як окисні, так і відновні?
17. Наведіть кілька прикладів рівнянь реакцій, які засвідчують, що у кисню окисні властивості виявляються сильніше, ніж у сірки.
18. Якщо 31 г заліза взаємодіє з сіркою за умови, що масова частка використання заліза становить 90 %, то в результаті реакції утворюється сульфід форуму масою
19*. Маючи аналогічну електронну конфігурацію зовнішнього шару, атоми хімічних елементів Оксигену і Полонію різко відрізняються один від одного за властивостями. Як ви гадаєте, чим це можна пояснити?
