Как считать связи в органической химии. Типы химических связей в органических соединениях

Размещение электронов на орбиталях внешнего слоя

Валентных электронов у атома серы 6. Поэтому, ceра может образовывать до 6 валентных связей. Атом серы имеет больший радиус и потому проявляет меньшую электроотрицательность по сравнению скислородом. Степени окисления, которые может проявлять в окислительно-восстановительных реакциях: S 0 , S -2 , S +4 , S +6 .

Может образовывать несколько аллотропных видоизменений. Это ромбическая (октаэдрическая), пластическая и моноклиническая сера.Ромбическая сера является наиболее рас­пространенным аллотропным видоизменением серы. Это кристаллическое вещество лимонно-желтого цвета, кристаллизующееся в виде октаэдров. Плотность ромбиче­ской серы 2,07 г/см 3 . Пла­вится она при темпера­туре 112,8°, кипит при 444,6°, в воде не раствори­ма, но хорошо растворяет­ся в сероуглероде, бензоле и других органических растворителях. Темпера­тура воспламенения 360°.

Пластическая сера получается, если нагреть ромбическою серу почти до кипения и затем быстро вылить в стакан с холодной водой (рис. 50). Эта модификация серы об­ладает пластичностью в отличие от весьма хрупкой ромбической серы. Пластическая сера довольно быстро переходит в ромбическую. Пластическую серу, образующуюся при резком охлаждении расплавленной серы, иногда рассматривают как не успевшую сформироваться ромбическую серу.

Моноклиническая сера получается при медленном охлаждений расплавленной серы на воздухе. При этом образуются длинные нитевидные кристаллы, которые при стоянии тоже превращаются в октаэдры.
Существование электронных видоизменений у серы объясняется различием кристаллических структур. Если октаэдрическая сера имеет молекулы в виде, восьмичленных колец, молекулы пластической серы- длинные, беспорядочно расположенные цепочки разной величины. Моноклиническая сера близка по структуре к октаэдрической.

■ 65. Что такое аллотропия и аллотропные видоизменения?
66. Чем вызывается возникновение аллотропных видоизменений?

В химическом отношении сера является активным веществом. Она довольно легко реагирует со. многими металлами. Во всех случаях образуются , например при нагревании с алюминиевым или цинковым порошком.
Если растирать металлический в ступке с серой, между ними происходит реакция, сопровождающаяся вспышками и резким звуком. Опыт следует Проводить в защитных очках, обернув руку полотенцем, и с очень малыми количествами веществ.
При пропускании водорода через пары серы образуется (рис. 51).

■ 68. Напишите уравнения реакций серы с простыми веществами, о которых говорится в прочитанном отрывке, Являются ли эти реакции окислительно — восстановительными? Дайте обоснованный ответ.
69. Какова степень окисления серы в соединениях с водородом и металлами?
70. Какого типа в соединениях серы с металлами?.
71. Почему цинка и алюминия нельзя получить реакцией обмена в растворах?
72. Сколько сульфида железа (II) получится, если взято 30 г железа и 16 г серы и если взятое используется лишь на 90%?

Рис. 51. Прибор для наблюдения взаимодействия серы с водородом.
-1-водород; 2 - ; 3- пары серы; 4 - расплавленная сера.

Возможны и другие реакций, в результате которых сера приобретает положительные степени окисления. Обычно это бывает при непосредственном взаимодействии серы с кислородом - при горении серы:

S + О2 = SO2

Поскольку у кислорода величина электроотрицательности больше, чем у серы, в соединении SО2 сера проявляет степень окисления +4 и в данной реакции ведет себя как восстановитель. Более глубокое окисление воды до степени окисления +6 возможно при образовании серного ангидрида. В присутствии катализатора при температуре 400-500° двуокись серы окисляется кислородом, образуя серный ангидрид:

2SО2 + О2=2SО3

Сера цвет

Несмотря на высокую химическую активность, сера довольно широко встречается в виде минерала, который называется самородной серой. Это почти исключительно ромбическая сера. Прочие аллотропные видоизменения серы в природе не встречаются, химически чистая сера имеет лимонно-желтый цвет, аналогично такую же окраску имеет вулканическая серо, но при условии, что в ее состав не входят другие или ().

Сера обычно вкраплена в различные горные породы, из которых довольно легко может быть выплавлена. чаще всего имеет вулканическое происхождение. Богаты Самородной серой Кавказ, пустыня Кара-Кум, Керченский полуостров, Узбекистан.

Сера встречается также в виде сернистых металлов «г-сульфидов ( FeS2, цинковая обманка ZnS, свинцовый блеск PbS), в виде сульфатов (глауберова соль Na2SO4 · 10H2O, CaSО4·2H2О). Сера входит в состав некоторых белков. Для того чтобы извлечь серу из породы, ее выплавляют в автоклавах Действием перегретого водяного пара при 150-160°. Полученную расплавленную серу рафинируют (очищают) возгонкой. Если ее расплавить и разлить по деревянным формочкам, то она затвердевает в виде палочек. Такую серу называют черенковой.

Рис. 52. Применение серы

Иногда серу выливают в большую форму, а после затвердевания раскалывают на мелкие бесформенные куски. Такая сера называется комовой. Наконец, серу можно получить в виде мелкого распыленного порошка - так называемого серного цвета.

Свободная сера применяется главным образом в производстве серной кислоты, а также в бумажной промышленности, для вулканизации каучука, в производстве красителей, в сельском хозяйстве для опыления и окуривания винограда и хлопчатника, в производстве спичек (рис. 52). В медицине сера используется в виде мазей вместе с другими веществами против чесотки и других кожных заболеваний. Чистая сера не ядовита.

■ 73. Перечислите химические свойства серы я укажите, в чём сходство и в чем различие серы и кислорода.

Соединения двухвалентной серы

Двухвалентная сера образует соединения с водородом ( H2S) и металлами (сульфиды Na2S, FeS). Сульфиды можно рассматривать как производные сероводорода, т. е. соли сероводородной кислоты.
Сероводород . Молекула сероводорода построена по полярному типу связи:

Общие электронные пары сильно смещены в сторону атома, серы как более электроотрицательного.
Сероводород-газ тяжелее воздуха, с резким неприятным запахом тухлых яиц. Этот газ очень ядовит. Наши органы обоняния весьма чувствительны к сероводороду. При наличии 1/2000 части сероводорода в воздухе может наступить потеря обоняния. Хроническое отравление сероводородом в малых дозах вызывает исхудание, головные, боли. В случае более сильных отравлений через некоторое время может наступить обморок, а очень сильные концентрации вызывают смерть от паралича дыхания. При отравлениях сероводородом необходимо вынести рольного на свежий воздух и дать ему вдыхать небольшие количества хлора, а также чистый . Предельно допустимая концентрация сероводорода в рабочем помещении 0,01 мг/л.

Сероводород переходит в жидкое состояние при температуре -60°. Он хорошо растворяется в воде, образуя при этом сероводородную воду H2Saq или, как ее еще называют, сероводородную кислоту.
Сероводород - один из лучших восстановителей. Он легко восстанавливает бромную и хлорную воду вбромисто водородную или соляную кислоту:

При этой реакции S(-2) окисляется до» нейтральной серы S(0).
Сероводород горит. При достаточном доступе воздуха (рис. 53,а) происходит полное сгорание по уравнению:

В этом случае S(-2) окисляется до S(+4), происходит отдача 6 электронов), а восстанавливается с О(0) до О(-2). Если
доступ воздуха недостаточный или если в пламя сероводорода внести холодный предмет (рис. 53,6), то происходит неполное сгорание по уравнению:
2H2S + О2 = 2S + 2H2O

■ 74. Назовите меры первой помощи при отравлениях сероводородом.
75. Почему сероводородную кислоту часто называют
сероводородной водой?
76. При смешивании йодной воды с сероводородной происходит обесцвечивание и помутнение раствора. Чем это объяснить?
77. Возможно ли для S(-2) проявление окислительных свойств?

В лаборатории сероводород получают в аппарате Киппа при взаимодействии сульфида железа (или сульфида натрия) с разбавленной серной кислотой:
FeS + H2SO4 = FeSО4 + H2S

Рис. 53. Горение сероводорода при полном доступе воздуха (а) и при неполном доступе воздуха (б).

Сероводород, растворяясь в воде, образует слабую сероводородную кислоту, диссоциирующую двухступенчато:

H2S ⇄ Н + + HS — ⇄ 2Н + + S 2-

Вторая ступень протекает в незначительной степени.
Сероводородная кислота не может храниться в лаборатории длительное время вследствие своей неустойчивости. Она постепенно мутнеет в результате выделения свободной серы:
H2S = H2 + S
В окислительно-восстановительных реакциях сероводородная кислота Ведет себя как типичный восстановитель, например:

H2S + К2Cr2O7 + H2SO4 → (S 0 ; Cr +3)

Уравнение этой окислительно-восстановительной реакции закончите самостоятельно.
Сероводород применяется в аналитической химии.
Сероводородная кислота проявляет общие свойства кислот. Правда, не все свойства кислот удается наблюдать на ней. Например, такие , как , с ней не реагируют, а и , попадая в сероводородную, кислоту, реагируют не с ней, а с имеющейся там водой, образуя щелочь, которая затем может вступить в реакцию с сероводородной кислотой.

Так как это кислота двухосновная, она может образовывать два ряда солей - сульфиды и гидросульфиды, или бисульфиды.
Средние соли сероводородной кислоты - сульфиды - нерастворимы в воде, кроме солей натрия и калия, и имеют различную окраску: сульфид свинца и железа - черную, цинка - белую, кадмия - желтую. Гидросульфиды хорошо растворимы в воде.
Реактивом на ион двухвалентной серы S 2- является ион кадмия Cd 2+ , который в соединении с ионом дает желтый, нерастворимый в воде осадок, например:

Cd(NO3)2 + H2S = CdS↓ + 2HNO3

Cd 2+ + S 2- = CdS

Сульфиды довольно легко гидролизуются по типу солей слабых кислот, поэтому обычно их получают прямым взаимодействием серы с металлом.

■ 78. Напишите уравнение реакции сероводородной кислоты с едким натром и объясните результат реакции, учитывая гидролиз соли в растворе.
79. В санитарно-гигиенических исследованиях для обнаружения В воздухе сероводорода пользуются очень чувствительной реакцией с растворимыми солями свинца. Что можно наблюдать при этой реакции в полной ионной и сокращенной ионной формах?

Соединения четырехвалентной серы

Соединение четырехвалентной серы - двуокись серы (сернистый газ) SО2. Двуокись серы тяжелее воздуха и имеет резкий неприятный запах. Молекула двуокиси серы построена также по ковалентному типу связи, полярность ее слабо выражена. При -10° и атмосферном давлении двуокись серы превращается в жидкость, а затвердевает при -73°. Она хорошо растворима в воде (на 1 объем воды 40 объемов двуокиси серы), при этом наряду с растворением происходит взаимодействие с водой по уравнению:

SO2 + Н2О H2SО3

Получающаяся сернистая кислота является весьма непрочной, поэтому реакция обратима.
Двуокись серы имеет большое промышленное значение. Ее получают обжигом серного колчедана FeS2 или серы:

4FeS2 + 11О2 = 2Fe2О3 + 8SО2 S + О2 = SО2

В лаборатории ее получают действием сильных кислот на соли сернистой кислоты, например действием серной кислоты на :

Na2SO3 + H2SO4 = Na2SО4 + Н2О + SO2

Двуокись серы можно получить разложением солей сернистой кислоты, например сульфита кальция CaSО3, при нагревании;

CaSО3 = СаО + SO2

Двуокись серы ядовита. При отравлениях ею появляются хрипота, одышка, иногда потеря сознания. Допустимая концентрация SО2 в воздухе равна 0,02 мг/л.
При взаимодействии с органическими красителями двуокись серы может вызвать их обесцвечивание, однако причина этого иная, чем при обесцвечивании хлором: не происходит окисления, а возникает бесцветное соединение SО2 с красителем, которое с течением времени разрушается и окраска красителя восстанавливается.

■ 80. Предложите чертежи приборов, с помощью которых можно получить двуокись серы: а) из сульфита натрия действием кислоты: б) прокаливанием сульфита кальция.
81. Двуокись серы, полученную при разложении 40 г сульфита кальция, пропустили через 500 г раствора баритовой воды Ва(ОН)2, в результате чего весь , находившийся в растворе, был осажден. Какова процентная баритовой воды, если 20% двуокиси серы, полученной при обжиге, теряется?
82. К какой группе окислов относится двуокись серы? Перечислите ее свойства, типичные для этой группы окислов. Подтвердите свой ответ уравнениями реакций.
83. Почему при пропускании SО2 через известковую воду возникает помутнение, как и при пропускании СО2?
84. Воздух имеет примесь двуокиси серы. Как освободить его от этой примеси?
85. Какой объем двуокиси серы может быть получен из 20 молей FeS2 при 80% выходе?
86. Через 200 мл 20% раствора едкого натра была пропущена двуокись серы до полного превращения едкого натра в сульфит (гидролиз не учитывать). Какова концентрация образовавшегося раствора сульфита натрия?

В связи с тем что степень окисления серы в двуокиси серы равна + 4, т. е. условно с внешнего уровня атома серы отдано 4 электрона, для него существуют две возможности: либо он может дополнительно отдать оставшиеся на внешнем слое 2 электрона и тогда проявит
свойства восстановителя, либо S(+4) может принять некоторое количество электронов и тогда будет проявлять окислительные свойства.
Например, в присутствии сильного окислителя S (+4) ведет себя как восстановитель.

Вr2 + Н2О + SO2 → H2SO4 + НВr
КМnO4 + Н2O + SO2 → K2SO4 + MnSO4 + H2SO4
K2Cr2O7 + SO2 + H2SO4 → K2SO4 + Cr2(SO4)3 + H2O

Коэффициенты этих реакций найдите самостоятельно.
Особое значение имеет окисление двуокиси серы кислородом в присутствии катализатора V2O5 или Pt при температуре 400-500°, в результате чего образуется серный ангидрид:
2SO2 + О2 = 2SO3
Этот процесс широко используется в производстве серной кислоты контактным способом.

В присутствии сильных восстановителей, например сероводорода, S (+4)ведет себя как : H2SO3+ H2S → Н2O + S

Найдите, составив электронный баланс, коэффициенты для данного уравнения.

■ 87. Запишите в тетрадь физические и химические свойства двуокиси серы, отметив как реакции, протекающие без изменения степеней окисления, так и окислительно-восстановительные.
88. Каково физиологическое действие двуокиси серы?

Как было уже сказано, при растворении двуокиси серы в воде образуется сернистая кислота.
Сернистая кислота - кислота средней силы. Она диссоциирует двухступенчато:

H2SO3 ⇄ 2 Н + + HSO 3 — ⇄ 2Н+ + SO 2 3 —

Сернистая кислота нестойкая, быстро разлагается на двуокись серы и воду:
H2SO3 ⇄ H2O + SO2

Поэтому провести, например, реакцию с металлами более активными, чем , с сернистой кислотой нельзя.
Будучи двухосновной, сернистая кислота может образовывать два ряда солей: средние - сульфиты и кислые - гидросульфиты. Все сульфиты являются нерастворимыми солями, за исключением сульфитов щелочных металлов и аммония. У гидросульфитов несколько выше. Эти соли могут разлагаться под действием более сильных кислот:
Na2SOs + H2S04 = Na2SО4 + Н2О + SO2

2NaHSО3 + H2SO = Na2SО4 + 2H2О + 2SO2
При действии кислот на сульфиты выделяется двуокись серы, обладающая неприятным запахом. Этой реакцией пользуются для того, чтобы отличить соли сернистой кислоты от карбонатов, которые ведут себя аналогично, но двуокись углерода запаха не имеет.
Сульфиты довольно легко подвергаются гидролизу.

Соединения шестивалентной серы

Как уже упоминалось, при окислении двуокиси серы образуется серный ангидрид SО3- соединение шестивалентной серы. При образовании молекулы серного ангидрида в образовании валентных связей участвуют все валентные электроны серы, как s -,так и р -орбиталей. Степень окисления +6 для, серы является максимальной положительной. Поэтому S +6 никогда не может вести себя как восстановитель.
Серный ангидрид - белое кристаллическое вещество. Температура плавления его 17°, температура кипения 45°. Серный ангидрид настолько гигроскопичен, что хранить его в обычной посуде нельзя. Его хранят в запаянных стеклянных ампулах.
Серный ангидрид - кислотный окисел, обладающий всеми типичными свойствами этой группы веществ. В частности, он может реагировать с водой, образуя серную кислоту:

SО3 + Н2О = H2SО4

■ 89. Напишите самостоятельно уравнения реакций серного ангидрида с основаниями и с основными окислами.

Серный ангидрид является сильным окислителем. Наиболее важным соединением шестивалентной серы является H2SО4. Она принадлежит к числу сильных кислот. двухосновная и диссоциирует двухступенчато:
H2SО4 ⇄ Н + + HSО 4 — ⇄ 2Н + + SO 2 4 —

Жидкость почти вдвое тяжелее воды. Ее плотность при обычных условиях 1,84. Серная кислота затвердевает при 10°, 95% раствор ее кипит, при 338°. Запаха и цвета серная кислота не имеет. С водой она смешивается в любых соотношениях. Растворение серной кислоты в воде сопровождается выделением большого количества тепла, которое может привести даже к закипанию раствора, поэтому при смешивании серной кислоты с водой рекомендуется наливать серную кислоту в воду, а не наоборот. В противном случае первые порции воды могут закипеть и разбрызгать капли раствора серной кислоты, которые могут причинить сильные ожоги. Серная кислота - жидкость едкая, поэтому следует избегать попадания ее на кожу и одежду. В случае попадания необходимо быстро смыть ее большим количеством воды, а затем нейтрализовать раствором соды.

Это понятие широко распространено в природе. К примеру, кислород и озон - это вещества, состоящие только из химического элемента оксигена. Как это возможно? Давайте разбираться вместе.

Определение понятия

Аллотропией называют явление существования одного химического элемента в виде двух или более простых веществ. Его открывателем по праву считается химик и минеролог из Швеции Йенс Берцелиус. Аллотропия - это явление, которое имеет много общего с полиморфизмом кристаллов. Это вызвало долгие споры среди ученых. В настоящее время они пришли к мнению, что полиморфизм характерен только для твердых простых веществ.

Причины аллотропии

Образовывать несколько простых веществ могут не все химические элементы. Способность к аллотропии обусловлена строением атома. Чаще всего она встречается у элементов, имеющих переменное значение степени окисления. К ним относятся полу- и неметаллы, инертные газы и галогены.

Аллотропия может быть обусловлена несколькими причинами. К ним относится разное количество атомов, порядок их соединения в молекулу, параллельность спинов электронов, тип кристаллической решетки. Рассмотрим данные виды аллотропии на конкретных примерах.

Кислород и озон

Данный вид аллотропии - пример того, как разное количество атомов одного химического элемента определяет физические и химические Это касается и физиологического влияния на живые организмы. Так, кислород состоит из двух атомов оксигена, озон - из трех.

В чем же отличия этих веществ? Оба они газообразны. Кислород не имеет цвета, вкуса и запаха, он в полтора раза легче озона. Это вещество хорошо растворяется в воде, причем с понижением температуры скорость этого процесса только увеличивается. Кислород необходим всем организмам для дыхания. Поэтому это вещество является жизненно важным.

Озон имеет голубой цвет. Его характерный запах ощущал каждый из нас после дождя. Он резкий, но довольно приятный. По сравнению с кислородом, озон более химически активен. В чем же причина? При разложении озона образуется молекула кислорода и свободный атом оксигена. Он тут же вступает в образуя новые вещества.

Удивительные свойства углерода

А вот количество атомов в молекуле углерода всегда остается неизменным. При этом он образует абсолютно разные вещества. Самыми распространенными модификациями углерода являются алмаз и графит. Первое вещество считается самым твердым на планете. Это свойство обусловлено тем, что атомы в алмазе связаны прочными ковалентными связями по всем направлениям. В совокупности они образуют трехмерную сеть из тетраэдров.

У графита прочные связи формируются только между атомами, расположенными в горизонтальной плоскости. По этой причине разломать графитовый стержень вдоль практически невозможно. А вот связи, которые соединяют горизонтальные слои углерода между собой, очень слабые. Поэтому каждый раз, когда мы проводим простым карандашом по бумаге, на ней остается серый след. Это и есть слой углерода.

Аллотропия серы

Причина модификаций серы также заключается в особенностях внутренней структуры молекул. Самой устойчивой формой является ромбическая. Кристаллы этого вида аллотропии серы называют ромбоидальными. Каждый из них образован коронообразными молекулами, в состав каждой из которой входит 8 атомов. По физическим свойствам ромбическая сера является твердым веществом желтого цвета. Она не только не растворяется в воде, но даже не смачивается ею. Показатели тепло- и электропроводности очень низкие.

Структура моноклинной серы представлена параллелепипедом со скошенными углами. вещество напоминает иглы темно-желтого цвета. Если серу расплавить, а потом поместить в холодную воду, образуется ее новая модификация. Ее первоначальная структура разрушится до полимерных цепей разной длины. Так получают пластическую серу - резиноподобную массу коричневого цвета.

Модификации фосфора

Ученые насчитывают 11 видов фосфора. Его аллотропия была открыта практически случайно, как и само это вещество. В поисках философского камня алхимик Бранд получил светящуюся сухую субстанцию в результате выпаривания мочи. Это был белый фосфор. Данное вещество характеризуется большой химической активностью. Достаточно повышения температуры до 40 градусов, чтобы белый фосфор вступил в реакцию с кислородом и воспламенился.

Для фосфора причина аллотропии - это изменение в структуре кристаллической решетки. Изменить ее можно только при определенных условиях. Так, увеличив давление и температуру в атмосфере углекислого газа, получают красный фосфор. Химически он менее активен, поэтому для него не характерно свечение. При нагревании он превращается в пар. Мы наблюдаем это каждый раз, зажигая обычные спички. Терочная поверхность как раз содержит красный фосфор.

Итак, аллотропия - одного химического элемента в виде нескольких простых веществ. Чаще всего встречается среди неметаллов. Основными причинами этого явления считаются разное количество атомов, образующих молекулу вещества, а также изменение конфигурации кристаллической решетки.