Хімія. Рівень стандарту. 11 клас. Лашевська

§ 21. Оксиди неметалічних елементів, їхній уміст в атмосфері. Кислотні дощі

Після опрацювання цього параграфа ви зможете:

  • називати кислотні оксиди за систематичною номенклатурою;
  • складати рівняння реакцій, які характеризують хімічні властивості та добування кислотних оксидів;
  • пояснювати антропогенні й природні причини появи в атмосфері оксидів неметалічних елементів;
  • висловлювати судження щодо екологічних наслідків викидів в атмосферу оксидів Карбону, Нітрогену, Сульфуру; кислотних дощів.

Оксиди неметалічних елементів досить добре відомі вам з повсякденного життя. Гідроген оксид - головний складник нашого організму. Карбон(ІV) оксид - продукт газообміну в легенях людини й сировина для фотосинтезу глюкози й крохмалю рослинами. Карбон(ІІ) оксид - надзвичайно небезпечна сполука, унаслідок отруєння якою під час пожеж гинуть люди. Різкий характерний запах сульфур(ІV) оксиду відчували ті, хто запалював сірника. І чи не кожний чи кожна з вас загоряли на пляжах, устелених безліччю дрібних кристаликів силіцій(ІV) оксиду.

Запишіть хімічні формули оксидів, назви яких наведено в попередньому абзаці. Зазначте ступені окиснення хімічних елементів у них.

Здебільшого неметалічні елементи утворюють по декілька оксидів (наведіть кілька прикладів). Продуктами реакцій багатьох оксидів неметалічних елементів з водою є кислоти (доповніть наведені далі схеми хімічних реакцій):

SO2 + Н2О ⇄ ...;

Ν2Ο5 + Н2О → ... .

Ви, напевно, звернули увагу, що елемент Е кислотного оксиду ЕхОу під час утворення кислоти переходить до складу аніона. Те саме відбувається й під час утворення солей у реакціях з лугами, основними оксидами та деякими солями. Так, під дією карбон(ІV) оксиду вапняна вода - прозорий насичений розчин кальцій гідроксиду - стає каламутною внаслідок утворення кальцій карбонату:

СО2 + Са(ОН)2 = ...↓ + Н2О (рис. 21.1.1).

Сплавлянням кварцового піску з лугом можна добути натрій силікат - так зване розчинне скло (рис. 21.1.2):

Рис. 21.1. 1. Пропускання карбон(ІV) оксиду крізь вапняну воду. 2. Розчинне скло - водний розчин продукту сплавляння силіцій(ІV) оксиду з натрій гідроксидом

Класифікуйте ці реакції за кількістю реагентів і продуктів, перетворіть схему реакції силіцій(ІV) оксиду з натрій гідроксидом на хімічне рівняння. Наведіть ще кілька прикладів на підтвердження зазначеного вище.

Кислотні оксиди реагують з основними оксидами, а нелеткі кислотні оксиди під час сплавляння витісняють із солей леткі оксиди (перетворіть наведені далі схеми реакцій на хімічні рівняння):

Способи добування кислотних оксидів вам також відомі, ви самостійно зможете їх схарактеризувати (зробіть це), проаналізувавши наведені далі схеми хімічних реакцій, перетворивши їх на хімічні рівняння та класифікувавши за кількістю реагентів і продуктів та з погляду окиснення-відновлення1:

1 Які саме схеми реакцій опрацювати, вам порадить учитель або вчителька хімії.

Які з наведених схем реакцій описують загальні методи добування кислотних оксидів, а які - особливі? Які з них, на вашу думку, наведено лише для ознайомлення та застосування вже сформованих умінь?

Кислотні опади - одна з нагальних екологічних проблем сьогодення - утворюються внаслідок гідратації кислотних оксидів, які містяться в повітрі. Наприклад, карбон(ІV) оксид - один з його складників - розчиняється у воді та взаємодіє з нею під час формування й випадіння дощових крапель:

СO2 + Н2O ⇄ ... .

Продукт цієї реакції - слабка карбонатна кислота - зумовлює слабкокислу реакцію дощової води. Показник pH чистого дощу, який проходить крізь незабруднене повітря, у момент удару об землю становить 5,6 (порівняйте зі значенням показника pH дистильованої води).

Унаслідок вулканічної діяльності в повітря надходить сульфур(ІV) оксид. Під упливом електричних розрядів блискавки з азоту та кисню повітря утворюється нітроген(ІІ) оксид, який окиснюється до нітроген(ІV) оксиду (складіть рівняння цих реакцій).

Цікаво і пізнавально

Усі разом вулкани щороку викидають в атмосферу Землі від 20 до 35 млн тонн сульфур(ІV) оксиду. Це вдвічі менше від того обсягу, який потрапляє туди внаслідок людської діяльності.

Розкладання органічних решток унаслідок життєдіяльності мікроорганізмів також є джерелом надходження в атмосферу кислотних оксидів Карбону, Сульфуру, Нітрогену. Продукти їхньої гідратації підкислюють опади - дощі, сніги, тумани тощо.

Цікаво і пізнавально

На кисле середовище дощової води ще 1684 року звернув увагу англійський хімік і фізик Роберт Бойль. Термін «кислотний дощ» виник два століття потому, коли британські науковці зауважили, що забруднення повітря в промислово розвинутій центральній частині країни є причиною істотного підвищення кислотності опадів.

Небезпеку збільшення викидів кислотних оксидів техногенного походження (рис. 21.2) людство збагнуло лише в другій половині минулого століття.

Рис. 21.2. Спалювання вугілля, нафти та нафтопродуктів на теплових електростанціях, у двигунах внутрішнього згоряння - джерела техногенного забруднення повітря кислотними оксидами

Цікаво і пізнавально

За даними Guardian, один великий круїзний лайнер викидає в атмосферу вуглекислого газу стільки само, як 83 тисячі автомобілів, оксидів Нітрогену - як 421 тисяча автомобілів, твердих дрібних частинок - як мільйон автомобілів і діоксиду Сульфуру - як 376 мільйонів автомобілів з двигуном внутрішнього згоряння.

Змоделюймо утворення кислотного дощу й дослідімо його вплив на об’єкти живої та неживої природи. Дослід виконуватимемо у витяжній шафі (поміркуйте чому). Зріжемо зі свіжого яблука смужку шкірки й покладемо її до порожньої термостійкої колби. Заповнимо ложечку для спалювання речовин на половину її об’єму сіркою. Запалимо сірку, зануримо ложечку в колбу й закриємо, наскільки це можливо, скляною пластинкою отвір посудини. Коли дим заповнить колбу, виймемо ложечку, повністю закриємо отвір колби скляною пластинкою й так само заповнимо сульфур(ІV) оксидом іншу, порожню колбу. Потім загасимо полум’я сірки в склянці з водою.

Через певний час ми побачимо, що шкірка яблука втратила пружність, стала зморшкуватою. Змінився також її колір - він утратив інтенсивність, наче «вицвів». Очевидно, сульфур(ІV) оксид «відняв» у яблучної шкірки воду й прореагував з рослинними барвниками, які містилися в її клітинах.

Зробіть висновок щодо впливу кислотних оксидів і продуктів їхньої гідратації на рослини.

Цікаво і пізнавально

Рослини виявляють різну чутливість до сірчистого газу - сульфур(ІV) оксиду. Найчутливішими серед них є ялина та сосна, найменш чутливими - береза та дуб. З-поміж квітів найчутливіша до дії цього кислотного оксиду - троянда.

Добавимо в другу колбу дистильованої води об’ємом 10 мл, закоркуємо її та кілька разів струсимо. Помістимо краплю води зі змішаною бактеріальною культурою на предметне скло під мікроскоп. Піпеткою точнісінько в краплю з бактеріальною культурою добавимо три краплі рідини з колби. Під її впливом бактерії гинуть (поміркуйте, які ознаки мають свідчити про це).

Зробіть висновок щодо впливу кислотних дощів на ґрунтові бактерії.

За зміною забарвлення універсального індикаторного папірця (якого кольору він набуває?) можна зробити висновок про те, що у водному розчині продукту гідратації сульфур(ІV) оксиду є катіони Гідрогену. Наслідком дії цього розчину на шматочок магнієвої стрічки є «розчинення» магнію та виділення бульбашок водню:

+ + Mg0 = Mg2+ + H2↑.

Складіть два молекулярні рівняння, що відповідають цьому скороченому йонному.

Аналогічні зміни відбуваються з кусочками мармуру, адже продуктами реакції є розчинна у воді сіль і газуватий карбон(ІV) оксид:

+ + СаСО3 = Са2+ + CO2↑ + Н2О.

Рис. 21.3. Руйнівна дія кислотних опадів на об’єкти живої та неживої природи. 1. Мертвий ліс у Норвегії. 2. Мармуровий мавзолей-мечеть Тадж-Махал в Індії через кислотні дощі втрачає білосніжність

1. Складіть два молекулярні рівняння, що відповідають цьому скороченому йонному. 2. Роздивіться рисунок 21.3 і зробіть висновок щодо впливу кислотних дощів на рослини та історичні будівлі з мармуру та вапняку.

Звісно, тими ситуаціями, які ми змоделювали в лабораторних умовах, негативний уплив кислотних дощів не вичерпано. Унаслідок цього техногенного лиха підвищується кислотність ґрунтів - вони втрачають родючість, зменшується біологічне різноманіття видів організмів. Наприклад, неприродне підвищення вмісту катіонів Гідрогену у водоймах негативно впливає на здатність риб розмножуватися, призводить до їхньої масової загибелі.

Від кислотних опадів потерпають люди - кислотні оксиди Сульфуру й Нітрогену не лише подразнюють дихальні шляхи, слизові оболонки, руйнують зубну емаль, а й спричиняють хронічне отруєння організму та, як наслідок, зниження імунітету.

Кислотні опади вимивають з гірських порід, ґрунтів, донних покладів катіони Алюмінію, важких металічних елементів, зокрема Меркурію. Унаслідок цього вони стають складниками ланцюгів живлення, що призводить до хронічного, а трапляється, і гострого отруєння організмів.

Як запобігти утворенню кислотних опадів і компенсувати наслідки їхньої руйнівної дії? Частково зарадити лиху можна очищенням палива від домішок сульфуровмісних сполук, а продуктів спалювання - від кислотних оксидів. Якщо спалювання здійснювати за нижчих температур, зменшується утворення оксидів Нітрогену. Для очищення від них ефективним є каталітичне відновлення за участю амоніаку1 (використавши метод електронного балансу, перетворіть наведені далі схеми реакцій на хімічні рівняння):

1 Інформацію наведено для ознайомлення та опрацювання, а не для запам’ятовування.

1. Проаналізуйте склад продуктів двох реакцій, рівняння яких наведено вище, і поясніть, чому цей спосіб видалення домішок оксидів Нітрогену є екологічно чистим. 2. Складіть рівняння реакцій сульфур(IV) оксиду з: а) кальцій оксидом; б) кальцій гідроксидом; в) калій карбонатом.

Перехід на альтернативні екологічно чисті джерела енергії (назвіть їх), використання енергозберігальних технологій на виробництві і в побуті - найефективніші заходи запобігання утворенню кислотних опадів.

Цікаво і пізнавально

Виявлено, що пліснявий гриб Stachybotrys chartarum видаляє від 65 % до 76 % сірки із сирої нафти за 30 °С. Новий процес не потребує використання високої температури та великих витрат енергії https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ie800494p.

Поясніть значення цього відкриття в контексті збалансованого розвитку людства.

https://www.youtube.com/watch?v=ynz93H1_2as

https://www.youtube.com/watch?v=1PDjVDIrFec&t=49s

https://www.youtube.com/watch?v=Z5Db5ranTXw

https://www.youtube.com/watch?v=Y6bSKI_o0y8

https://www.youtube.com/watch?v=ccQoSl5buQ4

ПРО ГОЛОВНЕ

• Алгоритм складання назв оксидів за систематичною номенклатурою:

назва хімічного елемента + його валентність1 + оксид.

Приклади: карбон(ІV) оксид, сульфур(VІ) оксид.

• Якщо оксиду неметалічного елемента відповідає кислота - він кислотний, якщо ні - несолетворний.

• Кислотні оксиди добувають спалюванням простих і складних речовин, термічним розкладанням оксигеновмісних кислот та деяких їхніх солей, реакцією обміну між солями й кислотами, солями та кислотними оксидами.

• Продукт реакції кислотного оксиду з водою - кислота, з лугом - сіль і вода, з основним оксидом - сіль.

• Кислотні опади - одна з нагальних екологічних проблем сьогодення.

1 Для хімічних елементів зі змінною валентністю.

Перевірте себе

  • 1. Перетворіть розповідні речення з рубрики ПРО ГОЛОВНЕ на запитальні. Чи можете ви відповісти на ці запитання без допомоги підручника?

Застосуйте свої знання й уміння

  • 2. Учнівство одинадцятого класу посперечалося. Одні стверджували: щоби вберегти ґрунти від упливу кислотних дощів, достатньо істотно збільшити висоту заводських труб, що викидають кислі промислові гази. Інші заперечували - це не розв’яже проблеми. А як уважаєте ви? Аргументуйте свою думку.
  • 3. Учнівство одинадцятого класу не могло дійти згоди щодо кислотних опадів. Одні вважали, що найбільша концентрація катіонів Гідрогену в тумані, другі - у дощі, треті - у хмарах. Долучіться до їхньої дискусії та розташуйте опади за зростанням кислотності. Аргументуйте свою думку.
  • 4. Поміркуйте й поясніть, чому озера та річки, розташовані на вапняках, менш зазнають упливу кислотних опадів, ніж ті, що розташовані на гранітах та гнейсах, які переважно складаються з алюмосилікатів.
  • 5. Обчисліть: а) об’єм (м3) сульфур(ІV) оксиду(н. у.), який утворився внаслідок згоряння кам’яного вугілля масою 2 т, масова частка Сульфуру в якому - 6,4 %; б) масу (т) вапняку, необхідного для очищення від сульфур(ІV) оксиду продуктів спалювання кам’яного вугілля масою 10 т, масова частка Сульфуру в якому - 3,2 %; в) об’єм (м3) амоніаку, необхідного для каталітичного відновлення суміші об’ємом 1000 м3, яка складається з нітроген(ІІ) оксиду й нітроген(ІV) оксиду. Об’ємна частка нітроген(ІІ) оксиду в суміші становить 40 % (об’єми всіх газів виміряно за однакових умов).

Творча майстерня

  • 6. Намалюйте комікс, за допомогою якого можна доступно пояснити актуальність проблеми кислотних дощів.
  • 7. Тележурналісту та тележурналістці, які проходять стажування, запропонували підготувати сюжет про проблему кислотних дощів для оптимістично зорієнтованої передачі «Добрі новини». Чи реально виконати таке завдання? Випробуйте себе в цій ролі та напишіть сценарій передачі.
  • 8. Складіть перелік ваших простих щоденних дій, які сприятимуть зменшенню утворення кислотних опадів.