Билет №22.

В-1. Промышленный способ получения серной кислоты. Экологические проблемы.

Сырьём для получения серной кислоты служат сера, сульфиды металлов, сероводород, отходящие газы теплоэлектростанций, сульфаты железа, кальция и др. Основные стадии получения серной кислоты:

1. Обжиг сырья с получением SO₂

2. Окисление SO₂ в SO₃

3. Абсорбция SO₃

В промышленности применяют два метода окисления SO₂ в производстве серной кислоты: контактный — с использованием твердых катализаторов (контактов), и нитрозный — с оксидами азота. Ниже приведены реакции по производству серной кислоты из минерала пирита на катализаторе — оксиде ванадия (V).

1. 4FeS₂ + 11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂

2. 2SO₂ + O₂ (V₂O₅) → 2SO₃

3. SO₃ + H₂O → H₂SO₄

При реакции SO₃ с водой выделяется огромное количество теплоты и серная кислота начинает закипать с образованием "туманов" SO₃ + H₂O = H₂SO₄ + Q Поэтому SO₃ смешивается с H₂SO₄, образуя раствор SO₃ в 91% H₂SO₄ – олеум. Получение серной кислоты (т.н. купоросное масло) из железного купороса - термическое разложение сульфата железа (II) с последующим охлаждением смеси

1. 2FeSO₄·7H₂O→Fe₂O₃+SO₂+H₂O+O₂

2. SO₂+H₂O+O₂ ⇆ H₂SO₄

Экологические проблемы связаны с получением газообразных SO₂ и SO₃ .

В-2. Взаимное влияние атомов в молекулах органических веществ.

В органической химии известно огромное количество фактов, которые с несомненностью указывают на то, что атомы в молекулах или группы атомов взаимно влияют друг на друга. Различают взаимное влияние непосредственно связанных атомов и взаимное влияние атомов, непосредственно между собою не связанных. Вопрос о взаимном влиянии атомов, в том числе непосредственно не связанных, впервые принципиально поставил А. М. Бутлеров. Так, в молекуле жирной кислоты есть цепочка из метиленовых групп СН₂, которая на одном конце заканчивается метильной группой –СН₃, а на другом – карбоксильной группой –СООН. В кристалле эти цепи образуют параллельные цепочки, при этом две соседние карбоксильные группы притягиваются друг к другу за счет водородных связей гораздо сильнее, чем две метильные или метиленовые группы соседних молекул. В результате межмолекулярных взаимодействий молекулы карбоновых кислот образуют в кристаллах парные слои, в которых карбоксильные группы направлены навстречу друг другу. Углеводородные же цепи располагаются наклонно относительно плоскости, разделяющей два соседних слоя, как показано на рисунке. При этом угол наклона цепей зависит от четности молекулы, т.е. от того, «смотрят» ли концевые группы СН₃ и СООН в одну или в разные стороны относительно оси молекулы (от этого зависит «удобство» упаковки цепей). Разный угол наклона цепей приводит к разной энергии взаимодействия между слоями четных и нечетных кислот. Объясняется это тем, что в зависимости от этого угла между карбоксильными группами возможно образование одной или двух водородных связей, как это показано на рисунке. Лишняя водородная связь, да еще умноженная на огромное число молекул в слое, существенно упрочняет кристаллическую решетку.

Билет №23.

В-1. Причины многообразия органических и неорганических веществ, взаимосвязь.

При изучении неорганических веществ было установлено их многообразие. Действительно, все элементы периодической системы способны к взаимному соединению в самых различных сочетаниях. При этом образуются как простые, так и сложные вещества. Для многих простых веществ известны их аллотропные формы существования: углерод — в форме графита и алмаза и т.д. В настоящее время известно около 400 аллотропных видоизменений простых веществ. Многообразие сложных веществ обусловлено их различным качественным и количественным составом. Например, известно для азота пять форм оксидов: N2O, NO, N2O3, NO2, N2O5; для водорода две формы: Н2О и Н2О2 и др. С точки зрения теории строения атома количественный состав неорганических соединений определяется количеством электронов в электронной оболочке атома и количеством протонов и нейтронов в атомном ядре. Так, установлено существование разновидностей атомов химических элементов, ядра которых при одном и том же заряде обладают различной массой. Такие разновидности атомов названы изотопами. Например, для атомов калия известны три изотопные разновидности: 3919K; 4019K; 4119K. Итак, явления аллотропии и изотопии служат формами проявления многообразия неорганических соединений. Органических веществ в настоящее время описано около двух миллионов, и ежегодно ученые-химики всего мира синтезируют около 30000 новых веществ, в то время как неорганических веществ насчитывается несколько сотен тысяч. В этой связи возникает вопрос: как объяснить такое многообразие органических веществ? Объясняется это следующим. Так как в состав молекул органических веществ в качестве обязательного элемента входит углерод, то, очевидно, он и определяет многообразие, свойства и особенности органических веществ. Углерод в периодической системе занимает положение между типичными металлами и неметаллами. Как по отношению к кислороду, так и к водороду он одинаково четырехвалентен. Его атомы способны соединяться с атомами большого числа других химических элементов. Химические связи в молекулах органических соединений преимущественно ковалентные. В состав молекул органических соединений входит водород, связь которого с атомом углерода ковалентна, а также кислород, азот, сера и другие элементы. Атомы водорода, непосредственно связанные с атомом углерода С—Н, менее реакционноспособны, чем связанные с кислородом или азотом: О—Н, N—Н и др. Поэтому химические превращения органических соединений в сравнении с неорганическими протекают значительно медленнее.

В-2. Получение спиртов из предельных и непредельных углеводородов.

Занимая одну из центральных позиций в органической химии, спирты могут быть получены из множества других соединений. На практике в качестве исходных веществ для синтеза спиртов наиболее часто используют: алкилгалогениды — щелочной гидролиз или реакция с супероксидом калия; алкены — кислотная гидратация или гидроборирование с последующим окислением, а также промышленные методы оксо-синтеза. Получении метанола: До 1960-х годов метанол синтезировали только на цинкхромовом катализаторе при температуре 300—400 °C и давлении 25—40 МПа (= 250—400 Бар = 254,9—407,9 кгс/см²). Впоследствии распространение получил синтез метанола на медьсодержащих катализаторах (медьцинкалюмохромовом, медь-цинкалюминиевом или др.) при 200—300 °C и давлении 4—15 МПа (= 40—150 Бар = 40,79—153 кгс/см²). Современный промышленный метод получения — каталитический синтез из оксида углерода(II) (CO) и водорода (2H₂) при следующих условиях: температура — 250 °C, давление — 7МПа (= 70 Бар = 71,38 кгс/см²), катализатор — смесь ZnO (оксид цинка) и CuO (оксид меди(II)). До промышленного освоения каталитического способа получения метанол получали при сухой перегонке дерева (отсюда его название «древесный спирт»). В данное время этот способ имеет второстепенное значение. Также известны схемы использования с этой целью отходов нефтепереработки, коксующихся углей. CO₂ + 3H₂ <--> CH₃OH + H₂O + 49.53 кДж/моль

H₂O + CO <--> CO₂ + H₂ + 41.2 кДж/моль