Химия_Задачи и упражнения

прикоснуться цинковой, то на меди начинается бурное выделение водорода. Дайте этому объяснение, составив уравнения анодного и катодного процесса. Написать уравнение протекающей химической реакции.

18.4.Как происходит атмосферная коррозия луженого железа

илуженоймедипринарушениипокрытия? Составитьэлектронныеуравнения анодного и катодного процесса.

18.5.Если пластинку из чистого цинка опустить в разбавленную кислоту, то начавшееся выделение водорода вскоре почти прекращается. Однако при прикосновении к цинку медной палочкой на последней начинаетсябурноевыделениеводорода. Дайтеэтомуобъяснение, составивуравненияанодногоикатодного процесса. Написатьуравнение протекающей химической реакции.

18.6.В чемсущностьпротекторнойзащитыметалловоткоррозии? Привести примерпротекторной защиты железа вэлектролите, содержащем растворенный кислород. Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.7.Железное изделие покрыли никелем. Какое это покрытие: анодное иликатодное? Почему? Составитьуравненияанодногоикатодногопроцессакоррозииэтогоизделияпринарушениипокрытиявовлажномвоздухеихлороводородной(соляной) кислоте. Какиепродуктыкоррозии образуются в первом и втором случаях?

18.8.Составитьэлектронные уравненияанодного икатодного процесса с кислородной и водородной деполяризацией при коррозии пары магний – никель. Какие продукты коррозии образуются в первом и втором случаях?

18.9.В раствор хлороводородной (соляной) кислоты поместили цинковуюпластинкуицинковуюпластинку, частичнопокрытуюмедью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Ответ мотивируйте, составив электронные уравнения соответствующих процессов.

18.10.Почемухимическичистое железоболеестойко противкоррозии, чемтехническоежелезо? Составитьэлектронныеуравненияанодного и катодного процессов, происходящих при коррозии технического железа во влажном воздухе и в кислой среде.

18.11.Какое покрытие металла называется анодным и какое катодным? Назвать несколько металлов, которые могут служитьдля анодного и катодного покрытия железа. Составить электронные уравнения

анодного и катодного процессов, происходящих при коррозии железа, покрытого медью, во влажном воздухе и в кислой среде.

18.12.Железное изделие покрыли кадмием. Какое это покрытие: анодное иликатодное? Почему? Составитьуравненияанодногоикатодногопроцессакоррозииэтогоизделияпринарушениипокрытиявовлажномвоздухеихлороводородной(соляной) кислоте. Какиепродуктыкоррозии образуются в первом и втором случаях?

18.13.Железное изделие покрыли свинцом. Какое это покрытие: анодное иликатодное? Почему? Составитьуравненияанодногоикатодногопроцессакоррозииэтогоизделияпринарушениипокрытиявовлажномвоздухеихлороводородной(соляной) кислоте. Какиепродуктыкоррозии образуются в первом и втором случаях?

18.14.Две железные пластинки, частично покрытые одна оловом, другая медью, находятся во влажном воздухе. На какой из пластинок быстрее образуется ржавчина? Составить уравнения анодных и катодныхпроцессовкоррозииэтихпластинок. Каковсоставпродуктовкоррозии железа?

18.15.Какойметаллцелесообразнейвыбратьдляпротекторнойзащиты свинцовой оболочки кабеля: цинк, магний или хром? Почему? Составить уравнения анодных и катодных процессов атмосферной коррозии. Каков состав продуктов коррозии?

18.16.Если опустить в разбавленную серную кислоту пластинку из чистого железа, то выделение на ней водорода идет медленно и со временем почти прекращается. Однако, если цинковой палочкой прикоснутьсякжелезнойпластинке, тонапоследнейначинаетсябурноевыделение водорода. Почему? Какой металл при этом растворяется? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса.

18.17.Цинковую и железную пластинки опустили в раствор сульфата меди. Составить электронные и ионно-молекулярные уравнения реакций, происходящих на каждой из этих пластинок. Какие процессы будут происходить на пластинках, если наружные концы их соединить проводником?

18.18.Как влияет рН среды на скорость коррозии железа ицинка? Почему? Составить уравнения анодных и катодных процессов атмосферной коррозии этих металлов.

18.19.В раствор электролита, содержащий растворенный кислород, опустили цинковую пластинкуицинковуюпластинку, частичнопо-

214

215

крытую медью. В каком случае процесс коррозии цинка происходит интенсивнее? Составитьэлектронныеуравненияанодногоикатодногопроцесса.

18.20.Составитьэлектронныеуравненияанодногоикатодногопроцессовс кислородной и водородной деполяризациейпри коррозии пары алюминий – железо. Какие продукты коррозии образуются в первом

ивтором случаях?

18.21.Какпротекаетатмосфернаякоррозияжелеза, покрытогослоем никеля, если покрытие нарушено? Составить электронные уравнения анодного и катодного процесса. Каков состав продуктов коррозии?

18.22.Ккакомутипупокрытийотноситсяоловонасталиинамеди?

18.23.Какие процессы протекают при коррозии луженой стали

имеди в нейтральной среде? Написать уравнения катодных и анодных процессов.

18.24.Какие катодные и анодные реакции происходят при коррозии луженой стали и меди в кислой среде?

18.25.Привести примеры катодных и анодных покрытий для кобальта. Составить уравнения катодных и анодных процессов во влажном воздухе и соляной кислоте при нарушении покрытия.

18.26.Какой металл может служить протектором при защите железа от коррозии в водном растворе с рН = 10 в контакте с воздухом? Написать уравнения реакций протекающих процессов.

18.27.Написать уравнения электродных реакций, происходящих при катодной защите стальных труб.

18.28.Привести пример протекторной защиты железа в электролите, содержащем растворенный кислород.

18.29.Датьопределениеиперечислитьосновныеингибиторыкор-

розии.

18.30.Кратко охарактеризовать основные методы защиты металлов от коррозии.

Раздел 19. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА s-ЭЛЕМЕНТОВ И ИХ ВАЖНЕЙШИХ СОЕДИНЕНИЙ. ЖЕСТКОСТЬ ВОДЫ

Элементы, в атомах которых в последнюю очередь заполняются электронами последний энергетический уровень, подуровень s, называют s-элементами. На внешнем энергетическом уровне атомов s-элемен- тов у щелочных металлов по 1 электрону, у щелочноземельных – по 2 электрона. В периодической системе элементов Д. И. Менделеева s-элементы располагаются соответственно в главных подгруппах первой и второй группы. Имея невысокие значения потенциала ионизации (4–9 эВ), они обладают высокой химической активностью.

Увеличение атомного радиуса и уменьшение потенциала ионизации приводит к усилению активности s-металлов по мере роста их порядкового номера, т. е. сверху вниз в группах периодической системы. По отношению к s-металлам все элементы с высокой электроотрицательностью – окислители, втом числе иводород. Они образуют с этими металлами гидриды, оксиды, пероксиды, сульфиды и т. п. Щелочные металлы образуют оксиды и гидроксиды – хорошо растворимые в воде щелочи. Растворимость гидроксидов щелочноземельных металлов значительноменьше, чемщелочных. ПлохорастворимыВе(ОН)2 иМg(ОН)2. В отличие от гидроксидов всех s-элементов Ве(ОН)2 обладает амфотерными свойствами, что объясняется наименьшим радиусом иона (0,034 нм) и наличием только двух электронов в предпоследнем энергетическом уровне, тогда как у остальных s-элементов в предпоследнем энергетическомуровне находитсявосемьэлектронов(кроме лития). Получают s-металлы главным образом электролизом их расплавленных солей.

Повышенное содержание в воде растворенных солей кальция и магния обусловливает жесткость воды. Жесткость – один из технологических показателей, принятый для характеристики состава и качества природных вод. Жесткость воды выражается суммой миллиэквивалентовионов Са+2 и Мg+2 или суммой миллимолей этихионов, содержащихся в 1 л воды (мэкв/л, или ммоль/л). 1 ммоль/л (1 мэкв/л) жесткости отвечает содержанию в 1 л воды 20,04 мг Са+2 или 12,16 мг Мg+2.

216

217

Различают следующие виды жесткости:

1)карбонатную(временную), обусловленную присутствиемв воде

гидрокарбонатовкальцияи магния– Са(НСО3)2 и Мg(НСО3)2, переходящих при кипячении воды в малорастворимые карбонаты и гидроксиды кальция и магния, выпадающие в осадок;

2)некарбонатную(постоянную) жесткость, обусловленнуюпри-

сутствием в воде хлоридов, нитратов, сульфатов, силикатов магния

икальция. Соли постоянной жесткости при кипячении не удаляются;

3)общуюжесткость, представляющую собой суммукарбонатной

инекарбонатной жесткости.

Для устранения жесткости воды используют термический, реагентный и ионообменный методы.

Термический метод заключается в нагревании воды до 95–98 °С, приэтомгидрокарбонатные ионыНСО3– переходятвкарбонатныеСО32– и сионами кальция и магния образуют нерастворимые СаСО3 и MgСО3:

Са 2 СО3 2 o pСаСО3; Mg 2 СО3 2 o pMgСО3 Реагентныеметодыоснованынаудаленииизводыионовкальция

и магния в виде нерастворимых соединений. Так, при содовоизвестковомметодекарбонатнуюжесткостьустраняютдобавлениемк воде гашеной извести. При этом гидрокарбонат кальция переходит в карбонат, а гидрокарбонат магния в гидроксид магния:

Са(НСО3)2 + Са(ОН)2 o p2СаСО3 + 2Н2О Мg(НСО3)2 + Cа(ОН)2 o pМg(ОН)2 + pСаСО3 + Н2О + СО2

Некарбонатную жесткость устраняют добавлением соды, которая вызывает образование осадка:

СаSО4 + Na2СО3 o pСаСО3 + Na2SО4

Более глубокое удаление достигается при обработке воды солями фосфорных кислот, например Na3РО4:

3СаСl2 + 2Na3РО4 o pСа3(РО4)2 + 6NaСl

Наиболее эффективным и широко распространенным в настоящее время методом умягчения воды является ионообменный метод. Заключается он в пропускании жесткой воды через слой катионитов(синтетическихионообменныхсмол), содержащихфункциональныегруппы, способные обмениваться на катионы магния и кальция:

Cа(НСО3)2 + Na2R o CaR+ 2NaНСО3

MgSО4 + Na2R o МgR + Na2SО4,

где R – радикал сложной молекулы катиона.

При решении задач, связанных с жесткостью воды, рационально использовать закон эквивалентов. Не составляя уравнений химических реакций, можно сказать, что, например, для устранения жесткости, равной 2,2 мэкв, нужно 2,2 мэкв вещества, устраняющего жесткость. Если на устранение жесткости1 л водыпошло 3 мэкввещества, то жесткость воды равна 3 мэкв.

Рассчитать жесткость воды, а также массу вещества, которую нужно добавить к жесткой воде для устранения жесткости, можно по формуле

	Ж	m	,	(19.1)
		mэ V

где Ж – жесткость воды, мэкв/л или ммоль/л; m – масса вещества, определяющего жесткость воды, или масса вещества, добавляемого

кводе для устранения жесткости, мг; V – объем воды, л; mэ – эквивалентная массавещества, определяющего жесткостьводыили добавляемого

кводе для устранения жесткости, мг/ммоль.

Пример 1. Вычислить жесткость воды, зная, что в 500 л ее содержится 202,5 г Са(НСО3)2.

Решение. В 1 л воды содержится 202,5 : 500 = 0,405 г Са(НСО3)2, что составляет 0,405 : 81 = 0,005 эквивалентных масс или 5 мэкв/л. (81 г/моль– эквивалентнаямассаСа(НСО3)2.) Следовательно, жесткость воды равна 5 мэкв/л.

Пример 2. Какую массу соды надо добавить к 500 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 5 мэкв/л?

Решение. В 500 л воды содержится 500 5 = 2500 мэкв солей, обусловливающих жесткость воды. Для устранения жесткости следует прибавить 2500 53 = 132500 мг = 132,5 г соды (53 г/моль – эквивалентная масса Na2СО3).

Пример 3. Вода, содержащая только сульфат магния, имеет жесткость 7 ммоль/л. Какая масса сульфата магния содержится в 300 л этой воды?

Решение. Применяем формулу (19.1): m = Ж mэ V. Сульфат магния имеет эквивалентную массу, равную 60 мг/ммоль. Тогда получаем: m = 7 60 300 = 126000 мг, или 126 г. Ответ: масса сульфата магния равна 126 г.

218

219

ЗАДАЧИ

19.1.Написать уравнения реакций натрия с водородом, кислородом, азотомисерой. Какуюстепеньокисленияприобретаютатомыокислителя в каждой из этих реакций?

19.2.Рассчитать, сколькограммовСа(НСО3)2 содержитсяв1 м3 воды, жесткость которой равна 3 мэкв/л.

Ответ: 243 г.

19.3.Что такое поташ? Как получить поташ, имея в распоряжении

вещества К2SО4, Ва(ОН)2, СаСО3, НСl и Н2О? Составить уравнения соответствующих реакций.

19.4.Определить карбонатную жесткость воды, в 1 л которой со-

держится по 100 мг Cа(НСО3)2 и Mg(НСО3)2.

Ответ: 2,6 ммоль/л.

19.5.Составить уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления превращений

Cа ο СаН2 ο Cа(ОН)2 ο СаСО3 ο Cа(НСО3)2 ο CaСl2 ο Cа (NО3)2 19.6. Чему равна жесткость воды, в 10 л которой содержится 6 г

CaСl2?

Ответ: 10,81 ммоль/л.

19.7.На какой реакции основано получение гидридов щелочных металлов? Составить уравнения реакций гидролиза гидрида натрия

иэлектролиза расплава гидрида лития.

19.8.Чему равна жесткость воды, если для ее устранения к 100 л воды потребовалось прибавить 15,9 г соды?

Ответ: 3 ммоль/л.

19.9.Являясь сильными восстановителями, магний, кальций

ибарий применяются в металлотермии для получения металлов из их оксидов. Составить электронные и молекулярные уравнения реакций

кальция: а) с Cr2O3; б) V2O5.

19.10.Сколько граммов соды нужно прибавить к 5 м3 воды, чтобы устранить жесткость, равную 2,5 мэкв/л?

Ответ: 662,5 г.

19.11.Составить уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления превращений

Ве ο ВеСl2 ο Ве(ОН)2 ο Na2[Ве(ОН)4] ο ВеSО4

19.12.Определить жесткость воды, в 1 л которой содержится 0,324 г гидрокарбоната кальция. Сколько граммов соды нужно прибавить к 2 м3 этой воды для устранения ее жесткости?

Ответ: 4 ммоль/л, 424 г.

19.13.Составитьэлектронныеимолекулярныеуравненияреакций: а) бериллия с концентрированным раствором гидроксида натрия; б) магниясконцентрированнойсернойкислотойпримаксимальномвосстановлении последней до сероводорода.

19.14.Рассчитать жесткость воды, содержащей в 1 л 0,005 моль гидрокарбоната кальция.

Ответ: 10 ммоль/л.

19.15.Какие вещества образуются при горении кальция на воздухе? Почему при смачивании полученного продукта водой выделяется значительное количество теплоты? Составить уравнения соответствующих реакций.

19.16.Чему равна жесткость воды, в 100 л которой содержится 14,632 г гидрокарбоната магния?

Ответ: 2 ммоль/л.

19.17.Оксид бериллия при сплавлении взаимодействует с SiO2 и Na2O. Написать уравнения соответствующих реакций. О каких свойствах BeO говорят эти реакции?

19.18.Минеральная вода содержит 0,3894 г/л ионов кальция и 0,0844 г/л ионов магния. Какова жесткость этой воды?

Ответ: 26,5 ммоль/л.

19.19.При нагревании с графитом кальций и бериллий образуют карбиды. В карбиде кальция углерод имеет степень окисления –1,

ав карбиде бериллия –4. Составить электронные и молекулярные уравнения получения соответствующих карбидов. Какие соединения образуются при взаимодействии этих карбидов с водой?

19.20.Вычислитьжесткостьводы, зная, чтодляееустраненияпри-

шлось к 50 л воды прибавить 10,8 г безводной буры Na2В4О7.

Ответ: 2,15 ммоль/л.

19.21.Составить уравнения реакций, которые нужно провести для

осуществления следующих превращений:

Mg ο MgО ο Mg(ОН)2 ο MgСО3 ο MgСl2 ο MgSiO3

19.22.Сколько граммов соды нужно добавить к 200 л воды, чтобы устранить ее жесткость, равную 3,8 мэкв/л?

Ответ: 40,28 г.

220

221

19.23.Составитьэлектронныеимолекулярныеуравненияреакций: а) кальцияс водой; б) магнияс азотной кислотой, учитывая, что окислитель приобретает низшую степень окисления.

19.24.В 220 л воды содержится 11 г сульфата магния. Чему равна жесткость этой воды?

Ответ: 0,83 ммоль/л.

19.25.Какиесоединенияназываютнегашенойигашенойизвестью? Составить уравнения реакций их получения. Какие соединения получаются при прокаливании негашеной извести с углем? Составить электронные и молекулярные уравнения реакций.

19.26.Жесткая вода содержит в литре 50 мг Ca(НСО3)2 и 15 мг СаSО4. Сколько граммов карбоната натрия потребуется для устранения жесткости 1 м3 этой воды?

Ответ: 44,41 г.

19.27.Составитьуравненияреакций, происходящихпринасыщении гидроксида натрия: а) хлором; б) оксидом серы SО3; в) сероводородом.

19.28.Некарбонатная жесткость воды равна 3,18 мэкв/л. Сколько ортофосфата натрия надо взять, чтобы устранить жесткость 1 м3 этой воды?

Ответ: 173,9 г.

19.29.Припропусканиидиоксидауглеродачерезизвестковуюводу

(раствор Cа(ОН)2) образуетсяосадок, который придальнейшем пропускании СО2 растворяется. Дать объяснение этому явлению. Составить уравнения реакций.

19.30.Какую массу гидроксида кальция надо прибавить к 275 л воды, чтобы устранить ее карбонатную жесткость, равную 5,5 мэкв/л?

Ответ: 56 г.

19.31.Составить уравнения реакций, которые нужно провести для осуществления следующих превращений:

K ο K2О ο KОН ο K2СО3 ο KСl ο KNO3

19.32. КакаямассаCаSO4 содержитсяв200 лводы, еслижесткость, обусловленная этой солью, равна 8 мэкв/л?

Ответ: 108,8 г.

19.33. Определить % мас. примесей в техническом карбиде кальция, если при полном разложении 1,8 кг образца водой образовалось 560 л ацетилена (н. у.).

Ответ: 11,1 %.

19.34. Закончить уравнения реакций:

а) Be + NaOH + H2O ο б) BeF2 + NaF ο

19.35. Пероксид натрия применяетсявизолирующих противогазах для регенерации кислорода. Составить электронные и молекулярные уравненияреакциипероксиданатриясуглекислымгазом. Ккакомутипу окислительно-восстановительных реакций относится этот процесс?

19.36. Закончить уравнения реакций:

а) Be(OH)2 + NaOH ο

2+ Na2CO3 + H2O ο (MgOH)2CO3 +...

19.37.Определить массовую долю разложившегося карбоната стронция, %, если при прокаливании 10 кг материала его масса уменьшилась на 1,7 кг.

Ответ: 57 %.

19.38.Вычислить жесткость воды, зная, что для удаления ионов кальция, содержащихся в 50 л этой воды, потребовалось прибавитьб) MgCl

к воде 21,6 г безводной буры Na2В4О7.

Ответ: 4,3 ммоль/л.

19.39.При растворении в кислоте 7,5 г оксида кальция, содержащего примеськарбоната кальция, выделилось0,21 л газа. Какова массовая доля (%) карбоната кальция в исходной смеси?

Ответ: 12,5 %.

19.40.Какую массу соды Na2CO3 надо добавить к 30 л воды, чтобы устранить жесткость воды, равную 4,64 ммоль/л?

Ответ: 7,38 г.

19.41.Объяснить, почему при реакции натрия и калия с водой часто возникает пламя, а кальций реагирует с ней довольно спокойно, без возгорания. Привести уравнения реакций.

19.42.Как различить указанные вещества? Привести соответству-

ющие реакции: а) MgCl2 и BaCl2; б) KNO3 и Mg(NO3)2.

19.43.При сгорании магния на воздухе образуется смесь двух веществ. Привести уравнения реакций их образования.

19.44.Составить уравнения химических реакций, позволяющих осуществить следующие превращения:

Ca ο CaCl2 ο CaCO3 ο Ca(HCO3)2 ο CaCO3 ο CaCl2 ο Ca

19.45.При растворении в воде 1,75 г щелочного металла выделилось 2,8 л водорода (н. у.). Определить металл.

19.46.Составить схему гидролиза BeCl2.

222

223

19.47. В 150 г воды растворили 11,2 г лития. Рассчитать процентнуюконцентрациюполученного раствора. Написатьуравнение соответствующей реакции.

Ответ: 24,1 %.

19.48. Вычислить температуруначала разложения ВаСО3 и CaСО3.

Ответ: 1297 °С; 808 °С.

19.49. Используя только известняк (карбонат кальция) и воду, получить гашеную и негашеную известь.

19.50. Как изменяется химическая активность по отношению к кислороду и хлору в ряду Be – Mg – Са? Привести соответствующие реакции.

19.51. Сколько граммов натрия надо добавить к 100 г воды, чтобы получить 15 %-ный раствор гидроксида натрия?

Ответ: 9,41 г.

19.52. Какие соединениясоставляют основужидкого (растворимого) стекла? Составить уравнения гидролиза этих солей.

19.53. Имеетсясмеськарбонатовкалияикальция. Предложитьсхему получения чистых металлов из этой смеси.

19.54. Привестипримерыхимическихреакций, доказывающихамфотерный характер Be, BeO и Be(OH)2.

19.55. Можно ли получить кальций восстановлением его оксида алюминием в стандартных условиях? Ответ обосновать расчетом энергии Гиббса реакции.

19.56. Написать уравнения реакций, соответствующие следующей схеме:

Na ο NaOH ο NaHCO3 ο Na2CO3 ο NaCl ο NaOH

19.57. Написать уравнения реакций взаимодействия гидрида кальция: а) с кислородом; б) с водой.

19.58. Написатьуравненияреакций, соответствующиесхеме, определить возможные вещества Х1 и Х2:

MgSO4 ο X1 ο MgCl2 ο X2 ο Mg(OH)2

19.59. Рассчитать, сколько теплоты выделяется при гашении 1 кг негашеной извести.

Ответ: 1161,1 кДж.

19.60. Привести уравнения реакций, соответствующие следующей схеме:

K ο KH ο KOH ο KNO3 ο KNO2 ο K2SO4 ο KCl ο Cl2

Раздел 20. ХИМИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

20.1. Вяжущие вещества

Вяжущими веществами называются материалы, способные при смешивании с водой образовывать пластично-вязкую массу, которая, постепенно затвердевая, превращается в камневидное тело.

По условиям твердения и водостойкости продуктов твердения вяжущие вещества разделяются на воздушные игидравлические. Воздушные вяжущие твердеют на воздухе, а продукты их твердения нестойки в воде (воздушная известь, гипсовые и магнезиальные вяжущие). Гидравлическиевяжущиетвердеютнавоздухе, апродуктыихтвердениядлительно сохраняют прочность в воде (гидравлическая известь, портландский, глиноземистый, пуццолановый цементы).

Воздушную известь получают путем обжига карбонатных пород (известняка, мела, доломитизированных известняков) при температуре

1000–1200 °С:

CaCO3 ο CaO CO2ν

В результате химической диссоциации CaCO3 разрушается кристаллическаярешеткакальцитаиполучаетсяоксидкальцияссильноразрыхленнойструктурой. Пригашениивоздушнаяизвестьвзаимодействует с водой с выделением большого количества теплоты:

CaO + H2O ο Ca(OH)2, H°х.р = –65 кДж.

Твердение известково-песчаного раствора происходит в результате карбонизации Ca(OH)2 углекислым газом из воздуха:

Ca(OH)2 CO2 ο CaCO3 H2O

Портландский цемент – гидравлическое вяжущее вещество, твердеющее и в воде, и на воздухе. Для производства портландцемента используют известняки и глины, которые берутся в соотношении 3:1 (по массе). Химический состав выражается в виде оксидов в % мас.:

CaO – 62...68; SiO2 – 18...26; Al2O3 – 4...9; Fe2O3 – 0,3...0,6.

Цементный клинкер представляет собой систему из нескольких искусственно образованных минералов, полученныхпри обжиге сырьевой смеси и состоит из тонкозернистых кристаллических и аморфных фаз. Минералогический состав цементного клинкера, % мас.:

224

225

3CaO SiO2			трехкальциевый силикат (алит)	– 40…65
2CaO SiO2			двухкальциевый силикат (белит)	– 15…40
3CaO Al2O3		Fe O	трехкальциевый алюминат (целит) – 5…15
4CaO Al	O		четырехкальциевый алюмоферрит
2	3	2 3	(браунмиллерит)	– 10…20

При взаимодействии минералов цементного клинкера с водой происходят их гидролиз и гидратация с образованием гидратных соедине-

ний:

3CaO SiO2 (n 1)H2O ο 2CaO SiO2 nH2O Ca(OH)2

2CaO S iO2 nH2O ο 2CaO SiO2 nH2O 3CaO Al2O3 6H2O ο 3CaO Al2O3 6H2O

4CaO Al2O3 Fe2O3 (m 6)H2O ο3CaO Al2O3 6H2O CaO Fe2O3 mH2O

20.2. Коррозия цементного камня и бетона. Виды коррозии

Бетон – искусственный камень, получаемый в результате твердениярациональноподобраннойсмеси, состоящейизвяжущеговещества, воды, крупного и мелкого заполнителя (щебня, гравия и песка).

Коррозия выщелачивания представляет собой вымывание гидроксида кальция, особенновусловияхпостояннойфильтрации водычерез массубетона. Коррозияидет наиболееинтенсивнопривоздействии слабоминерализованной, мягкой, воды, в результате чего на поверхности образуются натеки Ca(OH)2.

Сульфатная коррозиявозникаетпри проникновении впоры бетона сульфатовкальция, натрия имагния, которые пригидратацииобразуют многоводные кристаллогидраты Na2SO4 10H2O, MgSO4 7H2O, CaSO4 2H2O. Рост кристаллогидратов сопровождается их увеличением в объеме и возникновением кристаллизационного давления, которое иразрушаетпорыбетона. Наибольшейразрушающейспособностьюобладает гидросульфоалюминат кальция (эттрингит), или «цементная бацилла», которая образуется по уравнению

3CaO Al2O3 6H2O + 3CaSO4 + 25H2O ο 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O

Магнезиальная коррозия идет в результате действия растворимых солей магния, которые взаимодействуют с гидроксидом кальция:

Ca(OH)2 MgCl2 ο CaCl2 Mg(OH)2

В результате этого процесса образуются хорошо растворимый хлорид кальция и аморфный гидроксид магния.

226

Кислотная коррозия бетона особенно интенсивно протекает под воздействиемсильныхкислотHNO3, H2SO4, HCl, даже очень разбавленные растворы которых разрушают строительный материал в короткие сроки. Хлоридная коррозия бетона идет под воздействием хорошо растворимых соединений, образованных соляной кислотой. Растворы поваренной соли (NaCl) интенсивно разрушают бетон и цементно-песча- ные кладочные растворы.

20.3. Керамика

Керамика – общее название всех изделий из обожженной глины. Химическийсоставглинпринятовыражатьследующимиоксидами: SiO2, Al2O3, CaO, MgO, Fe2O3, FeO, TiO2, K2O, Na2O, SO3.

Вода содержится в глинах как в свободном, так и химически связанном виде, входит в состав глинообразующих минералов.

Минералогический состав глин как в качественном, так и в коли-

чественном отношении разнообразен и может быть представлен следу-

ющими минералами:
Al2O3	2SiO2	2H2O	каолинит
Al2O3	4SiO2	H2O nH2O	монтмориллонит
K2O MgO 4Al2O3 7SiO2 2H2O			иллит (гидрослюда)

Солевые налеты на обожженном строительном и лицевом кирпиче образуются при взаимодействии Ca(OH)2 и CaСO3, содержащихся в глине (кирпиче-сырце), с сернистым газом, присутствующим в дымовых газах. Разбавленные воздухом дымовые газы играют роль теплоносителя при сушке сырца. Сернистый газ сначала взаимодействует с влагой сырца, образуя сернистую кислоту:

H2O SO2	H2SO3
затем сернистая кислота окисляется до серной:
2H2SO3 O2	2H2SO4

Далее на поверхности кирпича-сырца идут реакции, приводящие к образованию нерастворимого сульфата кальция (ангидрита):

Ca(OH)2 H2SO4 ο CaSO4 2H2O

CaСO3 H2SO4 ο CaSO4 H2O СO2ν

Высолы на кирпичной кладке в процессе ее сооружения могут образовываться через 7–10 сут после ее возведения. Главные причины образования высолов – растворимые соли, содержащиеся в кирпиче и кладочном растворе, и атмосферные осадки. Миграция растворимых

227

солей на открытую поверхность кладки приводит к образованию высолов, состав которых разнообразен: Na2SO4 (тенардит), Na2SO4 10H2O (мирабилит), CaSO4 2H2O (гипс), Na2SO4 CaSO4 (глауберит), CaSiO3

(волластонит) и др.

Солевая коррозия кирпичной кладки возникает в результате кристаллизации в порах кирпича и кладочного раствора многоводных кристаллогидратов, которые могут иметь следующий состав: Na2SO4 10H2O, Mg SO4 7H2O, Na2СO3 10H2O, CaCl2 6H2O. Механизм разрушенияаналогичентаковомуприсульфатнойкоррозиибетона. Рост вобъеме перечисленныхкристаллогидратовприводитк возникновению кристаллизационного давления от 0,09 до 0,44 МПа, которое является причиной деструкции материалов кирпичной кладки.

ЗАДАЧИ

20.1.Содержаниепиритавглинесоставляет0,5 % мас. Приобжиге глиныпиритокисляетсядооксидасеры(IV) иоксидажелеза(III) . Сколько литров газа, приведенного к н. у., выделится при обжиге 500 кг глины? Написать уравнение окислительно-восстановительной реакции.

Ответ: 933,5 л.

20.2.Содержание пиритавглинесоставляет0,5 % мас. Рассчитать, сколько граммов серы находится в 400 кг глины.

Ответ: 1069 г.

20.3.При гидратации и гидролизе трехкальциевого силиката (минерала цементного клинкера) образуются двухкальциевый гидросили-

кат и гидроксид кальция. Написатьуравнение реакции и рассчитать, ка-

кое количество Cа(ОН)2 образуется из 22,8 г 3СаО SiO2.

Ответ: 7,4 г.

20.4.На поверхности бетона в результате выщелачивания образовалсянатекгидроксидакальция, массакоторогосоставляет0,74 г. Вдаль-

нейшем Ca(OH)2 взаимодействует с СО2 и водой с образованием Ca(HCO3)2. Написать уравнения соответствующих реакций. Рассчитать, сколько литров СО2 (н. у.) пойдет для карбонизации указанного количества Ca(ОН)2.

Ответ: 0,448 л.

20.5.При термической диссоциации кальцита (известняка) выделяются углекислый газ и оксид кальция (негашеная известь). Написать

уравнение реакции и рассчитать массу выделяющегося СО2 при диссоциации 75 кг кальцита.

Ответ: 33 кг.

20.6.На приготовление известково-песчаногокладочного раствора израсходовано 150 кг гашеной извести. Написать уравнение твердения

известкового раствора и рассчитать, сколько литров СО2 (н. у.) пошло на карбонизацию 100 кг гашеной извести.

Ответ: 30270 л.

20.7.Для связывания растворимых солей (сульфатов) в глине

вкерамическую шихту вводится карбонат бария. Написать уравнение

реакции взаимодействия сульфата натрия с ВаСО3 и рассчитать его количество, необходимоедлянейтрализации142 гNa2SO4, содержащегося

вглиномассе.

Ответ: 197 г.

20.8.Вычислить содержание, в % мас., каждого из элементов

всоединениях кальцита, пирита, поташа.

Ответ: а) 40, 12, 48 %; б) 47, 53 %; в) 56,5; 8,7; 34,8 %.

20.9.Кальцит разлагается при нагревании на оксид кальция и оксид углерода (IV). Какая масса кальцита, содержащего 90 % мас. карбоната кальция, потребуется для получения 7,0 т негашеной извести?

Ответ: 13,9 т.

20.10.Хлоридбариявводитсявглиномассудлясвязываниярастворимыхсульфатов. Найтиформулукристаллогидратахлоридабария, зная, что 36,6 г хлорида при прокаливании теряет в массе 5,4 г.

Ответ: BaCl2 2H2O.

20.11.Антрацит используется при обжиге глиняного кирпича. Ус-

тановлено, что при сжигании 3 г антрацита выделяется 5,3 л СО2, измеренного при н. у. Сколько процентов углерода (по массе) содержит антрацит?

Ответ: 94,64 %.

20.12.Дляповышениякоррозионнойстойкостибетонавстроительную смесь вводится мелкозернистый кремнезем, переводящий растворимый гидроксид кальция в силикат. Какое количество кремнезема не-

обходимо ввести вбетоннуюсмесь, чтобы связать 180 г Са(ОН)2? Написать уравнение реакции.

Ответ: 146 г.

228

229

20.13.Исходя из уравнения реакции взаимодействия негашеной известисводой(написатьуравнениереакции) определитьтеплотуобразования гашеной извести, используя данные табл. 4 приложения.

Ответ: –65,3 кДж.

20.14.При рН < 5 изделия из бетона начинают интенсивно разру-

шаться. Насколько опасна для бетона жидкая среда, в которой концентрацияионовводорода[H+] = 2,5 10–5 моль/л? КаковприэтомрНсреды?

Ответ: 4,6.

20.15.Вычислить рН растворов, в которых концентрация ионов ОН–, в моль/л, следующая: а) 4,6 10–4; б) 5 10–6. Насколько такая среда опасна для оцинкованных водопроводных труб?

Ответ: а) 10,7; б) 8,7.

20.16.Какое количество гашеной извести, содержащей 80 %-ный

Са(ОН)2,необходимодляустранениявременнойжесткости1000 м3 воды, если в 1 л Н2О находится 10 ммоль HCO3–?

Ответ: 462 кг.

20.17.Всоставшихтыдляпроизводствацементногоклинкеравходят оксиды кальция, железа, алюминия и кремния. Определить их характер (основной, кислотный, амфотерный). Написать формулы минералов, входящих в состав цементного клинкера.

20.18.Сколько гашеной извести (в процентах к использованному известняку) можно получить из известняка, содержащего 2 % мас. примесей?

Ответ: 72,52 %.

20.19.При анализе цемента (навеска 1,5 г) магний был осажден

ввиде гидроксида. Полученный осадок прокален до постоянного веса, масса которого оказалась равной 0,045 г. Определить содержание магния (в виде оксида) в данном образце цемента.

Ответ: 3 %.

20.20.Оконное стекло содержит 13,0 % мас. оксида натрия, 13,7 % мас. оксида кальция и 73,3 % мас. оксида кремния. Определить молекулярный состав такого стекла.

Ответ: 1:1,17:5,8.

20.21.Сколько килограммов негашеной извести получится при прокаливании 1 т известняка, содержащего 20 % мас. примесей?

Ответ: 448 кг.

20.22. При прокаливании на воздухе 5 кг пирита, содержащего некоторое количество минеральных примесей, получено 5,12 кг оксида серы (IV). Определить чистоту пирита.

Ответ: 96 %.

20.23. При обжиге 100 кг известняка выделилось 18 м3 оксида углерода (IV). Сколько примесей, % мас., содержится в исходном материале (н. у.)?

Ответ: 19,64 %.

20.24. Определить массы SiO2 и соды, которые потребуются для получения 1 кг растворимого стекла, состоящего только из метасиликата натрия.

Ответ: 491,8 г и 868,9 г.

20.25. Каковы массовыедоли (%) оксида калия, оксида алюминия и оксида кремния (IV) в ортоклазе K2Al2Si6O16?

Ответ: 16,9, 18,35 и 64,75 %.

20.26.Сколько (по массе) каолинита Al2O3 2SiO2 2H2O, SiO2

ипоташаобразуетсяпривыветривании278 кгортоклаза? Написатьуравнение реакции выветривания указанного минерала.

Ответ: 129, 120 и 69 кг.

20.27.Определить массовые доли оксидов (%), составляющих

оконное стекло, Na2O CaO 6SiO2.

Ответ: 13, 11,7 и 75,3 %.

230

231

Раздел 21. ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ, НОМЕНКЛАТУРА

Органическая химия – раздел химии, изучающий углерод и его соединения, ихстроение, свойства, методы получения, возможность практического использования. Органическая химия играет большую роль в жизни и практической деятельности человека. Важнейшие отрасли промышленности, гдепроизводятилиперерабатываюторганическоесырье, – нефте- и газоперерабатывающая промышленность, производство каучука, резины, смол, пластмасс, высокомолекулярных соединений – полимеров(ВМС), синтетическихволокон, пищевая, фармацевтическая, лакокрасочная промышленности, строительная индустрия.

Органические соединения (ОС) имеют ряд особенностей. Атомы углерода внихспособнысоединятьсядругсдругом, образуяцепи, кольца. Этим объясняется многообразие органических соединений. В ОС связь атомов ковалентная, поэтому почти все органические вещества являютсянеэлектролитами. Принагреваниивпределах400–600 °Сорганические соединения легко разлагаются, обугливаются. Это объясняется небольшой прочностью связи между атомами углерода. Важнейшей особенностью органических соединений является широко распространенное явление изомерии. Свойства органических веществ зависят не только от их состава, но и от порядка соединения атомов в молекуле. Вещества, имеющие одинаковый состав и одинаковую молекулярную массу, но различное строение молекул, а поэтому обладающие разными свойствами, называются изомерами.

Для углеводорода пентана возможны три изомера:

1) СН3 – СН2 – СН2 – СН2 – СН3		нормальный пентан
2) СН3 – СН– СН2 – СН3		2 метилбутан
	|
	СН3
3)	СН3
	|
	СН3 – С – СН3	2,2 диметилпропан
	|

СН3

Число изомеров резко возрастает с увеличением числа углеродных атомов в молекуле. Бутан имеет 2 изомера, гептан – 9, декан – 75. Все указанные случаи относятся к структурной изомерии. Кроме нее возможна пространственная изомерия (цис-, трансизомерия), которая возникает в результате различного расположения отдельных частей молекулывпространстве. Уцисизомеровзаместителинаходятсясоднойстороны плоской молекулы; у трансизомеров – с двух сторон молекулы.

СН3	Н	Н	Н
\	/	\	/
С = С		С = С
/	\	/	\
Н	СН3	СН3	СН3
Трансизомер		Цисизомер
(трансбутен-2)		(цисбутен-2)

Существуют и другие виды изомерии: таутомерия, изомерия положения кратных связей, изомерия положения функциональных групп. Существованиеизомероввытекаетизосновныхположенийтеориистроения органических соединений, созданной А. М. Бутлеровым. Основные положения теории сводятся к следующему:

1.В молекулах атомы соединены друг с другом в определенной последовательности в соответствии с их валентностью. Порядок связи атомов определяет химическое строение.

2.Свойства вещества зависят не только от того, какие атомы

ивкакомколичестве входятвсоставего молекулы, нои от того, вкаком порядке они соединены между собой, т. е. от химического строения молекулы.

3.Атомы или группы атомов, образующие молекулу, взаимно влияютдруг надруга, отэтогозависитреакционнаяспособностьмолекулы.

Теория химического строения А. М. Бутлерова по значимостисопоставимаспериодическойсистемойэлементовД. И. Менделеева. Онадала возможность систематизировать огромный практический материал, заранее предсказать существование новых веществ и пути их получения.

Среди многообразия органических соединений можно выделить группывеществ, которые сходны по химическомусоставуи отличаются

232

233