Химия биогенных элементов и их соединений

Методические указания по теме

Данныйраздел посвящен свойствам и реакционной способности важнейших неорганических простых веществ и их соединений.

При изучении этого раздела необходимо:

–уяснить понятие "биогенный элемент";

–знать строение атома этих элементов, положение в системе Д. И. Менделеева, характер образуемых ими типов связи и реакционную способность;

–связать химические свойства биогенных элементов и их соединений с ролью в биосистемах, в атмосфере, в гидросфере и почве;

–ответить на вопросы в разделе при его изучении, рассматривая их базой для самоподготовки по теме.

Структурные образования живой и растительной  клеток  включают в себя шесть элементов: водород, углерод, кислород, азот, фосфор и серу. Эти элементы называют органогенными. Около 99% живых тканей содержат только четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. Семь элементов металлов - железо, кобальт, марганец, натрий, калий, кальций, магний играют решающую роль в основных процессах жизнедеятельности. Перечень этот нельзя сократить, но можно значительно расширить. Элементы: медь, цинк, молибден, йод и другие – также имеют существенное значение для нормального существования живых и растительных клеток. Все эти элементы относят к числу биогенных.

Водород, кислород и их соединения

Контрольные задания 101-110

101. Опишите  окислительно - восстановительные свойства и области применения пероксида водорода. Закончите уравнения реакций, подберите коэффициенты методом полуреакций:

Н₂О₂ + КМnО₄ + H₂SO₄→

Н₂О₂ + Na₂SO₃ →

102. Сравните окислительные свойства серы и кислорода на примере их реакций с металлами. Чем объяснить, что скорость взаимодействия серы с металлами выше, чем аналогичных реакций с кислородом?

103. Опишите свойства и биологическую роль озона. Укажите вещества, содержание которых в воздухе несовместимо с присутствием озона: SO₂, H₂S, CO₂, N₂. Напишите уравнения соответствующих реакций.

104. Вода как ассоциированная жидкость. Чем объяснить аномальные свойства воды по сравнению с водородными соединениями серы, азота, фтора, фосфора (температура плавления, кипения, теплота плавления, испарения, плотность твердой и жидкой фазы, теплоемкость)? Как это связать с биологической ролью воды?

105. Почему в периодической системе элементов водород размещают как впервой, так и вседьмой группе? Напишите уравнения реакций, подтверждающих его сходство со щелочными металлами и с галогенами.

106. Перечислите химические свойства водорода.

–Как отличить водород от кислорода, оксида углерода (IV), азота?

–Что такое атомарный водород?  Одинаковы ли свойства атомарного и молекулярного водорода?

107. На каком свойстве пероксида водорода основано его отбеливающее и стерилизующее действие? К какому типу реакций относится разложение пероксида водорода? Ответ подтвердите уравнениями электронного баланса.  К 150 г раствора пероксида водорода прибавили немного диоксида марганца. Выделившийся кислород при  н.у. занял объем 1л. Вычислите массовую долю пероксида водорода в исходном растворе.

108. Опишите кислотные свойства пероксида водорода. Приведите константы диссоциации пероксида водорода по первой и второй ступени. Рассчитайте рН раствора пероксида водорода с концентрацией 10^-2 моль/л. Почему пероксид водорода называют экологически безопасным веществом?

109. Охарактеризуйте  окислительно - восстановительные свойства водорода и ионов водорода. Приведите примеры реакций. Какой объем водорода (н. у.) можно получить при действии  цинка на раствор серной кислоты объемом 200 мл с массовой долей 20%. Плотность раствора 1.14 г/см³.

110. Опишите действие воды на металлы. При взаимодействии щелочно-земельного металла массой  3.425 г с водой выделился водород объемом 560 мл (н. у.). Определите, какой металл взят для реакции?

 

Азот и его соединения

Контрольные задания 111-120

 

111. а) Какое положение занимает элемент азот в системе Менделеева?

      б) Напишите электронную формулу  атома азота. Укажите максимальную  валентность и возможные степени окисления;

      в) Опишите условия процесса получения синтетического аммиака.   

Рассчитайте массовый процент азота в;

– нитрате  аммония NH₄NO₃;

– диаммофосе (NH₄)₂HPO₄.

      г) Рассмотрите и докажите  редокс - свойства соединений азота со степенью окисления +3 на примере следующих взаимодействий; составьте  реакции:

KMnO₄ + KNО₂ + H₂SO₄ →

KI + KNO₂ + H₄SO₄ →NO +…

112. а) Перечислите и напишите формулы природных ресурсов азота.

б) Опишите способы получения азота в промышленности;

в) Чем объяснить химическую инертность молекулы азота? Ответ мотивируйте. Рассчитайте, во сколько раз азот легче или тяжелее воздуха?

г) Известно, что соли азотной кислоты применяются в качестве взрывчатых веществ. Почему такое удобрение, как аммиачная селитра, при неправильном хранении и транспортировании может вызвать катастрофические последствия?

д) Рассчитайте, какой объем газов выделится при разложении 100 кг аммиачной  селитры (н. у.)?

113. а) Как сказывается на химических свойствах свободного азота строение его молекулы? Ответ мотивируйте.  Изобразите схему перекрывания  атомных

орбиталей  при образовании молекулы N₂.

б) Опишите реакции получения и свойства оксида азота (III) и оксида азота (IV). Взаимодействуют ли оксиды с водой, со щелочью? Какую реакцию среды имеют растворы нитритов в воде? Подтвердите уравнениями в молекулярном и ионном виде.

114. а) Сравните  электроотрицательность  азота, кислорода и фтора. Как поляризован  атом азота в соединениях с ними?

б) Показано, что в гидросфере азот усваивается  сине-зелеными водорослями. Представьте схемы превращения азота

− до аммиака,

− до нитратов.

Как называются эти процессы?

в) Приготовлен раствор азотистой кислоты, молярная концентрация которого   0.2 моль/л. Рассчитайте константу диссоциации и рН этого раствора, если степень диссоциации 0.45.

115. а) Азот в лаборатории можно получить по реакции

CuO + NH₃ → N₂ + Си +...

− докажите тип реакции;

− рассчитайте, какой объем аммиака (н. у.) надо взять для получения 100 г свободной меди.

б) Что Вы знаете о проблеме фиксации азота?

в) Перечислите и напишите химические формулы и названия азотных удобрений, в которых азот находится в амино- и амидо-формах. Рассчитайте содержание азота (N %) в них.

116. а) Опишите строение молекулы аммиака и объясните

−ее высокую полярность;

−большую растворимость в воде;

−щелочную реакцию водного раствора;

−усиление запаха аммиака при действии на него щелочи и при нагревании раствора.

б) Даны следующие соединения: HNO₂, HNO_3, NH₄NO₃, NaNО₃. Сравните их термическую устойчивость, напишите уравнения их термической диссоциации.

Рассчитайте при н.у. объем газа при разложении 100 кг натриевой селитры.

Как следует хранить азотные удобрения?

117. а) Рассмотрите оксиды азота, которые могут присутствовать в биосфере (атмосфере и гидросфере).

б) В общем виде процесс фиксации азота сине-зелеными водорослями может быть представлен:

N₂ → NH₃→ NO₂^- → NO₃^-

Опишите условия протекания стадий процесса, составьте  реакции  этих превращений.

в) Что такое кислотные дожди?

г) Рассчитайте рН раствора азотистой кислоты, молярная концентрация которой 0.01 моль/л.

118. а) Опишите химические свойства аммиака и возможности его применения в качестве удобрения.

б) Вычислите сколько молей и г аммиака может быть получено с участием 18 молей водорода?

в) Какие частицы присутствуют в водном растворе аммиака?

г) Избыток аммонийных солей в почве играет отрицательную роль, т.к. при этом наблюдается отсутствие меди в овощах и другой сельско-хозяйственной продукции. В чем сущность данного явления? Подтвердите уравнениями реакции.

119. а) Охарактеризуйте растворимость аммиака в воде:

−какую реакцию имеет водный раствор аммиака? Докажите.

−представьте выражение константы диссоциации водного раствора аммиака;

−рассчитайте массовую долю растворенного вещества в растворе, полученном растворением в 1 объеме воды 700 объемов аммиака.

б) Рассмотрите процессы взаимодействия оксида азота (IV) с

−водой,

−щелочами,

−серой;

−поведение при нагревании свыше 500°;

−какие последствия для человека может вызвать избыток оксида азота (IV) в атмосфере?

120. а) Рассмотрите химию важнейшего продукта химической промышленности - азотной кислоты:

−допишите и докажите тип реакций

Zn + HNO_{3(oч. разб.)} → NH₃ +...

−какую реакцию среды имеют нитраты?

б) Рассчитайте объем раствора азотной кислоты с массовой долей  60%, плотностью 1.18 г/см³, необходимого для приготовления 0.5 л раствора, молярная концентрация которого равна 0.2 моль/л.

Фосфор и его соединения

Контрольные задания 121-130

121.   Рассмотрите химию соединений фосфора со степенью окисления +5:

− представьте реакцию получения оксида фосфора (V);

− подтвердите кислотный характер оксида фосфора (V);

− какие продукты получаются при растворении оксида фосфора (V) в воде?

Где они применяются?

б) Известно, что фосфоритная мука - самое дешевое фосфорное удобрение (почему?)

− представьте формулу основного химического соединения, составляющего это удобрение;

− какую массу фосфоритной муки, содержащей 40% Р₂О₅, надо внести на поле 100 га, чтобы возместить потери фосфора при урожае картофеля 250 ц/га, если вынос Р₂О₅ составляет 3.0 кг/т?

122. Рассмотрите химию фосфора и его соединений:

− изобразите электронную структуру атома фосфора в основном и возбужденном состояниях. Укажите возможные степени окисления;

− в виде  каких соединений фосфор встречается в природе? Обогащенный хибинский апатит содержит 40% Р₂О₅. Какую массу фосфорной кислоты можно получить из 1 т такого сырья?

123. Опишите химию фосфатов:

− напишите и дайте названия кальциевых солей ортофосфорной кислоты;

− рассмотрите их растворимость в воде;

− докажите реакцию среды при гидролизе фосфатов калия;

− что вы знаете о химическом связывании фосфатов компонентами почвы: оксидами железа и алюминия? Составьте уравнения реакций.

124. Проследите химию фосфора и его соединений на основе следующих превращений:

Р → Са₃Р₂ → РН₃→ Р₂О₅ → НРО₃ → Н₃РО₄ → NaH₂PO₄;

− перечислите, к каким классам соединений следует отнести вещества в представленной цепочке?;

− какие процессы являются окислительно - восстановительными?

− рассчитайте,  какой объем (н.у.) фосфина получится из 100 г фосфида кальция?;

− уравнениями реакций гидролиза дигидрофосфата натрия  в молекулярной и ионной форме докажите рН среды.                                                 

125. Рассмотрите биологическую роль фосфора:

− круговорот фосфора в природе;

− в виде  каких типов соединений фосфор содержится врастительных клетках и в почве?;

− в производстве фосфорной кислоты образуются сточные воды, которые нельзя сбрасывать без очистки. В первую очередь очистку проводят от взвешенных частиц фосфора а) кислородом, б) хлором, в) азотной кислотой. Составьте соответствующие уравнения взаимодействий и докажите тип реакций;

− рассчитайте массу фосфора, которая может быть окислена 10 л азотной кислоты с массовой долей  96% и плотностью 1.50 г/мл.

126. а) Напишите формулы важнейших фосфорных удобрений:

− опишите методы их промышленного получения;

− рассмотрите их растворимость в воде и кислотах;

− рассчитайте объем аммиака (н.у.),  который  надо пропустить через 200 кг раствора с массовой долей фосфорной кислоты 49% для получения гидрофосфата аммония;

− как называется это удобрение?

б) Как фосфаты (фосфорные удобрения) попадают в гидросферу? Какова экологическая особенность такого явления?

127. Опишите экологические особенности химии фосфора:

− в форме  каких соединений циркулирует фосфор в экологических системах?;

− какие токсичные металлы могут поступать в водоемы вместе с фосфорными удобрениями?;

− для удаления из сточных вод фосфатов используются соли железа, кальция и алюминия. Подтвердите соответствующими уравнениями;

−  показано, что с простым суперфосфатом на 1 кг Р₂О₅ поступает в почву до 50 г/га кадмия в год. Рассчитайте массу кадмия, поступающего в почву с 200 кг простого суперфосфата.

128. Химия фосфорных кислот:

− представьте формулы и проведите классификацию фосфорных кислот;

− рассмотрите:

а) диссоциацию ортофосфорной кислоты; 

б) взаимодействие металлов с ортофосфорной кислотой;

в) гидролиз  ортофосфата натрия;

г) какой объем раствора ортофосфорной кислоты с массовой  долей  50.6% плотностью 1.340 г/см³ необходим для получения 3 л раствора, молярная концентрация эквивалента которого 0.1 моль/л.

129. а) Рассмотрите возможные степени окисления фосфора на основе строения атома.

б) Представьте реакции фосфора с металлами, галогенами, азотом. Укажите тип  взаимодействий.

в) Рассчитайте массу КМnO₄, которая потребуется для того, чтобы в выделившемся  при его разложении кислороде сжечь фосфор. Полученное соединение растворить в воде и получить 200 г раствора метафосфорной кислоты с массовой долей 40%.

130. а) Фосфаты как соли ортофосфорной кислоты:

− допишите продукты следующих взаимодействий; в молекулярном и ионном виде представьте уравнения реакций. Какое значение имеют эти продукты в  сельско - хозяйственном  производстве?

Na₃PO₄ + Ca(NO₃)₂ →

NaH₂PO₄ + Ca(NO₃)₂ →

Na₂HPO₄ + Ca(NO₃)₂ →

Б)  Растворы фосфата, гидрофосфата и дигидрофосфата калия с массовой долей ω =0.01 имеют следующие рН: 12.1; 8.9; 4.6. Почему? Докажите, составив ионные и молекулярные уравнения. Рассчитайте  концентрации   ионов водорода в этих растворах.

 

Сера и ее соединения

Контрольные задания 131-140

131. Изобразите электронную структуру атома серы в нормальном и возбужденном состоянии. Сделайте вывод о возможных степенях окисления атома серы и о числе ковалентных связей, которые он может образовать. Приведите примеры соединений, в которых осуществляются эти связи. Изобразите графические формулы представленных соединений.

132. Водородные соединения серы, их получение, характер связей, пространственная структура молекул. Кислотные свойства сероводорода. Сколько литров сероводорода (н.у.) следует растворить в 3 л воды, чтобы получить раствор с массовой долей 0.5%?

133. Опишите окислительно - восстановительные свойства сероводорода, допишите следующее уравнение реакции, подберите коэффициенты методом электронного баланса:

H₂S + KMnO₄ + H₂SO₄ →

Рассчитайте массу перманганата калия, необходимую для окисления 10 л (н.у.) сероводорода.

134. Дайте характеристику кислородных соединений серы со степенью окисления +4. Каковы электронная структура, длина связи и валентный угол в молекуле диоксида серы? Чем объяснить хорошую растворимость диоксида серы в воде? Опишите кислотные свойства образовавшегося раствора. Ответ сопровождайте соответствующими уравнениями реакций. Какова молярная концентрация раствора, если в 1 литре растворено 50 литров (н.у.) SO₂?

135. Опишите окислительно - восстановительные свойства диоксида серы и сернистой кислоты. Ответ подтвердите уравнениями реакций. Известно, что диоксид серы является токсичным и уже в малых концентрациях раздражает слизистые оболочки, вызывает хрипоту, одышку, расстройство сознания. Рассчитайте, сколько литров SO₂ (н.у.)  может содержаться  в  лаборатории размеров 15x10x3 м, чтобы концентрация SO₂ не превысила 0.1% по объему.

136. Охарактеризуйте отношение к гидролизу сульфатов, сульфитов и сульфидов. Какова реакция среды в растворах Na₂SO₄, Na₂SO₃, Na₂S? Напишите уравнения реакций в молекулярном и ионном виде, рассчитайте константу гидролиза сульфида натрия по первой ступени.

137. Что является исходным сырьем для получения серной кислоты? Почему серный ангидрид, получающийся при контактном методе, не поглощается водой? Что используется для поглощения SO₃? Какова концентрация продажного препарата серной кислоты?

Известно, что каменные угли содержат в среднем 1-1.5% серы. Сколько серной кислоты в виде дождя выпадет на землю, если сжечь 5 т угля?

138. В чем разница действия концентрированной и разбавленной серной кислоты на металлы? Одинаковое ли количество серной кислоты потребуется для растворения 20 г никеля, если в одном случае использовать концентрированную, а в другом разбавленную кислоту? Напишите уравнения реакции и сделайте расчеты.

139. Известно, что большая часть производимой в мире серной кислоты расходуется на производство удобрений. Напишите уравнения реакций, в которых серная кислота используется для получения удобрений. Рассчитайте массу двойного суперфосфата, которую можно получить из 200 т фосфорита, содержащего 50% фосфата кальция.

140. Дайте характеристику солей серной кислоты по следующей схеме:    

а) средние и гидросульфаты;

б) растворимость сульфатов;

в) применение сульфатов в сельском хозяйстве в качестве удобрений, фунгицидов, для улучшения качества почв;

г) напишите уравнение реакции разложения железного купороса. Какую массу серной кислоты можно получить из 100 г железного купороса?