Сборник текстов на казахском, русском, английском

440 

liquid  ammonia,  KNH

2

  (supplying  NH

2

-

)  is  a  strong  base,  and  NH

4

NO

3

  (supplying 

NH

4

+

) is a strong acid. In liquid sulfur dioxide (SO

2

), thionyl compounds (supplying 

SO

2+

) behave as acids, and sulfites (supplying SO

3

2−

) behave as bases. 

Here are some nonaqueous acid-base reactions in liquid ammonia 

2NaNH

2

 (base) + Zn(NH

2

)

2

 (amphiphilic amide) 

→ Na

2

[Zn(NH

2

)

4

] 

2NH

4

I (acid) + Zn(NH

2

)

2

 (amphiphilic amide) 

→ [Zn(NH

3

)

4

)]I

2

 

Nitric acid can be a base in liquid sulfuric acid: 

HNO

3

 (base) + 2H

2

SO

4

 

→ NO

2

+

 + H

3

O

+

 + 2HSO

4

-

 

And  things  become  even  stranger  in  the  aprotic  world,  for  example  in  liquid 

N

2

O

4

: 

AgNO

3

 (base) + NOCl (acid) 

→ N

2

O

4

 + AgCl 

Since  solvent-system  definition  depends  on  the  solvent  as  well  as  on  the 

compound itself, the same compound can change its role depending on the choice of 

the solvent. Thus, HClO

4

 is a strong acid in water, a weak acid in acetic acid, and a 

weak base in fluorosulfonic acid. 

Other acid-base theories 

 

Usanovich definition 

 

The most general definition is that of the Russian chemist Mikhail Usanovich, 

and can basically be summarized as defining an acid as anything that accepts negative 

species or donates positive ones, and a base as the reverse. This tends to overlap the 

concept  of  redox  (oxidation-reduction),  and  so  is  not  highly  favored  by  chemists. 

This  is  because  redox  reactions  focus  more  on  physical  electron  transfer  processes, 

rather  than  bond  making/bond  breaking  processes,  although  the  distinction  between 

these two processes is somewhat ambiguous. 

Lux-Flood definition 

This  definition,  proposed  by  German  chemist  Hermann  Lux  in  1939,  further 

improved  by  Håkon  Flood  circa  1947

 

and  now  commonly  used  in  modern 

geochemistry and electrochemistry of molten salts, describes an acid as an oxide ion 

acceptor and a base as an oxide ion donor. For example: 

MgO (base) + CO

2

 (acid) 

→ MgCO

3

 

CaO (base) + SiO

2

 (acid) 

→ CaSiO

3

 

NO

3

-

 (base) + S

2

O

7

2-

 (acid) 

→ NO

2

+

 + 2SO

4

2-

 

Pearson definition 

Main article: HSAB concept 

In  1963  Ralph  Pearson  proposed  an  advanced  qualitative  concept  known  as 

Hard  Soft  Acid  Base  principle,  later  made  quantitative  with  help  of  Robert  Parr  in 

1984.  'Hard'  applies  to  species  which  are  small,  have  high  charge  states,  and  are 

weakly  polarizable.  'Soft'  applies  to  species  which  are  large,  have low  charge  states 

and are strongly polarizable. Acids and bases interact and the most stable interactions 

are hard-hard and soft-soft. This theory has found use in both organic and inorganic 

chemistry.  

 

Earth Chemistry 

441 

The Earth and its Lithospher 

 

The earth has been in a state of continual change since its formation. The major 

part  of  this  change,  involving  volcanism  and  tectonics,  has  been  driven  by  heat 

produced from the decay of radioactive elements within the earth. The other source of 

change has been solar energy, which acts as the driving force of weathering and is the 

ultimate source of energy for living organisms. 

The  solar  system  was  probably  formed  about  4.6  billion  years  ago,  and  the 

oldest known rocks have an age of 3.8 billion years. There is thus a gap of 0.8 billion 

years for which there is no direct evidence. It is known that the earth was subjected to 

extensive  bombardment  earlier  in  its  history;  recent  computer  simulations  suggest 

that the moon could have resulted from an especially massive collision with another 

body. Although these major collisions have diminished in magnitude as the matter in 

the solar system has become more consolidated, they continue to occur, with the most 

recent  one  being  responsible  for  the  annihilation  of  the  dinosaurs  and  much  of  the 

other life on Earth. The lack of many overt signs of these collisions (such as craters, 

for  example)  testifies  to  the  dynamic  processes  at  work  on  the  Earth’s  surface  and 

beneath it. 

 

Chemical composition of the Earth 

 

The earth is composed of 90 chemical elements, of which 81 have at least one 

stable isotope. The unstable elements are 

43

Tc and 

61

Pm, and all elements heavier than 

83

Bi. 

 

 

 

Note  that  the  vertical  axis  is  logarithmic,  which  has  the  effect  of  greatly 

reducing 

the visual impression of the differences between the various elements. 

The chart gives the abundances of the elements present in the solar system, in 

the  earth  as  a  whole,  and  in  the  various  geospheres.  Of  particular  interest  are  the 

differences  between  the  terrestrial  and  cosmic  abundances,  which  are  especially 

notable in the cases of the lighter elements (H, C, N) and the noble gas elements (He, 

Ne, Ar, Xe, Kr). 

Given  the  mix  of  elements  that  are  present  in  the  earth,  how  might  they 

combine  so  as  to  produce  the  chemical  composition  we  now  observe? 

442 

Thermodynamics  allows  us  to  predict  the  composition  that  any  isolated  system  will 

eventually  reach  at  a  given  temperature  and  pressure.  Of  course  the  earth  is  not  an 

isolated  system,  although  most  parts  of  it  can  be  considered  approximately  so  in 

many  respects,  on  time  scales  sufficient  to  make  thermodynamic  predictions 

reasonably  meaningful.  The  equilibrium  states  predicted  by  thermodynamics  differ 

markedly  from  the  observed  compositions.  The  atmosphere,  for  example,  contains 

0.03% CO

2

 , 78% N

2

 and 21% O

2

 ; in a world at equilibrium the air would be 99% 

CO

2

. 

Similarly, the oceans, containing about 3.5% NaCl, would have a salt content 

of 35% if they were in equilibrium with the atmosphere and the lithosphere. Trying to 

understand the mechanisms that maintain these non-equilibrium states is an important 

part of contemporary environmental geochemistry. 

 

Structure of the Earth 

 

Studies  based  on  the  reflection  and  refraction  of  the  acoustic  waves  resulting 

from earthquakes show that the interior of the earth consists of four distinct regions. 

A  combination  of  physical  and  chemical  processes  led  to  the  differentiation  of  the 

earth into these major parts. This is believed to have occurred approximately 4 billion 

years ago. 

 

The Earth's Core 

The Earth’s core is believed to consist of two regions. The inner core is solid, 

while the outer core is liquid. This phase difference probably reflects a difference in 

pressure and composition, rather than one of temperature. Density estimates obtained 

from seismological studies indicate that the core is metallic, and mainly iron, with 8-

10 percent of lighter elements. 

Hypotheses about the nature of the core must be consistent with the the core’s 

role  as  the  source  of  the  earth’s  magnetic  field.  This  field  arises  from  convective 

motion  of the  electrically  conductive liquid  comprising the  outer core.  Whether this 

convection is driven by differences in temperature or composition is not certain. The 

estimated  abundance  of  radioactive  isotopes  (mainly  U

238

  and  K

40

  in  the  core  is 

sufficient  to  provide  the  thermal  energy  required  to  drive  the  convective  dynamo. 

Laboratory  experiments  on  the  high-pressure  behavior  of  iron  oxides  and  sulfides 

indicate that these substances are probably metallic in nature, and hence conductive, 

at  the  temperatures  (4000-5000K)  and  pressures  (1.3-3.5  million  atm)  that  are 

estimated  for  the  core.  Their  presence  in  the  core,  alloyed  with  the  iron,  would  be 

443 

consistent  with  the  observed  density,  and  would  also  resolve  the  apparent  lack  of 

sulfur in the earth, compared to its primordial abundance. 

 

The mantle 

 

The region extending from the outer part of the core to the crust of the earth is 

known as the mantle. The mantle is composed of oxides and silicates, i.e., of rock. It 

was  once  believed  that  this  rock  was  molten,  and  served  as  a  source  of  volcanic 

magma. It is now known on the basis of seismological evidence that the mantle is not 

in the  liquid state.  Laboratory  experiments  have shown, however,  that  when  rock  is 

subjected to the high temperatures and pressures believed to exist in the mantle, it can 

be deformed and flows very much like a liquid. 

The  upper  part  of  the  mantle  consists  of  a  region  of  convective  cells  whose 

motion  is  driven  by  the  heat  due  to  decay  of  radioactive  potassium,  thorium,  and 

uranium,  which  were  selectively  incorporated  in  the  crystal  lattices  of  the  lower-

density  minerals  that  form  the  mantle.  There  are  several  independent  sources  of 

evidence of this motion. First, there are gravitational anomalies; the force of gravity, 

measured  by  changes  in  elevation  in  the  sea  surface,  is  different  over  upward  and 

downward moving regions, and has permitted the mapping of some of the convective 

cells. Secondly, numerous isotopic ratio studies have traced the exchange of material 

between  oceanic  sediments,  upper  mantle  rock,  and  back  into  the  continental  crust, 

which forms from melting of the upper mantle. Thirdly, the composition of the basalt 

formed  by  upper  mantle  melting  is  quite  uniform  everywhere,  suggesting  complete 

mixing of diverse materials incorporated into the mantle over periods of 100 million 

years. 

High-pressure  studies  in  the  laboratory  have  revealed  that  olivine,  a  highly 

abundant  substance  in  the  mantle  composed  of  Fe,  Mg,  Si,  and  O  (and  also  the 

principal  constituent  of  meteorites)  can  undergo  a  reversible  phase  change  between 

two  forms  differing  in  density.  Estimates  of  conditions  within  the  upper  mantle 

suggest that the this phase change could occur within this region in such as way as to 

contribute to convection. The most apparent effect of mantle convection is the motion 

it  imparts  to  the  earth’s  crust,  as  evidenced  by  the  the  external  topography  of  the 

earth. 

 

 

Cross  section  of  the  crust  and 

upper  mantle.  The  dark-  and 

medium-brown 

represent 

the 

continental  and  oceanic  crust, 

respectively, 

while 

the 

light 

brown  is  the  upper  part  of  the 

mantle. 

Arrows 

show 

the 

direction  of  movement.  Click  on 

the link below for a more detailed 

description. 

From  a  Columbia  U.  course  Web 

site of Prof. Paul Polson 

  

444 

The crust 

 

The  outermost  part  of  the  earth,  known  also  as  the  lithosphere,  is  broken  up 

into  plates  that  are  supported  by  the  underlying  mantle,  and  are  moved  by  the 

convective cells within the mantle at a rate of a few centimetres per year. New crust 

is formed where plates move away from each other under the oceans, and old crust is 

recycled back into the mantle as where plates moving in opposite directions collide. 

 

 

 

This  dynamic  earth:  the  story  of  plate 

tectonics  is  an  excellent,  graphics-rich  site 

maintained  by  the  U.S.  Coast  and  Geodetic 

Survey. 

Click  on  the  image  at  the  right  to  see  an 

expanded  map  of  the  world's  crustal  plates  from 

the USCGS site. 

 

 

 

   

   

 

The oceanic crust 

The  parts  of  the  crust  that  contain  the  world’s  oceans  are  very  different  from 

the  parts  that  form  the  continents.  The  continental  crust  is  10-70  km  thick,  while 

oceanic crust averages only 5-7 km in thickness. Oceanic crust is more dense (3.0-3.1 

g cm

–3

) and therefore “floats” on the mantle at a greater depth than does continental 

crust  (density  2.7-2.8  ).  Finally,  oceanic  crust  is  much  younger;  the  oldest  oceanic 

crust  is  about  200  million  years  old,  while  the  most  ancient  continental  rocks  were 

formed 3.8 billion years ago. 

 

New  crust  is  formed  from  molten 

material  in  the  upper  mantle  at  the 

divergent  boundaries  that  exist  at 

undersea  ridges.  The  melting  is  due  to 

the  rise  in  temperature  associated  with 

the  nearly  adiabatic  decompression  of 

the upper 50-70 km of mantle material 

as  separation  of  the  plates  reduces  the 

pressure  below.  The  molten  material 

collects  in  a  magma  pocket  which  is 

gradually  exuded  in  undersea  lava 

flows. 

The 

solidified 

lava 

is 

transformed into crust by the effects of 

heat  and  the  action  of  seawater  which 

selectively  dissolves  the  more  soluble 

components. 

 

 

 

 

 

 

An 

animated 

view 

of 

seafloor  spreading  can  be 

seen 

at 

the 

PBS 

site 

Mountain 

maker, 

earth 

shaker,  which  has  a  lot  of 

good stuff on plate tectonics. 

 

 

 

 

 

 

 

Plate collisions 

 

 

445 

 

 

Where  two  plates  collide,  one 

generally  plunges  under  the  other  and 

returns  to  the  mantle  in  a  process  known 

as subduction. Since the continental plates 

have  a  lower  density,  they  tend  to  float 

above  the  oceanic  plates  and  resist 

subduction.  At  continental  boundaries 

such  as  that  of  the  North  American  west 

coast where an oceanic plate pushes under 

the  continental  crust,  oceanic  sediments 

may  be  sheared  off,  resulting  in  a  low 

coastal mountain range (see here for a nice 

animation  of  this  process.)  Also,  the 

injection  of  water  into  the  subducting 

material lowers its melting point, resulting 

in  the  formation  of  shallow  magma 

pockets  and  volcanic  activity.  Divergent 

plate  boundaries  can  cross  continents, 

however;  temporary  divergences  create 

rift  valleys  such  as  the  Rhine  and  Rio 

Grande,  while  permanent  ones  eventually 

lead to new oceanic basins. 

Collision  of  two  continental  plates 

can  also  occur;  the  most  notable  example 

is the one resulting in the formation of the 

Himalayan mountain chain. 

(See  the  USCGS  Plate  Motions 

page for much more about these and other 

diagrams.)  

 

 

 

 

 

 

Carbon and its Compounds 

  

Carbon  is  an  element  of  immense  significance  in  both  its  elemental  and 

combined  form.  We  are  surrounded  by  compounds  made  up  of  carbon  and  its 

substituents. The list given below illustrates the importance of carbon compounds in 

our daily life: 

1.

 

Foods [starch, sugar, fats, vitamins, proteins]  

2.

 

Fuels [wood, coal, alcohol, petrol]  

3.

 

Household and commercial articles [paper, soap, cosmetics, oils, paints] 

4.

 

Textile fabrics [cotton, wool, silk, linen, rayon, nylon]  

5.

 

Drugs and disinfectants [penicillin, quinine, aspirin, sulfa drugs]  

6.

 

Poisons [opium, strychnine]  

7.

 

Perfumes [vanillin, camphor]  

8.

 

Explosives [nitroglycerine, dynamite, picric acid, TNT]  

9.

 

Dyes [indigo, congo red, malachite green]  

446 

10.

 

War gases [mustard gas, chloropicrin, lewisite] 

The list above consists of compounds having plant or animal origin like sugar, 

starch, proteins, acetic acid, urea, etc. These are classified as organic compounds and 

their  chemistry  is  known  as  "Organic  Chemistry".  Modern  organic  chemistry 

comprises  the  chemistry  of  carbon  compounds  which  are  natural  as  well  as  man 

made.  Much  of  organic  chemistry  is  devoted  to  studying  compounds  of  carbon  and 

hydrogen, i.e., hydrocarbons and their derivatives. 

Carbon compounds are of a second type which can be prepared from minerals 

such as oxygen, halogens and metals. These are "inorganic" and result in compounds 

like  carbon  dioxide,  sodium  chloride,  copper  sulphate,  potassium  nitrate,  sodium 

carbonate, etc. Their chemistry is referred to as "Inorganic Chemistry". 

  

Carbon 

 

Back to Top 

Carbon undergoes oxidation by combining with oxygen at higher temperature 

to  form  oxides,  viz.,  carbon  monoxide  (CO)  and  carbon  dioxide  (CO

2

).  Carbon 

monoxide  is  formed  when  incomplete  combustion  of  carbon  or  carbon  containing 

fuels take place. 

C + 1212 O

2

 

→→ CO

(g)

 

CO is present in automobile exhausts (when there is incomplete combustion), 

volcanic gases, chimney gases, etc. 

C + O

2(g)

 

→→ CO

2(g)

 + Heat 

2CO + O

2(g)

 

→→ 2CO

2(g)

 + Heat 

CH

4

 + 2O

2(g)

 

→→ CO

2(g)

 + 2H

2

O 

жүктеу/скачать 8,9 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: