Основы неорганической химии
.pdfУДК 546(075) ББК 24.1 я 7 0-75
Составители: Клименко B.I канд. техн. наук, доц. Володчснко А Н., канд. техн. наук, доц. Павленко В И., д-р техн. наук, проф.
Рецензент Гикунова И.В., канд. техн. наук, доц.
Основы неорганической химии: Методические указания для студентов 0-75 дневной формы обучения. - Белгород: Изд-во БелГТАСМ, 2001. - 54 с.
В методических указаниях подробно, с учетом основных разделов общей химии, рассмотрены свойства важнейших классов неорганических веществ.Данная работа содержит обобщения, схемы, таблицы, примеры, что будет способствовать лучшему усвоению обширного фактического материала. Особое внимание как в теоретической, гак и в практической части уделено связи неорганической химии с основными понятиями общей химии.
Книга предназначена для студентов первого курса всех специальностей.
УДК 546(075) ББК 24.1 я 7
© Белгородская государственная технологическая академия строительных материалов (БелГТАСМ), 2001
3
ВВЕДЕНИЕ
Познание основ любой науки и стоящих перед нею проблем - это тот минимум, который должен знать любой человек, чтобы свободно ориенти роваться в окружающем мире. Важную роль в этом процессе играет есте ствознание. Естествознание - совокупность наук о природе. Все науки делятся на точные (естественные) и изящные (гуманитарные). Первые изучают законы развития материального мира, вторые - законы развития и проявления человеческого разума. В представленной работе мы ознако мимся с основами одной из естественных наук 7 неорганической химии. Успешное изучение неорганической химии возможно лишь при условии знания состава и свойств основных классов неорганических соединений. Зная особенности классов соединений, можно характеризовать свойства их отдельных представителей.
При изучении любой науки, и химии в том числе, всегда встает во прос: с чего начать? С изучения фактического материала: описания свойств соединений, указания условий их существования, перечисления реакций, в которые они вступают; на этой базе выводят законы, управ ляющие поведением веществ или, наоборот, сначала приводят законы, а затем на их основе обсуждают свойства веществ. В данной книге мы будем использовать оба приема изложения фактического материала.
При написании этой работы авторы использовали результаты много летней педагогической работы кафедры неорганической химии.
4
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ
Что же составляет предмет химии, что изучает эта наука? Су ществует несколько определений химии.
С одной стороны, химия - это наука о веществах, их свойствах и превращениях. С другой стороны, химия - одна из естественных наук, изучающих химическую форму движения материи. Химическая форма движения материи - это процессы ассоциации атомов в молекулы и диссо циации молекул. Химическую организацию материи можно представить следующей схемой (рис. 1).
Рис. 1. Химическая организация материи
5
Материя - это объективная реальность, данная человеку в его ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от нас. Материя как объективная реальность существует в двух формах: в форме вещества и в форме поля.
Поле (гравитационное, электромагнитное, внутриядерных сил) - это форма существования материи, которая характеризуется и проявляется прежде всего энергией, а не массой, хотя и обладает последней. Энергия - это количественная мера движения, выражающая способность материаль ных объектов совершать работу.
Масса (лат. massa - глыба, ком, кусок) - физическая величина, одна из основных характеристик материи, определяющая ее инерционные и гравитационные свойства.
Атом - это низший уровень химической организации материи. Атом - наименьшая частица элемента, сохраняющая его свойства. Он состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов; в целом атом элекгронейтрален. Химический элемент - это вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Известно 109 элементов, из них 90 существует в природе.
Молекула - наименьшая частица вещества, обладающая химиче скими свойствами этого вещества.
Число химических элементов ограничено, а их комбинации дают все
многообразие веществ.
Что же такое вещество?
В широком смысле вещество - это конкретный вид материи, обла дающий массой покоя и характеризующийся при данных условиях опре деленными физическими и химическими свойствами. Известно около 600 тысяч неорганических веществ и около 5 млн органических веществ.
В более узком смысле вещество - это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц, их ассоциатов и агрегатов, находя щихся в любом из трех агрегатных состояний.
Вещество достаточно полно определяется тремя признаками: 1) занимает часть пространства; 2) обладает массой покоя;
3) построено из элементарных частиц.
6
Все вещества можно разделить на простые и сложные.
Простые вещества |
- это |
вещества, |
молекулы которых состоят из |
||
атомов одного и того |
же |
элемента (гомоатомные |
или гомоядерные |
||
молекулы). Например, |
Fe, |
С, |
Н2, 0 2 и |
др. Многие |
химические эле |
менты образуют не одно, а несколько простых веществ. Такое явле ние называется аллотропией, а каждые из этих простых веществ - аллотропным видоизменением (модификацией) данного элемента. Ал лотропия наблюдается у углерода, кислорода, серы, фосфора и ряда других элементов. Так, графит, алмаз, карбин и фуллерены - аллотроп ные видоизменения химического элемента углерода; красный, белый, черный фосфор - аллотропные видоизменения химического элемента фосфора. Простых веществ известно около 400.
Простое вещество является формой существования химических
элементов в свободном состоянии
Простые вещества делятся на металлы и неметаллы. Принадлежность химического элемента к металлам или неметаллам можно определить, пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева. Прежде чем это сделать, давайте немного вспомним строение периодической си стемы.
1.1. Периодический закон и периодическая система Д.И.Менделеева
Периодическая система элементов - это графическое выражение периодического закона, открытого Д.И.Менделеевым 18 февраля 1869 г. Периодический закон звучит так: свойства простых веществ, а также свойства соединений, находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов элемента.
Существует более 400 вариантов изображения периодической си стемы. Наиболее распространены клеточные варианты (короткий вариант - 8-клеточный и длинные варианты - 18- и 32-клеточные). Короткопе риодная периодическая система состоит из 7 периодов и 8 групп.
Элементы, имеющие аналогичное строение внешнего энергетического уровня, объединяются в группы. Различают главные (А) и побочные (В)
7
группы. Главные группы составляют s- и p-элементы, а побочные - d- элементы.
Период представляет собой последовательный ряд элементов, в ато мах которых происходит заполнение одинакового числа электронных слоев одного и того же энергетического уровня. Различие в последовательности заполнения электронных слоев объясняет причину различной длины пе риодов. В связи с этим периоды содержат разное количество элементов: 1-й период - 2 элемента; 2-й и 3-й периоды - по 8 элементов; 4-й и 5-й
периоды - по 18 элементов и 6-й период - 32 элемента.
Элементы малых периодов (2-й и 3-й) выделяют в подгруппу типиче ских элементов. Так как у d- и /элементов заполняются 2-й и 3-й снаружи элгк-
тронныгслои,тоониимеютсхож |
;свсйяваиобъединяютсявсшейсгаа. |
|
Все s-элементы кроме г |
тода и |
гелия - металлы, из ^-элементов - |
22 неметалла, а остальные |
металлы; |
d- и /-элементы - металлы. |
Характерным свойством неметаллов является большее (по срав |
||
нению с металлами) число |
электронов на внешней электронной обо |
лочке их атомов, а следовательно, большая способность к присоедине нию электронов (окислительная способность), передаваемая высокими значениями их электроотрицательности. Элементы с неметаллическими свойствами занимают правый верхний угол периодической системы
Д.И.Менделеева. Неметаллы могут бьггь газообразными (F2, О2, CI2), твердыми (В, С, Si, S) и жидкими (Вг2).
Элемент водород занимает особое место в периодической си
стеме и не имеет химических аналогов. Водород проявляет металлические
и неметаллические свойства, и поэтому в периодической системе его
помещают одновременно в IA и VIIA группу.
В силу большого своеобразия химических свойств выделяют от
дельно благородные газы (аэрогены ) - элементы VIIIA группы |
перио |
||||
дической |
системы. Исследования последних лет позволяют тем не ме |
||||
нее причислить некоторые из них (Кг, Хе, Rn) к неметаллам. |
|
|
|||
Характерным свойством металлов является то, что валентные |
элек |
||||
троны слабо связаны с конкретным атомом, и |
внутри каждого |
атома |
|||
существует так называемый электронный |
газ. |
Поэтому все |
металлы |
||
обладают |
высокой электропроводностью, |
теплопроводностью |
и |
плас |
8
тичностью. Хотя есть и хрупкие металлы (цинк, сурьма, висмут). Ме таллы проявляют, как правило, восстановительные свойства.
Сложные вещества (химические соединения) - это вещества, мо лекулы которых образованы атомами различных химических элемен тов (гетероатомные или гетероядерные молекулы). Например, С 02, КОН. Известно более 10 млн сложных веществ.
Высшей формой химической организации материи являются ассоциаты и агрегаты. Ассоциаты - это объединения простых молекул или ионов в более сложные, не вызывающие изменения химической при роды вещества. Ассоциаты существуют главным образом в жидком и газообразном состоянии, а агрегаты-в твердом.
Смеси - системы, состоящие из нескольких равномерно распреде ленных соединений, связанных между собой постоянными соотношения ми и не взаимодействующие друг с другом.
1.2. Валентность и степень окисления
Составление эмпирических формул и образование названий хи мических соединений основано на знании и правильном использовании понятий степень окисления и валентность.
Степень окисления - эго условный заряд элемента в соединении, вычисленный из предположения, что соединение состоит из ионов. Эго величина условная, формальная, так как чисто ионных соедине ний практически нет. Степень окисления по абсолютной величине может быть целым или дробным числом; а по заряду может быть положительной, отрицательной и равной нулю величиной.
Валентность - это величина, определяемая количеством неспарен ных электронов на внешнем энергетическом уровне или числом свобод ных атомных орбиталей, способных участвовать в образовании химиче ских связей.
Некоторые правила определения степеней окисления химических элементов
1.Степень окисления химического элемента в простом веществе
равна 0.
2.Сумма степеней окисления атомов в молекуле (ионе) равна 0
(заряду иона).
9
3.Элементы I—III А групп имеют положительную степень окис ления, соответствующую номеру группы, в которой находится данный элемент.
4.Элементы IV -V IIА групп, кроме положительной степени окис ления, соответствующей номеру группы; и отрицательной степени окис ления, соответствующей разнице между номером группы и числом 8, имеют промежуточную степень окисления, равную разности между номером группы и числом 2 (табл. 1).
Таблица 1
Степени окисления элементов IV -V IIА подгрупп
Эле |
Пе- |
|
Степень окисления |
|
мент |
риод |
Высшая |
Промежуточная |
Низшая |
C - |
IV |
+4 |
+2 |
-4 |
N -- V |
+5 |
+3 |
-3 |
|
S - |
VI |
+6 |
+4 |
-2 |
C I- VII |
+7 |
+5 |
- 1 |
5. Степень окисления водорода равна +1, если в соединении есть хотя бы один неметалл; - 1 в соединениях с металлами (гидридах); 0 в Н2.
Гидриды некоторых элементов
LiH |
ВеН2 |
В2Нб |
СН4 |
NH3 |
HzO |
HF |
NaH MgH2 АШ3 |
Sia, |
РНз |
H2S |
HCI |
||
КН |
СаН2 |
GaH3 |
GeH4 |
AsH3 |
H2Se |
HBr |
RbH |
SrH2 |
InH3 |
SnH4 |
SbH3 |
H2Te |
Ш |
CsH |
ВаН2 |
|
|
|
|
|
Соединения Н |
Промежуточные |
Соединения i t |
||||
|
|
|
соединения |
|
|
6. Степень окисления кислорода, как правило, равна -2, за ис ключением пероксидов (-1), надпероксидов (-1/2), озонидов (-1/3), озона (+4), фторида кислорода (+2).
7. Степень окисления фтора во всех соединениях, кроме F2> равна -1. В соединениях с фтором реализуются высшие формы окисления мно гих химических элементов (BiF5, SF6, IF?, OsFg).
10
8. В периодах орбитальные радиусы атомов с возрастанием по рядкового номера уменьшаются, а энергия ионизации возрастает. При этом усиливаются кислотные и окислительные свойства; высшие сте
пени окисления элементов становятся менее устойчивыми.
9. Для элементов нечетных групп периодической системы харак терны нечетные, а для элементов четных групп - четные степени
окисления.
10. В главных подгруппах с возрастанием порядкового номера элемента размеры атомов в общем увеличиваются, а энергия иониза ции - уменьшается. Соответственно усиливаются основные и ослабевают окислительные свойства. В подгруппах ^-элементов с увеличением порядкового номера участие «.^-электронов в образовании связей
уменьшается, а следовательно, уменьшается |
абсолютное значение степе |
||||||
ни окисления (табл. 2). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
Значения степеней окисления элементов VA подгруппы |
|||||||
Элемент |
|
|
|
Степень окисления |
|
|
|
N |
-3, |
- 2, |
- 1, |
0, |
+3, |
+5 |
|
Р |
|
|
-3, |
0, |
+3, |
+5 |
|
As |
|
|
-з, |
0, |
+3, |
+5 |
|
Sb |
|
|
|
0, |
+3, |
+5 |
|
Bi |
|
|
|
о, |
+3, |
+5 |
(неуст.) |
11. |
На свойствах |
р-элементов 4, 5 и 6-го |
периодов |
сказывается |
d- иСжатие. Почти для |
всех ^-элементов возможна |
степень |
окисле |
ния +2, по числу электронов на внешнем энергетическом уровне.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ОСНОВНЫХ КЛАССОВ НЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩ ЕСТВ
Простые и сложные вещества можно классифицировать следую щим образом (рис. 2):
С И Н О И ^ И Н й З н и О Ь С
11
НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА
Металлы |
Основные Na20 , СаО |
\ |
|
|
Li, К, Fe, Ва |
Кислотные С 02, S 0 3 |
|
|
|
|
|
|
||
Неметаллы |
|
|
|
|
Оь S, С |
Амфотсрные ZnO ВеО |
|
оксиды |
|
|
|
|||
Амфигены |
Двойные Fe304 |
|
7 \ |
|
Be, AL Zn |
|
|||
|
яолеобразующие |
|||
Аэрогены |
СО, NO, SiO, N20 |
/ |
\ |
|
Не, Ne, Аг, |
|
|
||
Основания Ва(ОН)2 |
|
|
|
|
Кислоты HNO3 |
|
ГИДРОКСИДЫ |
||
|
|
|||
Амфолиты Zti(OH)2 |
|
|
|
|
Средние КагСОз, |
|
|
|
|
Кислые МаНКЮз, |
|
|
|
|
Основные (СиОН)гСОз, 4-------- |
ООЛИ |
|
||
Двойные CaMg(COs)2 |
|
|
|
|
Смешанные СаСГСЮ |
|
|
|
> w h o w J 3 w »
Рис, 2. Схема важнейших классов неорганических веществ