Неорганическая химия. Учебное пособие

УДК 547

ББК 24.1

Неорганическая химия. Ответы на вопросы.

© ООО «Ай Пи Эр Медиа», 2010

Автор: Макарова Ольга Владимировна

Настоящее пособие представляет собой краткое изложение ответов на экзаменационные вопросы. Структура пособия соответствует общегосударственному образовательному стандарту по дисциплине «Неорганическая химия». Настоящее издание поможет систематизировать полученные ранее знания, а также подготовиться к экзамену или зачету по данному предмету и успешно сдать их.

Пособие предназначено для студентов высших, средне-специальных и средних образовательных учреждений.

1

Содержание

1.Материя и ее движение

2.Вещества и их изменение. Предмет неорганической химии

3.Закон сохранения массы. Основное содержание атомно-молекулярного учения

4.Эквивалент. Закон эквивалентности. Важнейшие классы и номенклатура неорганических веществ

5.Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

6.Теория химического строения

7.Общая характеристика p-, s-, d- элементов

8.Ковалентная связь. Метод валентных связей

9.Неполярная и полярная ковалентная связь

10.Многоцентровые связи

11.Ионная связь

12.Водородная связь

13.Превращение энергии при химических реакциях

14.Цепные реакции

15.Общие свойства неметаллов

16.Водород

17.Вода

18.Перекись водорода

19.Общая характеристика подгруппы галогенов

20.Хлор. Хлороводород и соляная кислота

21.Краткие сведения о фторе, броме и йоде

22.Общая характеристика подгруппы кислорода

23.Кислород и его свойства

24.Озон и его свойства

25.Сера и ее свойства

26.Сероводород и сульфиды

27.Свойства серной кислоты и ее практическое значение

28.Азот. Сигма - и пи – связи

29.Общая характеристика подгруппы азота

30.Аммиак

31.Соли аммония

32.Оксиды азота

33.Азотная кислота

34.Фосфор

35.Аллотропные модификации фосфора

36.Оксиды фосфора и фосфорные кислоты

37.Минеральные удобрения

2

38.Углерод и его свойства

39.Аллотропные модификации углерода

40.Оксиды углерода. Угольная кислота

41.Кремний и его свойства

42.Понятие коллоидных растворов

43.Соли кремниевой кислоты

44.Получение стекла

45.Получение цемента и керамики

46.Физические свойства металлов

47.Химические свойства металлов

48.Металлы и сплавы в технике

49.Основные способы получения металлов

50.Коррозия металлов

51.Защита металлов от коррозии

52.Общая характеристика подгруппы лития

53.Натрий и калий

54.Едкие щелочи

55.Соли натрия и калия

56.Общая характеристика подгруппы бериллия

57.Кальций

58.Оксид и гидроксид кальция

59.Жесткость воды и способы ее устранения

60.Общая характеристика подгруппы бора

61.Алюминий. Применение алюминия и его сплавов

62.Оксид и гидроксид алюминия

63.Общая характеристика подгруппы хрома

64.Хром

65.Оксиды и гидроксилы хрома

66.Хроматы и дихроматы

67.Общая характеристика семейства железа

68.Железо

69.Соединения железа

70.Доменный процесс

71.Чугун и стали

72.Тяжелая вода

73.Соли соляной кислоты

3

1. Материя и ее движение

Материя – это объективная реальность, обладающая свойством движения. Все существующее есть различные виды движущейся материи. Материя существует независимо от сознания человека. Материя существует либо в виде вещества, либо в виде поля.

Движение материи – постоянное ее взаимодействие, а также изменения состояния объектов, вызванные этими взаимодействиями. Формы движения материи различны. Пример формы движения материи: нагревание и охлаждение тел, излучение света, электрический ток, химические и физические превращения, жизненные процессы. Классификация форм

движения материи:

1)неживая природа;

2)живая природа;

3)общество.

Неживую природу характеризует взаимосвязь физической и химической форм движения, живую - биологическая, а общество - социальная форма движения. Одни формы движения материи способны переходить в другие. Например: механическое движение переходит в тепловое, тепловое - в химическое, химическое – в электрическое. Возможен и обратный переход. Взаимопереход форм движения материи подтверждает единство и связь всех ее форм. В этом явлении отражен основной закон природы – закон вечности материи и

еедвижения:

1)ни один вид материи и ни одна форма движения не могут быть получены из ничего и превращены в ничто;

2)материя и ее движение неуничтожимы и несотворимы – вечно изменяясь, они вечно существуют.

Материя не может существовать вне движения, она всегда находится в состоянии движения, изменения и развития. При уничтожении движения объект прекращает свое существование, переходит в другие объекты, которым характерно движение. Покоя -

состояния движений, обеспечивающих стабильность предмета, сохраняя его качества. Покой относителен, а движение абсолютно – это неотъемлемое свойство материи. Структурные уровни материи:

Развитие материи - переход одного качества в другое, направленное формирование новых типов организации, рождающихся из предшествующих им типов. Две разновидности процессов развития:

4

1) процессы качественных превращений, в рамках соответствия вида материи,

определенного уровня ее организации;

2) процессы перехода от одного уровня к другому.

Свойства и движение материи – предмет изучения естествознания. Оно изучает взаимные превращения, модификации и развитие конкретных видов материи, выявляет закономерности этих явлений и связь между ними. Изучение свойств и закономерностей материи позволяет управлять природными явлениями в нужном направлении и руководить ими в полном объеме.

2. Вещества и их изменение. Предмет неорганической химии

Вещества – виды материи, дискретные частицы которых имеют конечную массу покоя (сера, кислород, известь и т.д.). Из веществ состоят физические тела.

Каждое вещество имеет определенные физические свойства: агрегатное состояние

(жидкое, твердое, газообразное), температуру плавления, кипения, замерзания, плотность,

растворимость. Агрегатное состояние может переходить из одного в другое. Величины,

количественно отражающие свойства веществ называются физическими константами.

Различают чистые вещества (сера, железо, дистиллированная вода) и смеси (природная вода, содержащая соли, сплавы). Смеси называют по веществу, преобладающему в их составе. В природе абсолютно чистых веществ не встречается. Если количество примесей ничтожно мало, то вещество считается условно чистым. Чистое вещество однородно, смеси бывают однородные и неоднородные. Однородные смеси – смесь двух или нескольких веществ, которые не обнаруживаются при помощи аппаратуры (смеси газов, многие жидкости, например, кровь, сплавы).

Различают простые и сложные вещества. Вещества, состоящие из атомов одного вида,

называются простыми (S - сера, C - графит, O2 - кислород, H2 - водород, все металлы).

Вещества, состоящие из атомов разного вида, называются сложными (Н2О – вода; СО2 –

углекислый газ; Н2 SО4 – серная кислота).

Вещества подвержены различным изменениям. Явления, сопровождающиеся коренными изменениями вещества, при которых из одних веществ образуются другие,

называются химическими (Fе (железо) + S (сера) = FеS (сульфид железа)), что является предметом изучения неорганической химии. Предметом неорганической химии является изучение химических элементов и образуемых ими простых и сложных веществах (кроме

5

соединений углерода, составляющих предмет органической химии), превращение веществ,

сопровождающихся изменениями его состава, свойств и (или) строения. Неорганические вещества или минеральные – вещества, встречающиеся в неживой природе (песок, сера,

минералы, графит).

Неорганическая химия связана с другими разделами химии - аналитической химией,

коллоидной химией, кристаллохимией, физической химией, термодинамикой химической,

электрохимией, радиохимией, химической физикой; на стыке неорганической и органической химии лежит химия металлоорганических соединений и элементоорганических соединений.

Неорганическая химия соприкасается с геолого-минералогическими науками: геохимией и минералогией, а также с техническими науками - химической технологией (ее неорганической частью), металлургией и агрохимией.

3. Закон сохранения массы. Основное содержание атомно-молекулярного учения

Атомно-молекулярное учение разработал М.В. Ломоносов в 1741 г. Основные

положения закона:

1)Все вещества состоят из корпускул (молекул).

2)Молекулы состоят из элементов (атомов).

3)Частицы – молекулы и атомы, находятся в непрерывном движении. Тепловое состояние тел есть результат движения их частиц.

4)Молекулы простых веществ состоят из одинаковых атомов, а молекулы сложных веществ - из различных атомов. Атомно-молекулярное учение окончательно утвердилось в

1860 г.

Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая его химическими свойствами. Химические свойства молекулы определяются ее атомным составом и их химическим строением. Атом – это наименьшая электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов и входящая в состав молекул простых и сложных веществ. Закон сохранения массы веществ, позже (в 1748 г.) сформулированный М.В. Ломоносовым, подчинен закону атомно-молекулярного учения и объяснен с точки зрения последнего: общее число атомов остается постоянным до и после реакций. Например:

2KBr + Cl2 = 2KCl2 + Br2

H2 + Cl2 = 2HCl,

6

Т.е. из двух молекул бромида калия и одной молекулы хлора (т.е. в общем из трех молекул) образовалось 2 молекулы хлорида калия и одна молекула брома (т.е. образовалось три молекулы), 3 = 3; из одной молекулы водорода и одной молекулы хлора – 2 молекулы хлороводорода. А масса веществ до и после реакции не претерпевает изменений, т.к. атомы имеют постоянную массу. Масса веществ, вступивших в химическую реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. В 1789 г. независимо от Ломоносова, этот же закон изложил французский ученый и химик Лавуазье. Он также экспериментальным путем получил неопровержимое доказательство закона, проведя опыты с многими реакциями.

Закон сохранения массы веществ Ломоносов связывал с сохранением энергии. Он рассматривал эти законы с точки зрения всеобщего закона природы. Закон сохранения массы веществ и закон сохранения энергии – единые законы природы – законы вечной материи и ее движения. Взаимосвязь массы и энергии выражается уравнением Энштейна: Е = mc2, где Е – энергия, m – масса, и с – скорость света в вакууме. Значение закона сохранения массы веществ. Закон сохранения массы веществ позволяет правильно составить уравнение химических реакций, а также является опорой для осуществления расчетов по химическим уравнениям, а также позволяет сформулировать представление о всеобщем равновесии материи.

4. Эквивалент. Закон эквивалентности. Важнейшие классы и номенклатура неорганических веществ

Эквивалент – вещества (элемента) называется такое его количество, которое соединяется с 1 молем атомов водорода или замещает то же количество атомов водорода в химических реакциях. Эквивалент – величина безразмерная, непостоянная зависит от ряда факторов: от валентности, от реакций, в котором участвует вещество:

М

В окислительно-восстановительных реакциях Э(вещества) = +е,− е

Эквивалент в реакциях нейтрализации зависит от того, какая соль получается в результате реакции (средняя или основная).

7

или

Э(оксида) = Ээлемента + Э(О2)

Э(оксида)= 9+8=17

Э(Н2SO4) = ЭН2 + ЭSO4 = 1 + 48 = 49

Э(Са(ОН)2) = ЭСа + ЭОН = 20 + 17 = 37

Э (Al2(SO4)3) = 3426 = 5,57

Э(Al2(SO4)3) = ЭAl + Э(SO4) = 9 + 48 =57

Закон эквивалентов открыт в 1873 году Рихтером: вещества взаимодействуют друг с другом, а также получаются в массовых количествах, пропорциональных их эквивалентам.

m1 = Э1 m2 Э2 ,

где m1 и m2 массы веществ, Э эквиваленты.

Классификация неорганических веществ.

Оксиды – сложные вещества, состоящие из 2 элементов, один из которых кислород Оксиды есть несолеобразующие (N2O) и солеобразующие, которые бывают основные (К2О),

кислотные (SО2), амфотерные (Al2O3). Основания – электролиты, которые при диссоциации образуют только гидроксид-ионы. Основания бывают растворимые (щелочи: NаОН,

Ва(ОН)2), нерастворимые (Fe(OH)2), амфотерные (Аl(ОН)3).

Кислоты - электролиты, которые при диссоциации образуют катионы водорода.

Кислоты бывают сильными (Н2SO4, НNO3), слабыми (НBr), одноосновные (НСl),

многоосновные (Н2СО3, Н3РО4), кислородосодержащие (Н2SO4, НСlО), бескислородные (НI,

НСN).Соли – электролиты, при диссоциации которых образуются катионы металлов или

8

катион аммония NН4, анионы кислотных остатков. Соли бывают средние (К2SO4, Сu(NO3)2), кислые (КНSO4, NаНСО3), основные (СuОНСl, FeOHSO4 ), двойные (КМnO4, СаZnO2), комплексные (К4[Fe(CN)6] ). Существуют соли растворимые (NаСl, К2SO4) и нерастворимые

(ВаSO4, АgСl).

5. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева

Периодический закон был открыт в 1869 году. Д.И. Менделеевым. Им же была создана классификация химических элементов, выраженная в форме периодической системы. До Менделеева были предприняты попытки классификации и систематизации элементов, но неудачные. Менделеев был уверен, что между элементами существует закономерная связь. Он доказал это расположив элементы по возрастанию, взяв за основу атомный вес и обнаружил, что элементы имеющие аналогичные химические свойства встречаются через одинаковые интервалы. Эта закономерность была выражена в периодическом законе:

Свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

При анализе периодической системы Менделеева было обнаружено:

Свойства химических элементов по мере возрастания атомного веса не изменяются бесконечно, а имеют периодический характер.

В таблице Менделеева существуют периоды и группы:

Периоды - это ряды элементов, в которых свойства элементов меняются последовательно. В таблице Менделеева 3 малых и 4 больших периода. Группы – это ряды элементов обладающих сходными свойствами. В таблице Менделеева всего 8 групп.

Наибольшая валентность каждой группы по кислороду соответствует номеру группы,

за некоторыми исключениями. Элементы первой группы образуют оксиды с общей формулой - R2O, второй - RO, третьей – R2O3 и т.д.

Группы делятся на подгруппы: главную и побочную.

Значение периодической системы Менделеева:

Периодическая система элементов повлияла на последующее развитие химии.

Явилась первой естественной классификацией химических элементов, показавшей, что они взаимосвязаны друг с другом, а также послужила дальнейшим исследованиям.

9

Когда Менделеев на основе открытого им периодического закона составлял свою таблицу, многие элементы были еще неизвестны. Как, например, три элемента 4 периода.

Предположительно элементы назывались экабор (его свойства должны напоминать бор),

экаалюминий, экасилициум.

В течение 15 лет предсказания Менделеева подтвердились; все три ожидаемых элемента были открыты - французский химик Лекок де Буабодран открыл галлий,

обладающий всеми свойствами экаалюминия, Л.Ф. Нильсон открыл скандий, и К.А.Винклер открыл элемент - германий, имеющий свойства эаксилиция

Открытие Ga, Sc, Ge - доказательство существования периодического закона.

Большое значение имела периодическая система и при установлении валентности и атомных масс некоторых элементов, исправив некоторые из них. На основе периодического закона в настоящее время созданы трансурановые элементы.

6. Теория химического строения

Теорию химического строения разработал А.М. Бутлеров. Она имеет следующие

положения:

1) Атомы в молекулах соединены друг с другом в определенной последовательности.

Изменение этой последовательности приводит к образованию нового вещества с другими свойствами.

2)Соединение атомов происходит соответственно их валентностям.

3)Свойства веществ зависят от их химического строения.

Вывод: свойства вещества определяются внутренней структурой – химическим строением.

По теории Бутлерова строение молекул, возможно, изобразить в виде структурных формул. В них указана последовательность соединения атомов, каждая черточка обозначает единицу валентности.

H – Cl

Хлористый водород

H – O \

H – O – P = O

H – O ∕

Ортофосфорная кислота

10