УДК 546(075)
ББК Г1я7
С77
Стародубец Е. Е.
Поурочные разработки по отдельным темам общей и неорганической химии для факультета довузовской подготовки КНИТУ : учебное пособие / Е. Е. Стародубец, С. В. Борисевич; М-во образ. и науки России, Казан. нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2016. – 96 с.
ISBN 978-5-7882-1970-7
Предназначено для педагогов КНИТУ, выезжающих в колледжи факультета довузовской подготовки в различные регионы Республики Татарстан для проведения дополнительных занятий по общей и неорганической химии и может быть использовано при планировании и проведении дополнительных уроков в 9-11 классах СОШ. Также будет интересно преподавателям химии СОШ и учащимся старших классов, планирующим продолжение образования в технологических (технических) вузах, при самоподготовке к тестированию.
Подготовлено на кафедре неорганической химии.
Печатается по решению редакционно-издательского совета Казанского национального исследовательского технологического университета
Под редакцией доц. каф. неорганической химии Т. П. Петровой
Рецензенты: канд. пед. наук, доц. каф. совр. образ. технологий ИРО РТ И. Р. Павлова
канд. пед. наук, доц. каф. совр. образ. технологий ИРО РТ А. А. Рябова
ISBN 978-5-7882-1970-7 © Стародубец Е. Е., Борисевич С. В., 2016
© Казанский национальный исследовательский технологический университет, 2016
2
ВВЕДЕНИЕ
Учебное пособие состоит из трех основных разделов. Два раздела непосредственно посвящены предмету общей и неорганической химии: в первом разделе обсуждаются важнейшие моменты некоторых ключевых тем, приводятся дополнительные материалы к уроку, а также задания и ответы к ним; во втором разделе представлены темы, по которым учащиеся школ должны уметь решать расчетные задачи.
Третий раздел содержит методические материалы, знание которых является залогом успешной подготовки школьников к изучению предмета и сдаче аттестационных экзаменов. В частности, это авторская Программа курса химии для 8-11 классов общеобразовательных учреждений И. И. Новошинского и Н. С. Новошинской, составленная в соответствии с федеральным компонентом государственного стандарта общего образования, на основании отдельных разделов которой и составлено учебное пособие. Ознакомившись с требованиями Программы, преподаватель, ведущий дополнительные занятия, по согласованию со школьным учителем, может подобрать из пособия темы и задания для углубленной работы со школьниками старших классов по основным темам общей и неорганической химии.
При подготовке к успешной сдаче единого государственного экзамена (ЕГЭ) обязательным является также знакомство с Перечнем элементов содержания, проверяемых на экзамене по химии, вошедших в Кодификатор элементов содержания и требований к уровню подготовки выпускников образовательных организаций для проведения ЕГЭ по химии. Он содержит систематизированный перечень важнейших элементов содержания, который рассматривается в качестве инвариантного ядра действующих программ по химии для образовательных организаций. Сопоставление элементов Программы и Кодификатора поможет более рационально спланировать работу учителя и ученика, уделив основное внимание тем вопросам, которые подвергаются контролю и оцениванию в рамках единого государственного экзамена.
Кроме заданий общеобразовательного уровня, в пособии приводятся задания повышенной сложности, которые можно использовать при подготовке к химическим олимпиадам. Такие задания помечены звездочкой (*).
Таким образом, использование данного пособия поможет более глубокому изучению химии в школе, а также подготовке к химическим олимпиадам и единому государственному экзамену по химии.
3
РАЗДЕЛ 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ
Тема 1. Степени окисления атомов
Задача урока
Один из обязательных навыков, которым должны овладеть учащиеся – определение степеней окисления атомов элементов в соединениях. Это необходимо для правильного составления формул химических соединений, определения названия соединений в соответствии со стандартной номенклатурой и написания уравнений окисли- тельно-восстановительных реакций.
Чтобы не допускать ошибок в заданиях этой темы, необходимо знать и различать ряд понятий. Занятие строится как обобщение нескольких тем и призвано отработать навык определения степеней окисления в неорганических соединениях любой сложности.
§1. Степень окисления – это положительное или отрицательное число, присваиваемое каждому атому в соединении и равное заряду атома при условии, что все химические связи в соединении являются ионными. Поскольку соединений с чисто ионным характером химической связи не существуют, действительные заряды на атомах никогда не совпадают со степенями окисления. Тем не менее, использование степеней окисления позволяет решать целый ряд химических задач, о чем упоминалось выше.
Возможные степени окисления каждого элемента определяются строением его атома и его способностью принимать дополнительные электроны или отдавать свои валентные электроны. И отдавать, и принимать электроны могут атомы элементов, простые вещества которых являются неметаллами. Учитывая, что электрон обладает отрицательным зарядом, получаем, что присоединение электронов приводит к образованию отрицательной, а потеря электронов – положительной степени окисления атома. В отличие от неметаллов, металлы могут только отдавать электроны, поэтому отрицательные степени окисления для них не характерны.
Для условного деления элементов на металлы и неметаллы обычно проводят диагональ по таблице элементов Д.И. Менделеева от бериллия до астата: все элементы в нижнем образовавшемся треугольнике являются металлами. В верхнем треугольнике находятся элементы-неметаллы, за исключением элементов побочных групп
4
больших периодов – d-элементов – все их простые вещества являются металлами.
Так, сера, согласно положению в таблице элементов, является неметаллом, то есть может проявлять как положительные, так и отрицательные степени окисления. Электронная конфигурация атома серы − 1s22s22p63s23p4. Шесть валентных электронов внешнего энергетического слоя распределены по орбиталям следующим образом:
3s2 3p4
Видно, что атом серы может принять максимум два электрона до заполнения внешнего слоя – низшая степень окисления -2, или отдать на связь с другими атомами максимум все шесть валентных электронов – высшая возможная степень окисления +6. Таким образом, атому серы может быть присвоена степень окисления только от -2 до +6.
У атома натрия электронная конфигурация атома – 1s22s22p63s1, на внешнем энергетическом слое один электрон. Простое вещество – металл. Поэтому отрицательные степени окисления для натрия не характерны. Теряя единственный валентный электрон, атом натрия приобретает степень окисления +1. Значит, атом натрия кроме нулевой степени окисления может проявлять только одну степень окисления +1.
§2. Необходимо различать следующие понятия:
-«степень окисления» и «заряд частицы»;
-«степень окисления» и «валентность».
Молекулы – это электронейтральные частицы, то есть их заряд равен нулю. Заряженные частицы называют ионами. Положительно заряженные ионы называют катионами, отрицательно заряженные – анионами. Для различения зарядов и степеней окисления принято знак «+» или «–» при записи степени окисления ставить перед цифрой, а при написании заряда иона – после цифры. Например:
+1 |
+6 −2 |
+6 −2 |
|
+1 +6 −2 |
+6 −2 |
(K 2 |
MnO4 )0 |
, (MnO4 )2− , (Na2 S O4 )0 |
, (S O4 )2− , |
||
|
|
+1 +5 −1 |
0 |
+5 −2 |
|
|
|
(H N O3 ) |
, (N O3 )− . |
|
|
5
Валентность атома – это его способность образовывать связи с другими атомами. Валентные возможности атома (число ковалентных химических связей, которые атом может образовывать) определяются строением атома элемента. Так, максимально возможная валентность элементов второго периода равна четырем, а элементов третьего периода – шести. Например, атом азота имеет валентную электронную конфигурацию 2s22p3:
2s2 2p3
За счет трех непарных электронов атом азота может образовать три ковалентные связи с другими атомам, также имеющими непарные электроны. Кроме того, за счет пары электронов атом азота может образовать дополнительную ковалентную связь со свободной орбиталью другого атома по донорно-акцепторному механизму. Таким образом, валентность азота может быть от 1 до 4. Возможные же степени окисления азота лежат в пределах от -3 до +5.
У атома углерода валентность также может быть не больше четырех. При возбуждении атома С один электрон переходит с 2sорбитали на свободную 2p-орбиталь, в результате чего становится возможным образование четырех ковалентных химических связей по обменному механизму.
2s2 |
2p2 |
2s |
2p |
|
С |
|
С* |
Возможные степени окисления атома углерода лежат в пределах от -4 до +4.
У элементов третьего периода валентные возможности расширяются до шести за счет использования в образовании связей двух d- орбиталей. Например, атом серы, переведенный в возбужденное состояние, может образовать за счет шести непарных электронов максимум шесть ковалентных связей:
6
3s2 |
3p4 |
3s |
3p |
3d |
|
S |
|
|
S* |
Степени окисления, которые может проявлять сера в различных соединениях, определяются пределами от -2 до +6.
В названиях соединений часто ставят в скобках римскую циф-
ру:
+5 |
−2 |
|
+2 −2 |
|
N 2 |
O5 |
– оксид азота (V); |
N O – оксид азота (II); |
|
+2 −1 |
|
|
+3 −1 |
|
Cr Cl2 |
– хлорид хрома (II); Cr Cl3 |
– хлорид хрома (III). |
||
Эта цифра означает не валентность, а степень окисления того атома, после которого она стоит, хотя в некоторых случаях валентность и степень окисления атома могут и совпадать.
§3. Обычно для определения степеней окисления элементов не расписывают электронную конфигурацию валентных электронов, а пользуются рядом эмпирических правил, изложенных ниже.
1.Сумма степеней окисления атомов в частице равна ее электрическому заряду.
2.В простых веществах (состоящих из атомов только одного элемента) степень окисления элемента равна нулю.
3.В бинарных соединениях (состоящих из атомов двух элементов) отрицательная степень окисления присваивается атому с большей электроотрицательностью. Обычно формулы химических соединений записываются таким образом, что более электроотрицательный атом стоит в формуле вторым, хотя некоторые формулы могут быть записаны и иначе:
+1 −3 |
−3 +1 |
+4 −1 |
|
−1 +4 |
H 3 N или |
N H 3 |
(общепринятая запись), Si H4 |
или |
H 4 Si . |
4. В сложных соединениях некоторым атомам приписываются постоянные степени окисления:
- фтор всегда имеет степень окисления -1;
7
- элементы-металлы обычно имеют положительную степень окисления;
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+1 |
−2 |
|
- |
водород |
обычно |
имеет |
степень окисления +1 ( H2 |
O , |
||||
+1 +6 −2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
H2 |
S O4 |
), но в соединениях с металлами (гидридах) его степень окис- |
||||||||
|
|
|
|
+2 |
−1 |
+1 |
−1 |
|
|
|
ления равна -1: Ca H2 , |
Na H ; |
|
|
|
||||||
|
- для кислорода характерна степень окисления -2, но с более |
|||||||||
электроотрицательным |
фтором |
у |
кислорода проявляется степень |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
+2 −1 |
|
|
|
окисления |
+2, |
например |
O F2 |
, а |
в пероксидных соединениях – |
|||||
+1 |
−1 |
+1 |
−1 |
+2 |
−1 |
+1 |
−0,5 |
|
|
|
H2 |
O2 , |
Na2 O2 |
, Ca O2 |
, Na O2 (надпероксид натрия); |
|
|||||
-максимальная положительная степень окисления элемента обычно совпадает с номером группы, в которой находится элемент (табл. 1), исключения:
а) максимальная степень окисления меньше, чем номер груп-
пы: F, O, He, Ne, Ar, подгруппа кобальта: Co (+2,+3); Rh, Ir (+3,+4,+6),
подгруппа никеля: Ni (+2, редко +4); Pd, Pt (+2,+4, редко +6);
б) максимальная степень окисления выше, чем номер группы: элементы подгруппы меди: Cu (+1, +2), Au (+1, +3);
-низшая отрицательная степень окисления элементовнеметаллов определяется как номер группы минус 8 (табл. 1).
Таблица 1. Степени окисления некоторых элементов
Элемент |
Номер |
Максимальная поло- |
Низшая отрица- |
|
жительная степень |
тельная степень |
|||
группы |
||||
|
окисления |
окисления |
||
|
|
|||
Na |
I |
+1 |
0 |
|
Al |
III |
+3 |
0 |
|
N |
V |
+5 |
5 – 8 = -3 |
|
S |
VI |
+6 |
6 – 8 = -2 |
|
Cl |
VII |
+7 |
7 – 8 = -1 |
8
Упражнения для работы на занятии
Задание 1
Приведите валентные электронные конфигурации и определите возможные степени окисления и валентные возможности атомов:
а) бора; б) фтора; в) фосфора.
Задание 2
Определите максимальную положительную и низшую отрицательную степень окисления следующих элементов:
а) натрий; |
б) алюминий; |
в) кремний; |
г) хлор; |
д) мышьяк; |
е) цинк; |
ж) марганец; |
з) хром; |
и) свинец; |
к) олово. |
Составьте формулы возможных соединений этих элементов с водородом и кислородом.
Задание 3
Определите степени окисления элементов в следующих соединениях:
H3PO4, K3PO4, N2O5, NH3, Cl2, KCl, KClO3, Ca(ClO4)2, NH4Cl, HNO2, Li, Li3N, Mg3N2, NF3, N2, NH4NO3, H2O, H2O2, KOH, KH, K2O2, BaO, BaO2, OF2, F2, NF3, Na2S, FeS, FeS2, NaHS, Na2SO4, NaHSO4, SO2,
SOCl2, SO2Cl2, MnO2, Mn(OH)2, KMnO4, K2MnO4, Cr, Cr(OH)2, Cr(OH)3, K2CrO4, K2Cr2O7, (NH4)2Cr2O7, K3[Al(OH)6], Na2[Zn(OH)4], K2[ZnCl4]
§4. Часто возникают сложности в определении степеней окисления в сложные соединения – солях, формула которых содержит несколько атомов, для которых возможны разные степени окисления. В этом случае не обойтись без знания генетической связи между основными классами неорганических соединений, а именно, знания формул кислот, производными которых являются те или иные соли (тема 2).
Например: нужно определить степень окисления элементов в соединении Cr2(SO4)3. Рассуждения учащегося в этом случае могут строиться таким путём: Cr2(SO4)3 – это средняя соль серной кислоты
9