Химия. В 2 частях. Ч.II. Учебное пособие

МОДУЛЬ IV

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

1. Валентность, степень окисления. Написание формул веществ

Степень окисления – это условный заряд атомов, который приписывается им, исходя из предположения, что связь в соединении является ионной. Степень окисления может иметь положительное, отрицательное или нулевоезначение. Какправило, знакставитсяпередчислом: –1, –3, +4, вотличие от заряда иона, где знак ставится после числа. Максимальная положительнаястепеньокисленияравнаномеругруппывПериодическойсистеме, вкоторой находится элемент. Минимальная отрицательная степень окисления (для неметаллов) определяется по формуле 8 – n, где n – это номер группы. Например, для хлора – это –1 (8 – 7 = 1), для азота – это –3 (8 – 5 = 3).

То, какую степень окисления будет иметь атом в соединении, определяется величиной его электроотрицательности. Более электроотрицательный атом будет иметь в соединении отрицательную степень окисления, а более электроположительный – положительную степень окисления.

Обязательным условием при написании формул веществ является то,

что в молекулах алгебраическая сумма степеней окисления элементов с учетом числа их атомов равна 0.

Необходимо знать:

1.Степень окисления металлов в соединениях всегда положительная. Высшая степень окисления металла в соединении соответствует номеру группы периодической системы, в которой находится данный элемент. Исключением являются некоторые элементы: золото Au+3 (I группа), медь Cu+2 (II группа), из VIII группы степень окисления +8 может иметь только осмий Os и рутений Ru.

2.Степень окисления простых веществ равна 0, независимо от того металл это или неметалл.

3.Фтор в соединениях всегда имеет степень окисления –1.

61

Модуль IV. Неорганическая химия

4.Кислород в соединениях имеет степень окисления –2. Исключением являются его соединения с фтором, где он проявляет положительные степени окисления (O+2F2, O2+1F2), а также пероксид водорода H2O2–1

иперекисные соединения типа Na2O2 , в которых у кислорода степень окисления –1.

5.Водород в соединениях имеет степень окисления +1. Исключением являются гидриды (соединения водорода с металлами главной подгруппы первой и второй групп), где степень окисления водорода –1, например

Na+H–.

Валентность – это свойство атомов образовывать определенное число химических связей с атомами-партнерами.

Для того чтобы составить формулу вещества, необходимо знать количественные соотношения атомов различных элементов в составе данного вещества. Валентность показывает, со сколькими атомами одновалентного элемента соединяется атом данного элемента. Одновалентными называют элементы, атомы которых всоединениях состоят издвух элементов исвязаны с одним атомом другого элемента. Примером одновалентного элемента является водород. Поэтому считается, что валентность элемента указывает нато, сосколькимиатомамиводородасоединенодинатомрассматриваемого элемента. Например: в HCl хлор проявляет валентность, равную 1 (одновалентен), в H2O кислород проявляет валентность, равную 2 (двухвалентен), вNH3 азотпроявляетвалентность, равную3 (трехвалентен). Кислород же считается двухвалентным.

2. Типы химических реакций

Химической реакцией называют процесс, в результате которого исходные вещества превращаются в продукты реакции, которые отличаются по составу и строению. В результате такого превращения не меняется общее число ядер атомов, а происходит перераспределение электронов и ядер, в результатечегообразуютсяновыехимическиевещества. Необходимоотличать химические реакции от ядерных.

Ядерными называют реакции, в ходе которых ядра атомов изменяют свой состав и структуру, при этом образуются новые ядра и частицы. В нашем курсе мы будем изучать только химические реакции.

62

2. Типы химических реакций

Химические реакции можно разделить на простые и сложные. Простые реакции, в свою очередь, подразделяются на: реакции соединения, разложения, замещения и обмена.

1. Реакции соединения – это такие реакции, в результате протекания которых из двух простых веществ (или из двух сложных) образуется одно сложное. Причем, как правило, реакции соединения по тепловому эффекту являются экзотермическими. Например:

Fe + S → FeS

CaO + CO2 → CaCO3

2. Реакции разложения – это такие реакции, в результате которых из одного сложного вещества образуется несколько простых (или сложных) веществ. Эти реакции являются противоположностью реакций соединения. Несложно догадаться, что по тепловому эффекту они чаще всего являются эндотермическими. Например:

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O

H2S → H2 + S

3. Реакции замещения – это такие реакции, которые протекают между простым и сложным веществом, в результате чего атомы простого вещества замещают атомы одного из элементов сложного вещества. Например:

Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2

Fe + CuSO4 → CuSO4 + Fe

4. Реакции обмена – это реакции, которые проходят между сложными веществами, в результате чего они обмениваются своими составными частями. Например:

2KOH + Cu(NO3)2 → Cu(OH)2 + 2KNO3

H2SO4 + BaCl2 → BaSO4 + 2HCl

Химические реакции при их осуществлении всегда сопровождаются некоторыми признаками. В частности – изменение цвета, выделение газа, выпадение осадка, выделение или поглощение тепла. Но обя-

зательным условием протекания любой реакции является связывание ионов в продуктах реакции (должно образоваться слабодиссоциирующее вещество).

63

Модуль IV. Неорганическая химия

Вопросы и упражнения

1.В чем заключается отличие понятий «степень окисления» и «валентность»?

2.Какой суммарный заряд имеет молекула?

3.Почему водород в соединениях практически всегда имеет степень окисления +1, за исключением соединений с металлами?

4.Какую степень окисления имеет йод в молекуле I2?

5.Какую валентность проявляет сера в соединении H2S?

6.Какую минимальную отрицательную степень окисления может имеет углерод в соединениях?

7.Какуюмаксимально возможнуюположительнуюстепеньокисленияможет иметь марганец в соединениях?

8.К какому типу реакции можно отнести взаимодействие: 4P + 5O2 → 2P2O5

9.Каков тепловой эффект будет этой реакции?

10.Определите тип химической реакции: CaCO3 → CaO + CO2

3. Основные классы неорганических соединений

Все вещества можно разделить на две большие группы: простые и сложные. Простыми называются вещества, которые состоят из атомов одного вида (например: H2, N2, Fe, He); сложными называют вещества, которые состоят из атомов разного вида. В свою очередь, сложные вещества можно разделить на четыре класса:

1)оксиды;

2)основания;

3)кислоты;

4)соли.

3.1. Оксиды

Оксиды – сложные вещества, в состав которых входят атомы металлов/ неметаллов и атомы кислорода в степени окисления –2. Оксиды делят на две группы поспособности образовывать соли: солеобразующие (это такие,

64

3. Основные классы неорганических соединений

которым соответствуют соли. Например: SO3, P2O5, Na2O, CuO) и несолеобразующие (таким оксидам соли не соответствуют. Например: CO, N2O, NO, SiO).

Солеобразующие оксиды делятся на три группы:

●Основные оксиды – этооксиды металлов, которым соответствуют основания. Как правило, к основным относят оксиды металлов I и II групп главных подгрупп, а также оксиды металлов побочных подгрупп в невысших степенях окисления. Например: Li2O, CaO, FeO, NiO.

●Кислотные оксиды – это оксиды неметаллов, которым соответствуют кислоты. К кислотным оксидам относят оксиды неметаллов (за исключением несолеобразующих) и оксиды металлов в степенях окисления от +5 до

+7. Например: SO3, CO2, Mn2O7, CrO3.

●Амфотерные оксиды – это оксиды металлов в невысоких степенях окисления. Например: Al2O3, Cr2O3, ZnO, BeO, Fe2O3.

Номенклатура

Согласномеждународнойноменклатуреназваниеоксидовобразуетсяот латинскогокорняназванияболееэлектроотрицательногоэлемента(этокислород, а латинское название oxygenium) с окончанием -ид (получается оксид) и русского названия элемента с меньшей электроотрицательностью в родительном падеже. В том случае, если элемент образует несколько оксидов, то в их названии необходимо указать степень окисления элемента римскими цифрами сразу после названия. Например:

Li2O – оксид лития Al2O3 – оксид алюминия Fe2O3 – оксид железа (III) N2O5 – оксид азота (V)

Физические свойства

Агрегатноесостояниеоксидоввесьмаразнообразно, онимогутбытькак жидкостями (Н2О), газами (СО2, SO2), так и твердыми веществами (P2O5, CuО, Al2O3, Fe2O3). При этом основные и амфотерные оксиды, как правило, твердые вещества, а кислотные оксиды – чаще газы. Окраску оксиды также имеют самую разнообразную – от бесцветной (Н2О, СО) и белой

(ZnO, TiO2) до зеленой (Mn2O7, Cr2O3) и даже черной (CuO, NiO).

65

Модуль IV. Неорганическая химия

Получение

1. Непосредственное взаимодействие металла или неметалла с кислородом:

2Ca + O2 → 2CaO

S + O2 → SO2

4Al + 3O2 → 2Al2O3

2. Термическое разложение солей, кислот или оснований: CaCO3 → CaO + CO2

H2SO3 → SO2 + H2O

2Fe(OH)3 → Fe2O3 + 3H2O 3. Обжиг или горение сложных веществ:

CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O 4FeS2 + 11O2 → 8SO2 + 2Fe2O3

Химические свойства

Мы будем рассматривать химические свойства оксидов в соответствии с их классификацией.

Химические свойства кислотных оксидов:

1. При взаимодействии с водой кислотные оксиды образуют кислоты, исключениемявляетсяоксидкремния(IV), таккакиз-засвоегостроенияон не способен в ней растворяться. Причем образующаяся кислота содержит в своем составе атом неметалла в той же степени окисления, в которой он был в составе оксида:

S+4O2 + H2O → H2S+4O3

P2+5O5 + 3H2O → 2H3P+5O4

2. Кислотные оксиды взаимодействуют с основными оксидами и образуют при этом соли:

SO2 + Li2O → Li2SO3

CO2 + MgO → MgCO3

3. При взаимодействии кислотного оксида с основанием образуется соль и вода:

66

3. Основные классы неорганических соединений

SO2 + 2LiOH → Li2SO4 + H2O

P2O5 + 6NaOH → 2Na3PO4 + 3H2O

SiO2 + 2KOH → K2SiO3 + H2O

Химические свойства основных оксидов:

1. С водой при обычных условиях взаимодействуют только оксиды металлов IA и IIA групп, за исключением оксида бериллия. В результате этого взаимодействия образуется хорошо растворимое основание:

Li2O + H2O → 2LiOH

BaO + H2O → Ba(OH)2

2. Основные оксиды реагируют с кислотными оксидами, в результате чего образуются соли:

P2O5 + 3MgO → Mg3(PO4)2

SiO2 + BaO → BaSiO3

3. Основные оксиды растворяются в кислотах, в результате такого взаимодействия образуется соль и вода:

MgO + HCl → MgCl2 + H2O

Li2O + H2SO4 → Li2SO4 + H2O

Химические свойства амфотерных оксидов:

Понятие амфотерный происходит от греческого слова «амфотерос», что означает «и тот и другой, оба». Таким образом, амфотерные оксиды могут проявлять как свойства кислотных оксидов, так свойства и основных оксидов, в зависимости от условий:

1.С водой при обычных условиях эти оксиды не взаимодействуют.

2.Вступают в реакции с кислотными оксидами, проявляя при этом основные свойства, в результате чего образуется соль:

ZnO + SO2 → ZnSO3

BeO + CO2 → BeCO3

3. Реагируют с основными оксидами, проявляя при этом кислотные свойства. В результате реакции образуются соли:

ZnO + Li2O → Li2ZnO2

BeO + Li2O → Li2BeO2

67

Модуль IV. Неорганическая химия

Al2O3 + Na2O → 2NaAlO2

Cr2O3 + Na2O → NaCrO2

4. Вступают в реакции с кислотами, при этом образуется соль и вода: ZnO + 2HCl → ZnCl2 + H2O

BeO + 2HNO3 → Be(NO3)2 + H2O

5. Вступают в реакции с сильными основаниями (IA группы), при этом образуется соль и вода:

ZnO + 2LiOH(расплав.) → Li2ZnO2 + H2O

Al2O3 + 2NaOH(расплав.) → 2NaAlO2 + H2O

Вопросы и упражнения

1.Какие вещества можно отнести к классу оксидов?

2.Почему кислород в составе оксидов всегда имеет степень окисления

–2?

3.Какие свойства проявляет оксид фосфора в реакции: P2O5 + 3CaO → Ca3(PO4)2

4.Может ли оксид кремния (IV) растворяться в воде, почему?

5.Какие свойства проявляет оксид цинка в реакции: ZnO + 2LiOH(расплав.) → Li2ZnO2 + H2O

6.Какие оксиды называют амфотерными и почему?

7.Все ли основные оксиды растворяются в воде и почему?

8.Закончите и расставьте коэффициенты в уравнениях реакций:

Li2O + HNO3 → MgO + SO3 → SO3 + H2O → CuO + H2SO4 →

3.2. Основания

Основания – это сложные вещества, в состав которых входит гидроксогруппа ОН– и катион металла или ион аммония (NH4+). Основания бывают

68

3. Основные классы неорганических соединений

одно- и многокислотные. Кислотность оснований определяется количеством гидроксильных групп, которые могут быть замещены на кислотные остатки.

Однокислотные основания образуют одновалентные металлы (KOH, LiOH и др.). Многокислотные основания образуют многовалентные метал-

лы (Mg(OH)2, Al(OH)3).

Номенклатура

По международной номенклатуре название оснований складывается из слова«гидроксид» иназванияметалланарусскомязыке. Втомслучае, если элемент образует несколько оснований, то в их названии необходимо указать степень окисления элемента римскими цифрами сразу после названия. Например:

KOH – гидроксид калия

Mg(OH)2 – гидроксид магния

Fe(OH)3 – гидроксид железа (III)

Fe(OH)2 – гидроксид железа (II)

Cu(OH)2 – гидроксид меди (II)

NH4OH – гидроксид аммония

Физические свойства

Все основания – это твердые вещества, которые имеют различную окраску. Гидроксиды металлов IA группы хорошо растворяются в воде и называются щелочи. Остальные гидроксиды в воде растворяются либо плохо, либо вообще практически не растворяются.

Получение

1. Взаимодействие активных металлов с водой: 2Li + 2H2O → 2LiOH + H2

Mg + 2H2O → Mg(OH)2 + H2

2. Растворение в воде оксидов металлов IA и IIA групп: Li2O + 2H2O → 2LiOH

BaO + H2O → Ba(OH)2

69

Модуль IV. Неорганическая химия

3. Щелочи получают электролизом водных растворов солей: 2NaCl + 2H2O → 2NaOH + H2 + Cl2

А: 2Cl– – 2e → Cl2

K: 2H2O +2e → H2 + 2OH–

2Cl– + 2H2O → Cl2 + H2 + 2OH–

4. Нерастворимые основания можно получить в результате взаимодействия щелочи и соли:

CuSO4 + 2LiOH → Cu(OH)2↓ + Li2SO4

FeCl3 + 3KOH → Fe(OH)3↓ + 3KCl

Химические свойства

Основания, которым соответствуют амфотерные оксиды, называются амфотерными основаниями, они проявляют двойственную кислотно-ос- новную природу, как и соответствующие им оксиды. Все остальные оксиды проявляют классические основные свойства.

1. Взаимодействие с кислотными оксидами сопровождается образованием соли и воды:

2LiOH + SO2 → Li2SO3 + H2O

Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

Zn(OH)2 + SO3 → ZnSO4 + H2O

2. При взаимодействии с кислотами также образуется соль и вода:

КOH + HNO3 → KNO3 + H2O

Ni(OH)2 + H2SO4 → NiSO4 + 2H2O

Fe(OH)3 + 3HCl → FeCl3 + 3H2O 3. Взаимодействуют с солями:

2LiOH + CoCl2 → Co(OH)2 + 2LiCl

2KOH + Ni(NO3)2 → Ni(OH)2 + 2KNO3

4. Амфотерные основания реагируют с основаниями: Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2[Zn(OH)4)]

70