Химия. Изучаем химию химическая номенклатура. Учебное пособие

Катионы

Положительно заряженные ионы могут быть одноэлементными и многоэлементными. Систематические названия одноэлементных катионов составляют из группового слова «катион» в именительном падеже и русского названия химического элемента, образующего катион, в родительном падеже с указанием в скобках римской цифрой степени окисления1:

Fe2+ – катион железа(II); Fe3+ – катион железа(III).

Степень окисления в названии катиона читается как количественное числительное с добавлением слова «плюс»: Fe2+ – «катион железа-два-плюс»; Fe3+ – «катион железа-три-плюс».

Если элемент в катионе проявляет единственную степень окисления, ее допустимо не указывать, например:

H+ – катион водорода; Ca2+ – катион кальция; Al3+ – катион алюминия.

Названия многоэлементных катионов составляют по принципу номенклатуры комплексных соединений (см. разд. 3.6). Ниже приведены примеры систематических названий многоэлементных катионов:

TiO2+ – катион оксотитана(IV); VO2+ – катион диоксованадия(V).

Для некоторых многоэлементных катионов чаще применяются специальные названия, например: NH4+ – катион аммония; VO2+ – катион ванадила.

Анионы

Отрицательно заряженные ионы также могут быть одноэлементными и многоэлементными. Систематические названия одноэлементных анионов составляют из корня русского или латинского названия элемента с суффиксом «-ид» и добавлением через дефис слова «ион», например: H– – гидрид- ион; Cl– – хлорид-ион; Br– – бромид-ион; O2– – оксид-ион; S2– – сульфид-ион.

1  Такой метод указания степени окисления в названиях называется способом Штока.

11

Корни латинских названий большинства элементов совпадают с корнями русских названий. Для некоторых элементов они отличаются, и их лучше запомнить: С – карб-, N – нитр-, S – сульф- и др.

Для одноэлементных многоатомных анионов используют специальные названия. Например, для анионов, содержащих кислород, используют следующие названия: O3− – озонид-ион; O2− – надпероксид-ион; O22− – пероксид-ион.

Систематические названия многоэлементных анионов составляют по принципу названий комплексных соединений, например: MoO23− – триоксомолибдат(IV)-ион.

Традиционные названия наиболее распространенных многоэлементных анионов приведены в разд. 3, табл. 3.1.

Для некоторых многоэлементных анионов используются специальные названия: CN– – цианид-ион; HS– – гидросуль- фид-ион; OH– – гидроксид-ион.

Упражнения

1.1.Назовите элементы, которые в ПС находятся: а) в пятнадцатой группе; б) в шестнадцатой группе; в) в двенадцатой группе.

1.2.Назовите щелочной и щелочноземельный элементы: а) четвертого периода; б) пятого периода; в) шестого периода.

1.3.Напишите химические символы следующих элементов: хлора, селена, бария, железа, натрия, меди, азота. Для каждого элемента укажите номер периода и номер группы ПС.

1.4.Напишите русские названия элементов Mg, K, Li, H, Al, S, P, Ag, C. Для каждого элемента укажите номер периода

иномер группы ПС.

1.5.Дайте названия катионам Na+, Ba2+, Cr3+, Co2+, Al3+.

1.6.Дайте названия анионам Cl–, I–, Se2–, H–, N3–.

12

2.ХИМИЧЕСКИЕ ФОРМУЛЫ

2.1.Что показывают химические формулы?

Химическая формула – это условная запись состава вещества с помощью символов химических элементов и индексов. По химической формуле вещества можно определить его качественный и количественный состав. Качественный состав показывает, атомы каких химических элементов содержатся в веществе. Количественный состав показывает, в каком соотношении атомы соединяются друг с другом. По формуле строится систематическое название вещества, которое также полностью отражает его состав. Наряду с систематическим названием иногда используются традиционные и специальные названия.

Известно несколько видов химических формул: простейшие, молекулярные, структурные и пространственные.

Молекулярные формулы отражают число атомов элементов в составе одной молекулы вещества. Молекула – структурная единица вещества молекулярного строения.

Состав сложных веществ немолекулярного строения выражают с помощью простейших формул. Простейшие формулы показывают качественный состав вещества и количественное соотношение между атомами элементов, которые в него входят.

Простейшими формулами пользуются при выводе молекулярной формулы органического вещества (в данном пособии номенклатура органических веществ не рассматривается). При этом одной простейшей формуле может соответствовать несколько молекулярных формул.

Структурные формулы показывают порядок связей в молекулах. Связи обозначают с помощью специальных знаков – черточек. Каждая черточка – это отдельная связь между атомами. Чтобы показать расположение атомов друг относительно друга, используют пространственные формулы.

13

2.2. Химические формулы сложных веществ

Сложные вещества состоят из атомов разных элементов. Это могут быть вещества молекулярного и немолекулярного строения.

Состав вещества молекулярного строения отражает его молекулярная формула. Например, молекулярная формула H2SO4 (читается и произносится – «аш-два-эс-о-четыре») показывает, что в состав молекулы серной кислоты входят атомы водорода, серы и кислорода в таком соотношении: 2 атома водорода, 1 атом серы и 4 атома кислорода. Цифры справа внизу после символа элемента указывают на количество атомов этого элемента в молекуле вещества. При этом единицу в качестве индекса не пишут. Также по формуле можно определить, к какому классу неорганических соединений относится данное вещество:

Х

H2 S O4

При составлении формулы неорганического соединения последовательность записи формул химических элементов определяется практическим рядом (практической шкалой электроотрицательности), в котором элементы располагаются в соответствии с увеличением значений их электроотрицательности1:

Me, Si, B, Te, H, P, As, I, Se, C, S, Br, Cl, N, O, F.

1  Электроотрицательность (ЭО) – количественная характеристика способности атома притягивать к себе общие электронные пары в молекуле. Чем выше электроотрицательность элемента, тем выше его способность притягивать к себе общие электроны при образовании химической связи. Самой высокой электроотрицательностью обладает атом фтора (ЭОF = 4,0), щелочные металлы имеют самые низкие значения электроотрицательности (ЭОLi = 1,0). Значения относительной электроотрицательности некоторых атомов приведены в прил. 4.

14

В формуле соединения слева записывают менее электроотрицательный элемент. Например, в формуле соединения водорода с хлором слева будет стоять водород (ЭОH = 2,1), а справа – хлор (ЭОCl = 3,0), формула соединения – HCl (читается – «аш-хлор»). В формуле соединении бария с водородом слева будет стоять барий (ЭОBa = 0,9), а справа – водород, формула соединения – BaH2 (читается – «барий-аш-два»). В формуле Na2SO4 (читается – «натрий-два-эс-о-четыре») элементы располагаются по возрастанию значений их электроотрицательности: ЭОNa = 0,9; ЭОS = 2,5; ЭОO = 3,5. Исключениями являются некоторые соединения азота с водородом (например, аммиак NH3, читается – «эн-аш-три»); а также углеводороды (CH4; C2H4, C2H2) и соли органических кислот (например, ацетат натрия CH3COONa, читается – «цэ-аш-три- цэ-о-о-натрий»).

Состав сложных веществ немолекулярного строения выражают с помощью простейших формул, которые отражают простейшее соотношение атомов химических элементов в этих веществах. Например, простейшая формула Fe2O3 (читается – «феррум-два-о-три») показывает, что в этом соединении простейшее соотношение между числом атомов железа и числом атомов кислорода равно 2 : 3.

Группа атомов, соответствующая простейшей формуле вещества немолекулярного строения, называется его формульной единицей.

Формульная единица поваренной соли – NaCl (читается – «натрий-хлор»). Качественный состав указывает на то, что поваренная соль состоит из химических элементов натрия и хлора. Количественный состав свидетельствует о том, что на каждый атом натрия в составе поваренной соли приходится один атом хлора. Формульная единица карбоната бария BaCO3 (читается – «барий-цэ-о-три») – группа из одного атома бария, одного атома углерода и трех атомов кислорода.

При чтении формул более сложных соединений немолекулярного строения дополнительно указывают число атомов, заключенных в круглые скобки: формула Fe2(SO4)3 читается как «феррум-два-эс-о-четыре-трижды»; формула Ca(NO2)2 читается как «кальций-эн-о-два-дважды» и т.п. Последняя формула

15

показывает, что на один атом кальция приходится две группы атомов, каждая из которых состоит из одного атома азота и двух атомов кислорода.

Упражнения

2.1.  Прочитайте формулы следующих двухэлементных соединений: NaBr, Ni2O3, MgI2, CO2, SeO3, CaH2.

2.2.  Прочитайте формулы следующих многоэлементных соединений: K2SO3, Fe(NO3)3, CaCO3, Li3PO4, NaNO2, Ba(ClO4)2.

16

3. НОМЕНКЛАТУРА СЛОЖНЫХ ВЕЩЕСТВ

Согласно принципам систематической номенклатуры, химическая формула сложного вещества условно разделяется на электроположительную (катион) и электроотрицательную (анион) составляющие. Катион ставится в формуле слева, а анион – справа.

Название сложного вещества читается справа налево. Вначале указывается анион в именительном падеже, затем катион в родительном падеже. Если электроотрицательная часть состоит из одного элемента, то используют суффикс «-ид», а если из нескольких элементов – суффиксы «-ат» или «-ит». С помощью суффиксов, а также приставок, которые входят в состав названия, отражаются тип и особенности вещества.

Количественный состав вещества в названии характеризуют также с помощью числовых приставок (см. разд. 1.3).

Для определения количества атомов того или иного элемента в молекуле или ионе используют понятия валентности и степени окисления.

3.1. Валентность и степень окисления

Валентность – способность атома образовывать определенное число ковалентных химических связей. Количественной мерой валентности является число ковалентных связей, образованных данным атомом. На практике число ковалентных связей определяется числом общих электронных пар, принадлежащих обоим связывающимся атомам. Валентность всегда имеет положительное целочисленное значение и обозначается римскими цифрами: I, II, III, IV и т.д.

Степень окисления – условный заряд, который возник бы на атоме, если бы все общие электронные пары были смещены к более электроотрицательному атому. Степень окисления может быть как положительной, так и отрицательной, как целочисленной, так и дробной. Обозначать степень окисления принято арабской цифрой со знаком «+» или «–» перед цифрой (в отличие от заряда иона, при обозначении которого знак указывается после цифры).

17

Высшая положительная степень окисления, как правило, равна номеру группы, в которой находится элемент в короткопериодном варианте Периодической таблицы, а низшие отрицательные степени окисления встречаются только у элементов от IVA до VIIA групп. Основываясь на короткопериодном варианте Периодической таблицы, определяют отрицательную степень окисления как разность: номер группы минус 8. Например, высшая положительная степень окисления атома серы (VIA группа) равна +6, а низшая отрицательная степень окисления этого элемента составляет 6 – 8 = –2.

При определении степени окисления атома элемента в соединении следует соблюдать следующие правила:

–– степень окисления атома в простом веществе равна рулю: Fe0, Cl20, Si0;

–– степень окисления атома, образующего ион, совпадает с зарядом иона: Mg+2 ≡ Mg2+, S−2 ≡ S2−;

–– степень окисления атома водорода в соединениях равна +1 (исключение составляют гидриды – соединения водорода с активными металлами, в которых степень окисления водорода равна –1);

–– степень окисления атома кислорода в соединениях равна –2 (исключение составляют пероксидные соединения, например H2O2, в которых степень окисления атома кислорода равна –1);

–– степень окисления атомов металлов всегда положительна (для металлов первых трех групп она совпадает с номером группы);

–– сумма степеней окисления всех атомов, образующих молекулу или сложный ион, равна нулю или заряду иона соответственно.

Используя эти несложные правила, всегда можно определить неизвестную степень окисления атома элемента, если известны все остальные.

Пример 3.1

Определим степень окисления атома железа в соединении K2FeO4. Степень окисления атома калия равна +1, степень окисления атома кислорода равна –2. Обозначим степень

18

окисления атома железа как x. Сумма степеней окисления всех атомов, образующих молекулу, равна нулю, поэтому 2 · (+1) + x + 4 · (–2) = 0, х = +6. Степень окисления железа в соединении равна +6.

Пример 3.2

Определим степень окисления атома азота в ионе NO3− . Обозначим степень окисления атома азота как x, степень окисления атома кислорода равна –2. Сумма степеней окисления всех атомов, образующих ион, равна заряду иона: x + 3 · (–2) = –1; x = +5. Степень окисления азота в ионе равна +5.

Упражнения

3.1.  Укажите высшую и низшую степени окисления следующих элементов: фосфора, селена, углерода, хлора, магния, алюминия.

3.2.  Определите степени окисления элементов в следующих соединениях: серы в Na2SO3; азота в LiNO2; железа

вK2FeO4; ванадия в VOSO4; меди в Cu2O.

3.2.Бинарные соединения

Вформулах бинарных соединений, состоящих из металла

инеметалла, на первом месте всегда стоит металл, как более

электроположительный элемент: NaCl, MgO, K2S. В формулах бинарных соединений, содержащих только неметаллы, на первом месте будет находиться элемент, имеющий меньшее

значение электроотрицательности: H2O, CS2.

Рассмотрим, как составляются и читаются формулы бинарных соединений различных типов, как образуются их названия.

Галогениды

Кгалогенидам относят бинарные соединения галогенов (Г)

сменее электроотрицательными элементами. Степень окисления галогена в галогениде равна –1. Формулу галогенида мож-

но представить в виде Эz+Гz, где Э – электроположительный элемент, z – число атомов галогена, равное заряду катиона.

19

Названия галогенидов образуют согласно систематической номенклатуре от корня латинского названия более электроотрицательного элемента (галогена) с суффиксом «-ид» и русского названия менее электроотрицательного элемента в родительном падеже, указывая в скобках римскими цифрами степень окисления этого элемента. Допустимо не указывать степень окисления, если у элемента она единственная.

Галогениды металлов в низких степенях окисления (+1, +2, иногда +3) – это типичные соли, твердые вещества с ионным типом кристаллической решетки:

KCl – хлорид калия, читается – «калий-хлор»;

CoF2 – фторид кобальта(II), читается – «кобальт-фтор-два»; AlCl3 – хлорид алюминия, читается – «алюминий-хлор-три».

Галогениды переходных металлов в высших степенях окисления – это ковалентные соединения с молекулярной кристаллической решеткой:

ReBr5 – бромид рения(V); WCl6 – хлорид вольфрама(VI).

Галогениды неметаллов – соединения с ковалентным типом связей, чаще всего жидкие или газообразные:

OF2 – фторид кислорода(II) или дифторид кислорода, читается – «о-фтор-два»;

ICl3 – хлорид иода(III) или трихлорид иода, читается – «иод-хлор-три».

Оксиды

Оксиды – бинарные соединения элемента с кислородом. Степень окисления кислорода в оксиде равна –2. Формулу оксида можно представить в виде Э2Oz, где z – степень окисления элемента, образующего оксид (четные индексы следует сократить на 2).

Значение электроотрицательности большинства элементов, образующих оксиды, меньше, чем электроотрицательность кислорода, поэтому при написании формулы оксида атом элемента записывается слева, а атом кислорода – справа.

Названия оксидов образуют согласно систематической номенклатуре от корня латинского названия более электроотрицательного элемента (кислорода) с суффиксом «-ид»

20