ХИМИЯ 10
.pdfМногоэлементные соединения |
|
|
11 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ОСНовный |
+ |
|
вода |
= |
ОСНоВНЫЙ ГИДРОКСИД |
|
|
|
|
ОКСИД |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Это, например, гидроксиды щелочных (Li, Na, K, Rb, Cs) и щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba) металлов, относящиеся к щелочам:
Na2O + H2O = 2NaOH; |
SrO + H2O = Sr(OH)2. |
Основные гидроксиды других металлов, например Fe(OH)2, Cr(OH)2, Bi(OH)3, можно получить взаимодействием солей указанных металлов со щелочами.
Практически все кислотные гидроксиды (кислородсодержащие кислоты), кроме H2SiO3, образуются при гидратации соответствующих кислотных оксидов:
КИСЛОТНЫЙ |
+ |
вода |
= |
КИСЛОТНЫЙ ГИДРОКСИД |
|
ОКСИД |
|||||
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
Так можно получить кислотные гидроксиды неметаллов и некоторых металлов, например:
N2O5 + H2O = 2HNO3; |
Mn2O7 + H2O = 2HMnO4. |
Амфотерные гидроксиды, к примеру такие, как Al(OH)3, Cr(OH)3, Zn(OH)2, нельзя получить гидратацией соответствующих оксидов. Они образуются при взаимодействии солей указанных металлов со щелочами.
Таким образом, основные, кислотные и амфотерные гидроксиды являются гидратами соответствующих оксидов:
NaOH — гидроксид натрия — гидрат оксида натрия;
H2SO4 — гидроксид серы(VI), или серная кислота, — гидрат оксида
серы(VI);
Al(OH)3 — гидроксид алюминия — гидрат оксида алюминия.
К названию «гидроксид натрия» вы уже привыкли, а вот название «гидроксид серы(VI)», скорее всего, кажется вам необычным, ведь вещество с формулой H2SO4 мы всегда называем «серная кислота». Дело в том, что уже давно все кислотные гидроксиды традиционно называются кислотами. Например, вещество H2SiO3 чаще называют не гидроксидом кремния(IV), а кремниевой кислотой; вещество H3PO4 — не гидроксидом фосфора(V), а фосфорной кислотой.
|
12 |
Важнейшие классы неорганических веществ |
Кислоты (кислотные гидроксиды)
Кислоты — сложные вещества, в состав которых входят атомы водорода, способные замещаться атомами металлов, и кислотные остатки.
Традиционные русские названия кислот состоят из двух слов. Первое из них — прилагательное, образованное корнем русского названия кислотообразующего элемента, суффиксом -н- или -ист- и окончанием -ая. Второе слово — «кислота». Если степень окисления атомов кислотообразующего элемента максимальна (т. е. равна номеру группы А), то в названиях кислот присутствует суф-
фикс -н-, -ов- или -ев-: H3PO4 — фосфорная, H2CrO4 — хромовая, H2SiO3 — кремниевая кислоты. Если же степень окисления указанных атомов меньше
максимальной, то используются суффиксы -ист-, -оват- и -оватист-: H3PO3 — фосфористая, HСlO3 — хлорноватая, HBrO — бромноватистая кислоты.
Число атомов водорода в формулах кислот называется их основностью. В соответствии с этим HNO3 — одноосновная, H2SO4 — двухосновная, H3PO4 — трёхосновная кислоты.
Все кислоты — вещества молекулярного строения. Некоторые из них, например угольная и сернистая кислоты (H2CO3, H2SO3), в виде индивидуальных веществ неизвестны и существуют только в водных растворах, т. е. в смесях с водой. Другие кислоты существуют в безводном состоянии и при комнатной температуре представляют собой жидкости (H2SO4, HNO3) или твёрдые вещества (H3PO4, H2SiO3). Большинство кислот хорошо растворимы в воде.
Важнейшее химическое свойство всех кислородсодержащих кислот — способность образовывать соли при взаимодействии с основаниями и с основными оксидами. Например:
H2SO4 + Fe(OH)2 = FeSO4 + 2H2O;
2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O.
Многие кислородсодержащие кислоты вступают в реакции с солями: H2SO4 + BaCl2 = BaSO4↓ + 2HCl;
2HNO3 + MgCO3 = Mg(NO3)2 + H2O + CO2↑.
Кроме того, указанные кислоты (кроме HNO3) реагируют с металлами, расположенными в ряду активности левее H2, с образованием водорода и солей:
H2SO4 + Fe = H2↑ + FeSO4.
При отщеплении ионов водорода от молекул кислот образуются отрицательно заряженные кислотные остатки. Их общее число совпадает с основно-
стью кислоты. Например, трёхосновной фосфорной кислоте соответствуют три кислотных остатка — (H2PO4)–, (HPO4)2– и (PO4)3–.
Многоэлементные соединения |
13 |
|
Основания
Основания — сложные вещества, состоящие из атомов металлов и гидроксогрупп ОН.
Напомним, что заряд группы ОН равен 1–:
Na+OH–; |
+2 |
+3 |
Mg(OH)2–; |
Bi(OH)3–. |
Названия оснований состоят из двух слов, первое из которых — «гидроксид», а второе — русское название металла в родительном падеже. Например:
NaOH — гидроксид натрия; Mg(OH)2 — гидроксид магния.
Число групп ОН в формулах оснований называется их кислотностью. В соответствии с этим KOH — однокислотное, Ba(OH)2 — двухкислотное, Fe(OH)3 — трёхкислотное основания.
Все основания — твёрдые вещества немолекулярного строения. Некоторые из них, например NaOH, KOH, Ba(OH)2, растворимы в воде и имеют общее название — щёлочи.
Важнейшее химическое свойство оснований — способность образовывать соли при взаимодействии с кислотами и кислотными оксидами. Например:
NaOH + HCl = NaCl + H2O;
Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3↓ + H2O.
Кроме того, растворимые основания (щёлочи) реагируют с солями. Например:
2KOH + CuSO4 = K2SO4 + Cu(OH)2↓;
Ba(OH)2 + Na2CO3 = BaCO3↓ + 2NaOH.
Нерастворимые основания при нагревании разлагаются с образованием соответствующих оксидов металлов и воды:
2Fe(OH)3 =t Fe2O3 + 3H2O;
Cu(OH)2 =t CuO + H2O.
Соли
Соли можно рассматривать как продукты замещения атомов водорода в кислотах металлами или групп ОН в основаниях кислотными остатка-
ми. В зависимости от степени замещения атомов водорода в молекулах кислот или гидроксогрупп ОН в формульных единицах оснований соли классифицируются следующим образом (см. рис. 2).
Название любой соли на русском языке состоит из двух слов, первое из которых — систематическое название кислотного остатка в именительном паде-
|
14 |
|
|
|
|
|
Важнейшие классы неорганических веществ |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 2. Схема образования и классификации солей
же, а второе — русское название основного остатка в родительном падеже. Примеры названий:
+2
•• средних солей: FeSO4 — сульфат железа(II); Zn(NO3)2 — нитрат цинка;
•• кислых солей: Mg(HCO3)2 — гидрокарбонат магния; Ca(H2PO4)2 — дигидрофосфат кальция;
•• основных солей: (ZnOH)2SO4 — сульфат гидроксоцинка; Al(OH)2NO3 —
нитрат дигидроксоалюминия.
Все соли — твёрдые кристаллические вещества немолекулярного строения, большинство из них хорошо растворимы в воде.
Важнейшие химические свойства солей — их взаимодействие с кислотами, щелочами, металлами, другими солями. Например:
K2S + 2HСl = 2KCl + H2S↑;
Fe(NO3)3 + 3NaOH = Fe(OH)3↓ + 3NaNO3; 3CuCl2 + 2Al = 3Cu↓ + 2AlCl3;
NaCl + AgNO3 = NaNO3 + AgCl↓.
Многоэлементные соединения |
15 |
|
Комплексные соединения
Некоторые сложные вещества разных классов, соединяясь друг с другом, образуют особые, ещё более сложные соединения, называемые комплексными (от лат. complexus — сочетание). Они принадлежат к отдельному классу веществ, обладают рядом общих свойств и имеют сходные черты в строении. В любом таком соединении содержатся комплексные частицы, образующиеся чаще всего в результате присоединения к атому металла двух, четырёх или шести молекул воды, аммиака, гидроксид-ионов или кислотных остатков. Заряженные или электронейтральные комплексные частицы устойчивы и существуют в растворах самостоятельно. В формулах комплексных соединений они выделяются квадратными скобками. Например:
Na2[Zn(OH)4]; K3[Al(OH)6].
Многоэлементные соединения состоят из атомов трёх или большего числа элементов. К многоэлементным относятся гидроксиды — основания и кислородсодержащие кислоты, соли, комплексные соединения.
Вопросы и задания
1.Напишите формулы гидроксидов, которые соответствуют следующим оксидам:
SO2, K2O, N2O5, SrO, Cl2O7, Cs2O, SiO2, Al2O3. Назовите эти гидроксиды и охарактеризуйте их кислотно-основные свойства.
2.Сколько разных солей может образоваться при взаимодействии гидроксида натрия с серной кислотой, гидроксида калия с фосфорной кислотой? Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите соли.
3.Сколько разных солей может образоваться при взаимодействии гидроксида кальция с соляной кислотой, гидроксида алюминия с азотной кислотой? Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите соли.
4.Образец оксида кальция массой 11,2 г полностью вступил в реакцию с водой. Рассчитайте химическое количество прореагировавшей воды и массу образовавшегося основания.
5.Оксид серы(VI) массой 16 г полностью прореагировал с водой. Рассчитайте число молекул образовавшейся серной кислоты и массу гидроксида натрия, необходимого для её нейтрализации.
6.Рассчитайте массовую долю (%) кислорода в средней соли, образующейся при взаимодействии гидроксидов кальция и фосфора(V).
7.Напишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:
а) HNO3 → Ca(NO3)2 → CaCO3 → CaCl2 → AgCl;
б) CH4 → CO2 → Na2CO3 → BaCO3 → Ba(NO3)2 → BaSO4.
16 Важнейшие классы неорганических веществ
§ 3. Взаимосвязь между классами неорганических соединений
Изучая ранее способы получения и химические свойства простых веществ, различных оксидов, кислот, оснований и солей, вы неоднократно сталкивались с примерами последовательного превращения веществ. В результате различных химических реакций одни вещества превращаются в другие, из которых затем образуются всё новые и новые соединения. Ряды таких последовательных переходов уже знакомы вам под названием «цепочки превращений» и вы, конечно же, составляли уравнения реакций для их осуществления. Вспомним, в чём заключается суть этих превращений.
Начнём с простых веществ — металлов и неметаллов. Многие из них, соединяясь с кислородом, образуют основные и кислотные оксиды. Например, металл барий при этом окисляется до основного оксида BaO, а неметалл фосфор — до кислотного оксида P2O5. Эти сложные вещества, присоединяя молекулы воды, превращаются в соответствующие гидраты оксидов, или гидроксиды, которые, как вы уже знаете, делятся на основания и кислородсодержащие кислоты. Так, основный оксид бария в результате гидратации образует гидроксид — основание Ba(OH)2, а оксид фосфора(V) превращается в гидроксид, являющийся кислотой H3PO4. В свою очередь эти соединения реагируют с другими веществами, образуя соли. Последовательность всех перечисленных превращений можно изобразить в виде общей схемы, в которой переходы от веществ одних классов к веществам других классов условно изображены стрелками:
ПРОСТЫЕ |
→ |
ОКСИДЫ |
→ |
ГИДРОКСИДЫ |
→ |
СОЛИ |
|
ВЕЩЕСТВА |
|||||||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Из данной схемы видно, что вещества разных классов — простые вещества, оксиды, гидроксиды и соли, последовательно «порождая» друг друга, образуют так называемые генетические1 ряды взаимосвязанных между собой веществ. Очевидно, что существуют два типа таких рядов — ряды металлов и их соединений и ряды неметаллов и их соединений.
1 От греч. генос — рождающий.
Взаимосвязь между классами неорганических соединений |
17 |
|
Генетические ряды металлов и их соединений
Каждый такой ряд включает в себя металл, его основный оксид, соответствующее основание и соль, в состав которой входит данный металл:
МЕТАЛЛ |
|
ОСНОВНЫЙ |
|
ОСНОВНЫЙ |
|
СОЛЬ |
|
→ |
→ |
ГИДРОКСИД |
→ |
||||
ОКСИД |
|||||||
|
|
|
(ОСНОВАНИЕ) |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
Приведём примеры таких рядов:
ряд натрия: |
Na |
→ |
Na2O |
→ |
ряд бария: |
Ba |
→ |
BaO |
→ |
NaOH
Ba(OH)2
→
→
Na3PO4;
BaCl2.
Переход от металлов к основным оксидам во всех этих рядах осуществляется в результате реакций соединения с кислородом. Например:
2Ba + O2 = 2BaO; |
2Mg + O2 = 2MgO. |
Основные оксиды натрия и бария превращаются в основания в результате известной вам реакции гидратации:
Na2O + H2O = 2NaOH; |
BaO + H2O = Ba(OH)2. |
В отличие от указанных оксидов, оксиды магния и железа с водой не реагируют. Поэтому для получения соответствующих оснований эти оксиды сначала превращают в соли, а их — в основания. Например, для осуществления перехода от оксида MgO к гидроксиду Mg(OH)2 используют последовательные реакции:
MgO + H2SO4 = MgSO4 + H2O;
MgSO4 + 2NaOH = Mg(OH)2↓ + Na2SO4.
Переходы от оснований к солям осуществляются уже известными вам реакциями. Так, растворимые основания (щёлочи) — NaOH и Ba(OH)2 — превращаются в соли под действием кислот, кислотных оксидов или солей. Нерастворимые основания — Mg(OH)2 и Fe(OH)2 — образуют соли в результате реакций с кислотами.
Генетические ряды неметаллов и их соединений
Каждый такой ряд состоит из неметалла, образованного им кислотного оксида, соответствующей кислоты и соли, в состав которой входят остатки этой кислоты:
|
|
КИСЛОТНЫЙ |
|
КИСЛОТНЫЙ |
|
|
НЕМЕТАЛЛ |
→ |
→ |
ГИДРОКСИД |
→ |
СОЛЬ |
|
|
|
ОКСИД |
|
(КИСЛОТА) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
18 |
|
|
Важнейшие классы неорганических веществ |
||||
|
Приведём примеры таких рядов: |
|
|
|
|
|||
|
ряд фосфора: |
P |
→ |
P2O5 |
→ |
H3PO4 |
→ |
Na3PO4; |
|
ряд серы: |
S |
→ |
SO2 |
→ |
H2SO3 |
→ |
K2SO3. |
Во всех этих рядах переходы от неметаллов к кислотным оксидам осуществляются в результате реакций соединения с кислородом. Например:
4P + 5O2 = 2P2O5; S + O2 = SO2.
Для превращения кислотных оксидов в соответствующие кислоты используются известные вам реакции гидратации. Например:
P2O5 + 3H2O = 2H3PO4; SO2 + H2O = H2SO3.
В отличие от указанных оксидов, оксид кремния(IV) SiO2 с водой не реагирует. Поэтому его сначала превращают в соответствующую соль, из которой затем получают кремниевую кислоту:
SiO2 + 2KOH = K2SiO3 + H2O;
K2SiO3 + 2HСl = 2KCl + H2SiO3↓.
Переходы от кислот к солям могут осуществляться известными вам реакциями с основными оксидами, основаниями или с солями.
Вещества одного и того же генетического ряда, как правило, друг с другом не реагируют. Вещества из генетических рядов разных типов реагируют друг с другом, образуя соли в соответствии с общей схемой (рис. 3).
Как видно из этой схемы, отражённые в ней взаимосвязи между простыми веществами, оксидами, соответствующими гидроксидами и солями не являются односторонними. Двунаправленные стрелки на схеме показывают, что вещества разных классов могут взаимопревращаться. В такой взаимосвязи находятся, например, основные оксиды и основания, основания и соли, соли и кислоты.
Рис. 3. Схема взаимосвязи веществ разных генетических рядов
Взаимосвязь между классами неорганических соединений |
19 |
|
Взаимосвязи веществ лежат в основе многих химических превращений, происходящих в природе и используемых в практической деятельности.
Простые вещества, оксиды, гидроксиды и соли связаны между собой совокупностью превращений в следующих рядах:
металл → основный оксид → основание → соль;
неметалл → кислотный оксид → кислота → соль.
Вещества, принадлежащие к одному ряду, друг с другом не реа-
гируют. Вещества, принадлежащие к рядам разных типов, реагируют между собой с образованием солей.
Вопросы и задания
1.С веществами каких классов реагируют: а) оксид бария; б) оксид фосфора(V); в) гидроксид натрия; г) азотная кислота? Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите вещества.
2.Приведите конкретные примеры взаимопревращений веществ разных классов, напишите уравнения соответствующих реакций и назовите вещества.
3.Напишите уравнения реакций образования нитрата кальция в результате взаимодействия: а) кислоты и основания; б) кислотного оксида и основания; в) кислоты и основного оксида; г) соли и кислоты; д) соли и основания; е) двух солей. Назовите все вещества.
4.Составьте генетический ряд цинка и его соединений, заканчивающийся нитратом цинка. Напишите уравнения соответствующих реакций, определите их типы, назовите вещества.
5.Определите простые вещества Х, Y и Z, которыми начинаются генетические ряды: а) Х → оксид → основание → нитрат кальция;
б) Y → оксид → кислотный гидроксид → фосфат кальция; в) Z → кислотный оксид → гидроксид → сульфит натрия.
Напишите уравнения соответствующих реакций, назовите все вещества.
6.* Смесь алюминия и железа общей массой 22 г растворили в соляной кислоте,
врезультате чего выделился газ объёмом (н. у.) 17,92 дм3. Вычислите массовую долю железа в смеси.
7.Составьте уравнения реакций, иллюстрирующие следующие превращения:
а) Al → AlCl3 → Al(OH)3 → Al2O3 → Al2(SO4)3;
б) Fe → Fe2O3 → Fe(NO3)3 → Fe(OH)3 → Fe2(SO4)3; в) Сl2 → HCl → CaCl2 → CaCO3 → Ca(NO3)2;
г) HNO3 → Cu(NO3)2 → Cu(OH)2 → CuO → CuSO4.
Глава II
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
ИЗАКОНЫ ХИМИИ
§4. Вещества. Атомы. Химические элементы
Химия так же, как и физика, ботаника, зоология, геология, изучает природу, материальный мир во всём многообразии форм его существования и происходящих явлений.
Все явления в природе и окружающем мире можно разделить на две группы. К первой из них относятся самые разнообразные взаимодействия и изме-
нения тел, при которых меняется только физическое состояние веществ и
форма физических тел, образованных этими веществами, а также положение тел в пространстве.
Ко второй группе относятся явления, связанные с превращениями веществ, т. е. с изменением их качественного и количественного состава, строения, физических и химических свойств. Именно эти явления изучает химия.
Химия — это наука о веществах и их превращениях.
Что же такое вещество? Какой физический и химический смысл этого понятия?
Физический смысл понятия «вещество»
Из курса физики вы уже знаете, что материя — это объективная реаль-
ность, т. е. то, что существует независимо от нашего сознания и воспринимается нами с помощью органов чувств или с помощью приборов.
Все разнообразные формы существования материи делятся на два вида: ве-
щество и поле.