KelinaZagXimiya
.pdf
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
Розділ 1. ОСНОВИ ХІМІЧНИХ ЗНАНЬ
1.1. Основні хімічні поняття
Хімія – це наука про склад і будову речовин, їх властивості та взаємні перетворення. Окремий вид матерії, який за певних умов має сталі фізичні та хімічні властивості, називається речовиною. Речовинаскладаєтьсязелементарнихчастинок, якімаютьмасуспокою.
Будь-які зміни з речовиною називають явищами. Фізичними явищами є такі, під час яких не змінюється склад речовини, але можутьзмінюватисяформа, агрегатнийстан, температуратощо. Хімічніявищапов'язанізізміноюскладутавластивостейречовини. Будьяка хімічна речовина складається з хімічних елементів.
Хімічним елементом називається сукупність атомів, які мають однаковий заряд ядра. Кожний елемент має свою назву та хімічний символ. Носієм властивостей елемента є атом.
Атом – хімічно неподільна електронейтральна частинка речовини, якаскладаєтьсязядраіелектронів. Ядро(центральначастина атома) складається з протонів і нейтронів. Маси протона і нейтрона майже однакові й приблизно в 2000 разів більші від маси електрона, тому в ядрі зосереджена практично вся маса атома, що дорівнює біля 10–27...10–25 кг. Електрони утворюють електронну оболонку, розміри якої визначають розміри атома (приблизно 10–10 м). Позитивний заряд ядра, який відповідає числу протонів, дорівнює негативномузарядуелектронноїоболонки, щовизначаєтьсячисломелектронів. Кількісними характеристиками атома є його маса і заряд ядра, щозбігаєтьсязпорядковимномеромZ елементавперіодичній системі.
Атомна одиниця маси – це сучасна позасистемна одиниця вимірювання атомних та молекулярних мас (позначається а.о.м.).
Вона є 1/12 часткою маси атома ізотопу Карбону 12С:
1 а.о.м. = 19,93 10−27 кг =1,66 10−27 кг =1,66 10−24 г. 12
Ця величина – одна з фундаментальних фізичних сталих. Відносна атомна маса Аr – це величина, що визначається відно-
шенням маси атома елемента до величини 1 а.о.м.
11
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
Молекула– найменша, здатнадосамостійногоіснуваннячастинка речовини, що зберігає її хімічні властивості. Молекули складаються з атомів, які з'єднані між собою хімічними зв'язками в певній послідовностітапевнимчиноморієнтованіупросторі. Числоатомів у молекулах становить від двох (Н2, О2) до кількох тисяч (гормони, білки). Атоми інертних газів іноді називають одноатомними молекулами(Не, Аr). Усімолекулиоднієїречовинимолекулярноїбудови мають однаковий склад, розміри, масу і властивості. Молекули різних речовин різняться за цими характеристиками. Молекули безперервно рухаються. Під час фізичних явищ вони зберігаються, під час хімічних перетворень руйнуються, а атоми, що вивільняються, поєднуються в нові комбінації, утворюючи нові речовини.
Відносна молекулярна маса Мr – це величина, що визначається відношенняммасимолекулидовеличини1 а.о.м. Вонарозраховується за хімічною формулою і дорівнює сумі відносних атомних мас усіх атомів, які входять до складу молекули.
Відносніатомнітамолекулярнімаси– безрозмірнівеличини. Вони чисельно дорівнюють атомній і молекулярній масам, вираженим в а.о.м. Наприклад, відносна молекулярна маса води Мr(Н2О) = 18.
Сполуки, якіскладаютьсязатоміводногоелемента, називаються гомосполуками. Найбільш стійка за звичайних умов гомосполука елементаназиваєтьсяпростоюречовиною. Наприклад, Карбонутворює графіт і алмаз, Оксиген – атомарний кисень О, молекулярний кисень О2 та озон О3. Серед цих сполук простими є графіт та молекулярнийкисень, якбільшстійкізазвичайнихумов. Явищеіснування кількох гомосполук одного елемента називається алотропією.
Сполуки, які складаються з атомів різних елементів, називають гетеросполуками, або складними речовинами (наприклад, вода Н2О, амоніак NH3, сульфатна кислота H2SO4 тощо).
Найважливішою характеристикою речовини є її склад, який описується хімічними формулами. Використовують декілька видів хімічнихформул. Длясполукзмолекулярноюбудовоювикористовуютьсямолекулярніформули, яківідображаютьякіснийскладтакількісні співвідношення атомів у молекулі. Наприклад, молекула СО2 складається з атомів Карбону і Оксигену у співвідношеннях 1:2.
Не всі речовини складаються з молекул. Молекулярну будову мають більшість органічних речовин та частина неорганічних, наприклад прості речовини – водень Н2, кисень О2, йод І2; складні –
12
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
галогеніди, сульфіди, гідриди, оксидинеметалів(CО2, SO3, РСl3, Н2S, AsH3) і безводні неорганічні кислоти (HBr, HI).
Більшість твердих неорганічних речовин (основні оксиди, луги, солі) мають кристалічну структуру, у вузлах кристалічних решіток яких знаходяться іони або поляризовані атоми. Носієм хімічних властивостей речовини в них є сукупність частинок, кількісне співвідношення яких відображає єлементарний склад речовини, наприкладNaCl, KOH, K2SO4. Томунеможназастосовуватипоняття"молекула" щодо речовин з немолекулярною будовою.
Іоном називається заряджена частинка, яка утворюється внаслідоквідщепленняабоприєднанняелектронівтавнаслідокелектролітичної дисоціації. Позитивно заряджений іон називається катіоном (K+, Н+), негативно заряджений – аніоном (ОН–, СО32–).
Кількість речовини ν визначається числом частинок – структурних одиниць речовини, з яких вона складається: молекул, атомів, іонів, електронів, протонів тощо. Одиницею вимірювання кількості речовини є моль.
Моль – кількість речовини, що містить стільки структурних або формульниходиниць, скількиатомівміститьсявізотопіКарбону 12С масою 0,012 кг. Один моль містить 6,02 1023 частинок. Ця величина називається сталою Авогадро і позначається NA. Її одиниця – моль–1. Наприклад, 1 моль води Н2О містить 6,02 1023 молекул. Кількість речовини розраховується за такими формулами:
ν = m/M; ν = N/NА; ν = V/VM,
де m – маса речовини, г; М – молярна маса речовини, г/моль; N – число частинок речовини; V – об′єм речовини, л; VМ – молярний об′єм речовини, л/моль.
Молярна маса М – це маса одного моля речовини. Її одиниця – г/моль (кг/моль або кг моль–1). Якщо молярна маса виражена в грамах на моль, вона чисельно дорівнює відносній молекулярній масі.
Молярний об′єм VМ – об′єм газоподібної речовини або суміші газів, в якому міститься один моль чистої речовини або суміші
(6,02 1023 молекул):
VМ = V/ν.
На відміну від молярної маси, молярний об′єм газу залежить від
13
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
умов – тиску і температури. У хімії найчастіше використовують молярний об′єм газу V0 = 22,4 л/моль за нормальних умов (Т0 = 273 К,
Р0 = 101,325 кПа).
1.2. Класи неорганічних сполук
Предметом вивчення хімії є хімічні елементи та їх сполуки. За хімічними і фізичними властивостями елементи поділяють на металеві та неметалеві.
З відомих елементів періодичної системи більш ніж 85 мають металеві властивості. Хімічні властивості металевих елементів зумовлені здатністю їх атомів віддавати електрони і перетворюватись у катіони, тобто виявляти відновні властивості: Me – n e → Меn+. До металівналежатьусіелементипобічних, абоВ-підгруп, періодичної системи, включаючи лантаноїди і актиноїди. До них належать також елементи головних ІА- та ІІА-підгруп (крім Гідрогену). З елементів ІІІА...VІА-підгруп до металів належать ті, які розміщуються нижчедіагоналі, проведеноїчерезВ, Sі, Аs, ТетаАt, інші– донеметалів. Наприклад, дометалевихелементівналежатьЛітій, Калій, Кальцій, Ферум, Купрум, Неодим. Елементи, якірозміщеніпоблизувказаної межі, виявляють властивості одночасно металів і неметалів. Це, наприклад, Бор, Арсен, Станум, Плюмбум. Виявляючи різний ступінь окиснення, один і той же елемент може мати різні властивості (Ферум, Манган, Хром тощо).
До елементів-неметалів належать Гідроген, Нітроген, Оксиген, галогени (F, Cl, Br, I), інертні гази (He, Ar, Ne та ін.), Сульфур, Фосфор. Длябільшостізниххарактерноюособливістюєздатністьприймати електрони та утворювати аніони (наприклад, S0 + 2 e → S2–), тобто виявляти окисні властивості. Іноді вони можуть виявляти
івідновні властивості. Більшість інертних газів не утворюють іонів.
Узв'язку із введенням у дію нової української номенклатури в деяких елементів було змінено їх тривіальні назви на міжнародні. Утабл. 1 наведеніновіназвидеякихелементівіпростихречовин, які вони утворюють.
Прості речовини металів, або просто метали, відрізняються від неметалівсвоїмифізичними, хімічнимитамеханічнимивластивостями. Для металів характерні високі електро- і теплопровідності, металевий блиск, твердість, ковкість, здатність до пластичної дефор-
14
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
мації і т. п. Усі метали, крім ртуті, за звичайних умов є твердими речовинами.
Таблиця 1. Стандартизовані назви елементів і простих речовин
Символ елемента |
Назва елемента |
Назва простої речовини |
Ag |
Аргентум |
срібло |
As |
Арсен |
арсен |
Ві |
Бісмут |
бісмут |
С |
Карбон |
вуглець, графіт |
F |
Флуор |
флуор (фтор) |
Н |
Гідроген |
водень |
Нg |
Меркурій |
ртуть |
Mn |
Манган |
манган |
N |
Нітроген |
азот |
Ni |
Нікол,Нікель |
нікель |
О |
Оксиген |
кисень |
S |
Сульфур |
сірка |
Si |
Силіцій |
силіцій (кремній) |
Середпростихсполукнеметалівєгази(H2, N2, O2, Cl2, F2), рідини (Br2), твердіречовини(S, P, Si). Більшістьзнихєдіелектриками(окрім графіту і силіцію, що проводять електричний струм), не мають металевого блиску, мають невелику твердість і є крихкими.
Класифікація неорганічних сполук має велике значення для успішноговивченняхімії. Вонаскладеназакласифікацієюелементів згіднозперіодичнимзакономД.І. Менделєєваівраховуєвластивості утворенихнимисполук. Хімічнівластивостіелементівпроявляються в хімічних реакціях. Важливими класами неорганічних сполук є оксиди, основи, кислоти та солі.
Оксиди
Оксидами називаються сполуки елементів з Оксигеном. Наприклад: Na2О – натрій оксид, ZnO – цинк оксид. Якщо елемент утворює декілька оксидів, після назви вказується його ступінь окиснення: FeO – ферум (ІІ) оксид, Fe2О3 – ферум (ІІІ) оксид, Cl2О7 – хлор (VІІ) оксид.
Оксидибуваютьсолетворнітанесолетворні(СО, NО, N2О). Перші поділяються на основні, кислотні та амфотерні.
Основними називаються оксиди, що утворюють солі при взаємодії з кислотами або з кислотними оксидами. Їм відповідають ос-
15
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
нови: СаО – Са(ОН)2, FеО – Fе(ОН)2. Основними оксидами можуть бути тільки оксиди металів.
Кислотниминазиваютьсяоксиди, щоутворюютьсолівзаємодією з основами або з основними оксидами. Їм відповідають кислоти: SО2 – Н2SО3, Р2О5 – Н3РО4. Ці оксиди називаються ангідридами кислот. Кислотні оксиди утворюються неметалами, а також деякими металами у їх вищому ступені окиснення. Наприклад: манган (VІІ) оксиду Мn2О7 відповідає манганатна кислота НМnО4, хром (VI) оксиду СrО3 – хроматна кислота Н2СrО4.
Амфотерниминазиваютьсяоксиди, щоутворюютьсоліякзкислотами, так і з основами, наприклад: ZnО, Аl2О3, РbО, Сr2О3.
Властивостіоксидівпов'язанізположеннямвідповіднихелементів у періодичній системі. Так, властивості оксидів елементів ІІІ періоду(Na2O, MgO, Al2O3, SіO2, Р2О5, SO3, Сl2O7) закономірнозмінюються зі збільшенням порядкового номера елемента від основних (Na2O, MgO) через амфотерні (Al2O3) до кислотних (SіO2, Р2О5, SO3,
Сl2O7).
Ступінь окиснення елементів також впливає на властивості їх оксидів: оксидиелементів-металівнижчогоступеняокисненнявияв- ляють основні властивості, середнього – амфотерні, вищого – кислотні. Наприклад: CrO – основнийоксид, Cr2O3 – амфотерний, CrО3 – кислотний.
Оксиди одержують безпосередньою взаємодією з киснем, при розкладенні основ, кислот і солей:
2Мg + О2 → МgО; СаСО3 → СаО + СО2↑; Mg(OH)2 → MgО + H2O; 2Н3ВО3 → В2О3 + 3Н2О.
Хімічнівластивостіоксидів
1. Основні оксиди взаємодіють з кислотами з утворенням солі та води:
FeO + H2SO4 → FeSO4 + H2O.
2. Кислотні оксиди взаємодіють з основами з утворенням солі та води:
SO3 + 2NaOH → Na2SO4 + H2O.
16
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
3.Привзаємодіїкислотнихіосновнихоксидівутворюєтьсясіль:
СаО + СО2 → СаСО3.
4.Більшість кислотних оксидів і оксиди лужних та лужноземельних металів взаємодіють з водою:
SO3 + H2O → H2SO4; Na2O + H2O → 2NaOH.
5. Амфотерні оксиди реагують з кислотами та основами:
ZnO + HCl → ZnCl2 + H2O;
ZnO + 2NaOH → Na2ZnO2 + H2O.
Кислоти
Кислотами називаються речовини, які при електролітичній дисоціації зкатіонівутворюютьтількикатіониГідрогену. Наприклад:
HCl →← H+ + Cl–; СН3СООН →← Н+ + СН3СОО–.
КислотиподіляютьсязакількістюутворенихіонівГідрогенупри дисоціації, наявністю в їх складі Оксигену, силою кислот (їх ступенем дисоціації) та їх окисними властивостями.
Основність кислоти визначається числом іонів Гідрогену, утворених при дисоціації однієї молекули речовини. Кислоти поділяють наодноосновні(НСl, НNO3), двохосновні(H2SO4, H2S), трьохосновні (Н3РО4). Дво- і багатоосновні кислоти дисоціюють ступінчасто. Наприклад:
Н3РО4 →← Н+ + Н2РО4– (перший ступінь);
Н2РО4– →← Н+ + НРО42– (другий ступінь);
HPO42– →← H+ + PO34– (третій ступінь).
Дисоціація проходить частіше за першим ступенем, менше – за другим і ще менше – за третім. Тому в розчині фосфатної кислоти є молекули Н3РО4 та іони Н2РО4–, НРО42–, РО43– і Н+.
17
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
Розрізняютькислотиоксигеновмісні(HNO3, H2SO4, Н3РО4), якіє гідратами відповідних оксидів, і безоксигенові (HCl, H2S, HCNS).
За кількістю іонів Гідрогену, утворених при дисоціації певної кількості молекул речовини (ступенем дисоціації кислоти α), розріз-
няютьсильнікислоти: НСl, HBr, HI, H2SO4, HNO3, HClO4 (α > 30 %);
слабкікислоти: Н2СО3, Н2SO3, H2S, H2SiO3, HNO2 (α < 3 %); кислоти середньої сили – Н3РО4 тощо.
За елементом-окисником розрізняють звичайні кислоти, у яких окисником є іон Гідрогену, і кислоти-окисники, де окисником є елемент, що утворює кислоту. Кислотами-окисниками є нітратна кислота будь-якої концентрації і сульфатна концентрована. Усі інші кислоти, втомучислісульфатнарозведена, єзвичайними(простими) кислотами.
Назви кислот
Назвидеякихкислотнихзалишків(аніонів): SO42– – cульфат, SO32 – сульфіт, РО43– – фосфат, NO3– – нітрат, NO2– – нітрит, Cl– – хлорид, Br– – бромід, F– – флуорид.
Назву кислоти можна будувати, використовуючи назву аніона таіменника"кислота": H2SO4 – cульфатнакислота, HNO3 – нітратна, H2CrO4 – хроматна, H2SO3 – сульфітна кислоти. Безоксигенові кислоти називають так: HІ – йодидна кислота, HCl – хлоридна кислота. Можна також використовувати традиційні назви, наприклад HCl – хлороводнева кислота.
Кислоти одержують при взаємодії кислотних оксидів з водою; солей з кислотами (одержана кислота повинна бути більш слабкою, менш розчинною або більш леткою, ніж взята); неметалів з воднем:
SO3 + H2O → H2SO4; P2O5 + 3H2O → 2H3PO4; Na2SіО3 + H2SO4 → Na2SO4 + H2SіО3;
Н2 + Сl2 → 2HСl↑; H2 + S → H2S↑.
Хімічнівластивостікислот
1.Взаємодія з металами (докладно розглядається в розд. 7).
2.Взаємодія з основними оксидами:
СuO + H2SO4 → CuSO4 + H2O; Fe2O3 + 6HCl → 2FeCl3 + 3H2O.
18
ОСНОВИ ЗАГАЛЬНОЇ ХІМІЇ
3. Взаємодія з основами (реакція нейтралізації):
NaOH + HCl → NaCl + H2O; Cu(OH)2 + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O. 4. Взаємодія з солями:
H2SO4 + BaCl2 → BaSO4↓ + 2HCl; HCl + AgNO3 → HNO3 + AgCl↓.
Основи
Основами називають речовини, при електролітичній дисоціації якихзаніонівутворюютьсятількигідроксид-іони. Основамиєгідрати основних оксидів. Загальна формула основ – Me(OH)n. Кількість гідроксильних груп дорівнює ступеню окиснення металу і визначає кислотність основи. Так, NaOH – однокислотна, Са(ОН)2 – двокислотна основа.
Багатокислотні основи дисоціюють ступінчасто:
Са(ОН)2 →← СаОН+ + ОН– (перший ступінь);
СаОН+ →← Са2+ + ОН– (другий ступінь).
Назви основ складаються з назви катіона і слова "гідроксид", наприклад: KОН– калійгідроксид. Якщоелементутворюєдекілька основ, то вказують ступінь його окиснення: Fe(OH)2 – ферум (ІІ) гідроксид, Fe(OH)3 – ферум (ІІІ) гідроксид.
Основи, розчинні у воді, називають лугами. Це гідроксиди лужнихілужноземельнихметалів: NaOH, KОН, RbOH, CsOH, Са(ОН)2, Sr(OH)2, Ва(ОН)2 (три останні сполуки малорозчинні).
Основи одержують взаємодією лужних і лужноземельних металів або їх оксидів з водою, солей з лугами (цей спосіб використовується для одержання нерозчинних у воді основ):
2Na + 2H2O → 2NaOH + H2↑; |
Ва + 2Н2О → Ва(ОН)2 + Н2↑; |
Na2O + H2O → 2NaOH; |
СаО + Н2О → Са(ОН)2; |
FeSO4 + 2NaOH → Fe(OH)2↓ + Na2SO4;
CuCl2 + 2KOH → Cu(OH)2↓ + 2KСl.
19
С.Ю. Кельїна, О.Г. Невинський, О.І. Лічко, О.В. Яновська
Хімічнівластивостіоснов
1. Взаємодія з кислотою (реакція нейтралізації):
KOH + HCl → KCl + H2O; Cu(OH)2 + H2SO4 → CuSO4 + 2H2O. 2. Взаємодія з кислотними оксидами (ангідридами кислот):
2NaOH + CO2 → Na2CO3 + H2O; Ca(OH)2 + SO3 → CaSO4 + H2O. 3. Взаємодія з солями:
Fe2(SO4)3 + 6NaOH → 3Na2SO4 + 2Fe(OH)3.
Амфотерні гідроксиди
Гідрати амфотерних оксидів (Zn(OH)2, Al(OH)3, Cr(OH)3, Sn(OH)2 та ін.) мають амфотерні властивості. При взаємодії з кислотами амфотерні гідроксиди виявляють основні властивості:
Zn(OH)2 + 2HCl → ZnCl2 + 2H2O;
2Al(OH)3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O.
Привзаємодіїзосновамивонивиявляютькислотнівластивості:
Zn(OH)2 + 2NaOH → Na2ZnO2 + 2H2O (при сплавленні);
Натрій цинкат
Al(OH)3 + 3NaOH → Na3[Al(OH)6] (у розчинах).
Натрій гідроксоалюмінат
Солі
Сіллю називають продукт заміщення атомів Гідрогену в кислоті наметал. Уводнихрозчинахсолідисоціюютьнакатіонметалуі аніон кислотного залишку:
NaCl →← Na+ + Cl–; K3PO4 →← 3K+ + PO43–.
Розрізняютьсередні, кислі, основні, атакожподвійнісолі. Будьяку сіль можна вважати продуктом взаємодії основи з кислотою:
20