Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

0232690

.pdf
Скачиваний:
8
Добавлен:
29.03.2016
Размер:
855.31 Кб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Сибирский федеральный университет

Р. Б. Николаева, А. С. Казаченко, Г. В. Новикова

НЕОРГАНИЧЕСКАЯ

ХИМИЯ

В двух частях

Часть 1

Теоретические основы химии

Учебное пособие

Красноярск

СФУ

2011

УДК 546(07) ББК 24.1я73

Н63

Р е ц е н з е н т ы: Т. В. Ступко, д-р техн. наук, проф. зав. кафедрой химии КГАУ;

Г.В. Волкова, канд. техн. наук, проф. кафедры аналитической и органической химии ИЦМиМ СФУ

Николаева, Р. Б.

Н63 Неорганическая химия : в 2 ч. Часть 1. Теоретические основы химии : учеб. пособие/ Р. Б. Николаева, А. С. Казаченко, Г. В. Новикова. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2011. – 68 с.

ISBN 978-5-7638-0026-5

Данное учебное пособие является первой частью из серии учебных пособий по курсу «Химия» и предназначено для студентов 1 курса специальностей 020800 «Экология и природопользование», 020801 «Экология».

В основу данной разработки положен принцип поблочного изложения материала; при этом блок «Строение атома и химическая связь» расположен после темы «Термодинамика и кинетика», что обусловлено календарным планом практических занятий студентов.

Материал структурирован таким образом, чтобы сформировать у студентов целостное представление о химии как о логической и хорошо систематизированной науке. С этой целью даются объяснения физического смысла всех приводимых количественных характеристик, приведена классификация видов связей и типов кристаллических решеток, которая позволяет хорошо объяснять физические и химические свойства большинства неорганических веществ.

Данное учебное пособие не заменяет учебники, а должно использоваться наряду с ними при подготовке студентов к семинарам, практическим занятиям и экзамену.

 

УДК 546(07)

 

ББК 24.1я73

ISBN 978-5-7638-0026-5

© Сибирский федеральный

 

университет, 2011

2

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

 

– степень диссоциации

мас.

– массовые

г

– степень гидролиза

МВС

– метод валентных связей

R

– газовая постоянная

ММС

– межмолекулярные связи

H-связь

– водородная связь

н.у.

– нормальные условия

L

– лиганд

об.у.

– обычные условия

NA

– число Авогадро

ОВП

– окислительно-восстановительный

АО

– атомная орбиталь

 

потенциал

а.е.м.

– атомная единица массы

ОВР

– окислительно-восстановительная

а.к.

– активированный комплекс

Пr

реакция

б/в

– безводный

– произведение реакции

б/ц

– бесцветный

Пп.о.

– произведение полуреакции

БГ

– благородный газ

 

окисления

БЭ

– благородный элемент

ПР

– произведение растворимости

В

– валентность

РЗМ

– редкоземельные металлы

взрыв.

– взрывается

РЗЭ

– редкоземельные элементы

ДАМ

– донорно-акцепторный

сплав.

– сплавление

 

механизм

ст.ок.

– степень окисления

ДЭС

– двойной электрический

ст.у.

– стандартные условия

 

слой

т.кип

– температура кипения

жидк.

– жидкость

т.пл.

– температура плавления

КС

– комплексное соединение

т.разл.

– температура разложения

к.ч.

– координационное число

ТЭД

– теория электролитической

K d

– константа диссоциации

 

диссоциации

K a

– термодинамическая

ХС

– химические связи

Kв

константа равновесия

ц.а.

– центральный атом

– ионное произведение воды

ЩЗМ

– щелочноземельные металлы

Kг

– константа гидролиза

ЩМ

– щелочные металлы

конц.

– концентрированный

ЭО

– электроотрицательность

М– металл

3

1.ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ХИМИИ

1.1.ХИМИЧЕСКАЯ ФОРМА ДВИЖЕНИЯ МАТЕРИИ. ФОРМУЛА И СТРУКТУРА ВЕЩЕСТВА

1.1.1.Химические и физические явления

Современная химия – это наука, изучающая свойства веществ (т. е. соединений1) и их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структуры.

При химических превращениях (или взаимодействиях), т. е. химических реакциях образуются новые химические связи в продуктах реакции за счет разрыва или ослабления старых (в исходных веществах, т. е. в реагентах). Иногда происходит упрочнение одних за счет разрушения или ослабления других. Подчеркнем, что связи между атомами вещества считают химическими, если для их разрыва требуется энергия от 30 до 1700 кДж/моль.

Носителем химических свойств соединений является молекула, а для т.н. немолекулярных веществ – фаза. Молекула – это совокупность атомов, соединенных с помощью химических связей и имеющая строго определенный состав. А фаза – гомогенная (однородная) часть гетерогенной (неоднородной) системы (ограниченная поверхностью раздела от других фаз) – например, кристалл (кристаллы).

В химии рассматриваются связи не только химические, но и физические (т.н. силы Ван-дер-Ваальса), т. е. межмолекулярные связи. Причем их энергия намного ниже: (менее 20 кДж/моль)2, а потому длина3 значительно больше, чем в случае химических связей.

1.1.2. Номенклатура неорганических соединений

В русском языке называть неорганические вещества начинают с аниона а) название бинарных соединений При названии бинарных соединений (состоящих из двух элементов) ис-

пользуются латинское название аниона и к его корню добавляется суффикс -ид. Например,

1В современной химии слова «соединения» и «вещества» – практически синонимы.

2Промежуточное положение по энергии (20-40 кДж/моль) занимает т.н. водородная связь (H-связь) – читается «аш связь» – это особый тип связи, который осуществляется между водородом одной молекулы и достаточно электроотрицательным элементом (F, O, N) другой молекулы. Отметим, что энергия симметричной H-связи H-F-H равна 168 кДж/моль, т. е. сравнима по энергии с химической связью.

3Длина связи – это среднее расстояние между центрами атомов, образующих данную связь.

4

СаО – оксид кальция (латинское название кислорода oxigenium) СаС2 – карбид кальция (латинское название углерода carbonium) PN – нитрид фосфора (латинское название азота nitronium)

KCl – хлорид калия (латинское название хлора chlorium).

Если катион может иметь переменную степень окисления, то после названия вещества в скобках римскими цифрами указывается его степень окисления:

SO3 – оксид серы (VI) б) названия оснований

Называть основания начинают со слова гидроксид, затем указывается катион (металл), и если он может иметь переменную степень окисления, то она приводится в скобках:

NaOH – гидроксид натрия

Fe(OH)2 гидроксид железа (II)

в) названия кислот

Вназваниях бескислородных кислот используется русское название аниона, к корню которого добавляется суффикс о и слово водородная:

HJ – йодоводородная кислота

H2S – сероводородная кислота

HCN – циановодородная кислота

При названии кислородсодержащих кислот, в случае если центральный атом имеет высшую степень окисления – суффикс и окончание -ная или -вая:

H2SO4 – серная кислота HNO3 – азотная кислота HMnO4 – марганцевая кислота

Если степень окисления кислотообразующего элемента не высшая – суффикс и окончание -истая:

H2SO3 – сернистая кислота HNO2 – азотистая кислота

Если центральный атом может иметь много степеней окисления, используются и другие суффиксы:

HClO4 – хлорная кислота HClO3 – хлористая кислота HClO2 – хлорноватая кислота

HClO – хлорноватистая кислота

Вслучае, если кислота может иметь переменное количество воды, то для максимального его количества используется приставка орто-, а для минимального -мета:

H3PO4 ортофосфорная кислота HPO3 метафосфорная кислота г) названия солей

Если соль образована от кислородсодержащей кислоты, в которой центральный атом находится в высшей степени окисления, используется суффикс -ат:

Na2SO4 – сульфат натрия

Если степень окисления центрального атома не высшая – суффикс -ит:

Na2SO3 – сульфит натрия

У кислых солей приставка гидро-: NaНSO4 гидросульфат натрия

5

Уосновных солей приставка гидроксо-: Fe(OH)Cl – гидроксохлорид железа (II)

Удвойных солей катионы перечисляются слева направо в порядке напи-

сания:

NaКSO4 – сульфат натрия-калия

Усмешанных солей анионы перечисляются справа налево в порядке написания:

Fe(SO4)Cl – хлорид-сульфат железа (III).

Если соли образованы от кислот, центральный атом которого имеет несколько степеней окисления, используются и другие приставки:

КClO4 перхлорат калия КClO3 – хлорат калия КClO2 – хлорит калия КClO – гипохлорит калия.

1.1.3. Типы кристаллических решеток веществ

В соединениях молекулярной структуры, т. е. с молекулярной решеткой, в узлах этой решетки находятся молекулы, связанные между собой с помощью межмолекулярных связей.

Напротив, между структурными единицами1 немолекулярных веществ осуществляются (хотя бы частично) химические связи. Немолекулярная решетка (в зависимости от соотношения вкладов химических и межмолекулярных связей в ее образование) может быть:

координационной – в ней все атомы соединены между собой только химическими связями (как, например, в алмазе, хлориде натрия, золоте);

слоистой – когда связь осуществляется между атомами в слое вещества, а между слоями действуют межмолекулярные связи (такую решетку имеет графит – простое соединение С);

цепной (волокнистой) – в цепи (волокне) между атомами – химическая связь, а между цепями (волокнами) – межмолекулярная связь (подобная структура у карбина – другого простого вещества углерода).

1.1.4. Формулы соединений

Качественный и количественный состав вещества с молекулярной решеткой передается его молекулярной формулой (например: CO2 , H2O ), а в случае со-

единения немолекулярной структуры – простейшей формулой (NaCl , CaHPO4 ).

Графические изображения указанных формул (т.н. графические формулы) показывают, в каком порядке атомы элементов (Э) связаны друг с другом.

1 Структурные единицы – это атомы или группы атомов, находящиеся в узлах кристаллической решетки вещества.

6

Например, для воды: H O H ; для хлорида натрия: Na Cl . Отметим, что графическая формула всегда плоская, поэтому обычно она не совпадает со структурной формулой, моделирующей реальное объемное строение молекулы или фазы.

Молекулярную формулу вещества рассчитывают, исходя из его химического состава и знания относительной молекулярной массы вещества (Mr ).

Ее вычисляют, измерив при определенной температуре (T) давление (р) и объем (V) газа с массой (m), по формуле Клапейрона-Менделеева:

pV mM RT ,

где R – универсальная газовая постоянная, равная 8,314 Дж/(моль К), а M – мольная масса вещества, которая численно совпадает с Mr (см. раздел 1.1.5).

1.1.5. Количество вещества. Моль. Эквивалент

Количество вещества есть физическая величина, определяемая числом структурных частиц. Основной его единицей служит моль. Под молем понимают порцию простого или сложного соединения, содержащую столько же структурных частиц, сколько атомов находится в 0,012 кг изотопа углерода C12 , а именно 6,022 1023 . Это число Авогадро (обозначается NА ).

Поскольку моль – это число, то можно говорить о моле любых частиц. Например, в моле нитрата натрия находится по молю ионов Na и NO3 ; в то же

время моль данной соли содержит моль натрия, моль азота и три моля кислорода (в этом случае речь идет о молях атомов элементов в соединении).

Символом количества соединения является буква n, следовательно, запись: n (H2SO4 ) 0,3 моль означает 0,3 моль 1 серной кислоты.

Одной из структурных единиц, используемых в химии, является и эквивалент. В международной системе СИ эквивалентом вещества считают некую реальную или условную частицу, которая в данной обменной реакции соединяется с одним ионом водорода, вытесняет его из соединения либо каким-то опосредованным образом стехиометрически равноценна ему.

Так, в реакции:

2NaCl H2SO4 2HCl Na2SO4

ион Сl- или Na (или молекула НСl, или условная молекула NaCl ) представляют собой эквиваленты, поскольку, например, один ион хлора соединяется с одним ионом водорода, а один ион Na вытесняет один ион водорода из молекулы кислоты и т. д. Все указанные эквиваленты являются реальными структурными

1 Если термин «моль» стоит после числа, то он не склоняется.

7

элементами, в то время как эквивалентом серной кислоты будет не реальная, а условная частица – половина молекулы этой кислоты, ведь именно она содержит один ион водорода, а молекула H2SO4 представляет собой два эквивален-

та серной кислоты. По аналогии получается, что эквивалентом сульфат-иона (или условной молекулы Na2SO4 ) будет половина данного структурного эле-

мента.

В окислительно-восстановительных реакциях эквивалентом считается реальная или условная частица вещества, которая участвует в процессе передачи одного электрона. Так, в реакции

10FeSO 4 2KMnO 4 8H2SO4 Fe2 (SO4 )3 2MnSO 4 K 2SO4 8H2 O

одна молекула сульфата железа или один ион железа (II) участвует в передаче одного электрона, и поэтому они являются эквивалентами, причем реальными частицами. (Молекула перманганата калия или перманганат-ион участвует в передаче (принимает) пяти электронов, а один электрон принимает одну пятую данной структурной единицы, т. е. эквивалентами выступают условные

1/5 KMnO4 или 1/5 MnO4 .)

Фактор эквивалентности показывает, какая доля реальной частицы вещества эквивалентна при кислотно-основном взаимодействии одному иону Н+, а в окислительно-восстановительных реакциях – одному электрону, фактор эквивалентности определяется по стехиометрии данной реакции.

Например, в реакции

2NaOH H2SO4 Na2SO4 2H2 O

принимает участие два протона, поэтому для определения значения фактора эквивалентности каждого вещества нужно их стехиометрические коэффициенты разделить на два. Таким образом,

f(NaOH) =2/2 = 1;

f(H2SO4) =1/2;

f(Na2SO4) =1/2;

f(H2O) =2/2 = 1.

В случае окислительно-восстановительной реакции

6FeSO4 K 2 Cr2 O7 7H2SO4 3Fe2 (SO4 )3

Cr2 (SO4 )3 K 2SO4 7H2 O

сначала определяют число электронов, участвующих в процессе, для чего составляют электронно-ионные полуреакции

Cr2O27 14H 6e 2Cr3 7H2O ,

6Fe2 6e 6Fe3 .

8

Отсюда видно, что в реакции участвуют шесть электронов, поэтому

f(FeSO4)=6/6=1; f(K2Cr2O7)=1/6; f(H2SO4)=7/6.

Следует принять во внимание, что в приведенном примере кислотноосновного взаимодействия f(H2SO4)=1/2, т.е. фактор эквивалентности вещества не является постоянной величиной, а определяется типом реакции, в которой оно участвует. Кроме того, фактор эквивалентности зависит и от глубины протекания процесса.

Например, в реакции

Fe(OH)2 Cl HCl Fe(OH)Cl2 H2O ; f(Fe(OH)Cl2 )=1,

а в реакции

Fe(OH)2 Cl 2HCl FeCl3 2H2 O

(Fe(OH)2 Cl)=f 1/2, хотя f(HCl)=1 в обоих случаях.

1.1.6. Масса и объем моля

Мольная (молярная) масса вещества (M) – это масса одного его мо-

ля, т.е. величина, равная отношению массы соединения (m) в граммах к его количеству (n) в молях:

M mn , поэтому размерность мольной массы – г/моль 1.

Мольный (молярный) объем вещества – это объем, занимаемый одним молем его. Объем одного моля любого соединения, находящегося в газообразном состоянии, при нормальных условиях (н.у.) 2 равен 22,4 л.

При расчете молярной массы эквивалента вещества (Мf) массу относят к числу молей эквивалентов вещества (умножают на фактор эквивалентности):

Мf = М·f,

(1)

например:

Mf (O2 ) 1/4M(O2 ) 1/4 32 8 (г/моль) ; Mf (Ca2 ) 1/2M(Ca 2 ) 20 (г/моль) ;

Mf (K 2 Cr2 O7 ) 1/6M(K 2 Cr2 O7 ) 49 (г/моль) .

1Основной единицей массы является кг, а кг/моль служит производной единицей (молярной массы), следовательно, г/моль – дольная единица.

2Нормальные условия – это р = 1 атм. и Т = 273 К.

9