МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Сибирский федеральный университет
Институт цветных металлов и материаловедения
Р.Б. Николаева, А.С. Казаченко, Г.В. Новикова
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
Часть 2.
Химия элементов и их соединений
Учебное пособие
Красноярск 2011
УДК 546(075.)
ББК 22.4я75
Рецензент: Т.В. Ступко, зав. кафедрой химии КГАУ, доктор техн. наук, проф., Г.В. Волкова канд. техн. наук, проф. кафедры аналитической и органической химии ИЦМиМ СФУ.
Николаева, Р. Б. Неорганическая химия. Часть 2. Химия элементов и их соединений: учеб. пособие/ Р. Б. Николаева, А.С. Казаченко, Г.В. Новикова/ Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2011. – 69 с.
Данное учебное пособие является второй частью из серии учебных пособий по курсу «Химия» и предназначено для студентов 1 курса специальностей 020800-экология и природопользование, 020801- экология, а также студентов специальности шифр биологии. В ней на основании теорий строения атома, химической связи, термодинамики, кинетики и др., рассмотренных в первой части, даны объяснения физических и химических свойств элементов и их соединений, а также указаны причины изменения этих свойств в подгруппах и в периодах таблицы Д.И. Менделеева. Поэтому свойства описываются не отдельно для каждого элемента и образуемых им веществ, а для подгруппы в целом, причем в сравнении элементов друг с другом и сопровождаются объяснениями наблюдаемых закономерностей и различий.
В качестве примеров рассматриваются, в основном, те неорганические соединения, которые наиболее часто встречаются в быту и в окружающей среде, с указанием (где нужно) токсичности и экологической опасности этих веществ.
Чтобы достичь большей логической связанности материала, сведения о применении соединений, как правило, не выделяются отдельным разделом, а приводятся непосредственно в тексте, в котором характеризуются свойства этих веществ, чтобы показать, как только что описанные свойства используются на практике.
УДК 546(07)
ББК 24.1я73
© Сибирский
Федеральный
Университет, 2011
Список сокращений и обозначений
Е0 – окислительно-восстановительный потенциал,
Еа.с. – энергия активного состояния,
е – электрон,
– реальный (эффективный) заряд атома в
соединении,
I – потенциал ионизации,
K – константа равновесия,
Kd – константа диссоциации,
pH – водородный показатель,
Z – заряд ядра,
БГ – благородный газ,
БМ – благородный металл,
БЭ – благородный элемент,
ДВ – дисперсионные взаимодействия,
др. – другие,
КС – комплексное соединение,
к.ч. – координационное число,
М – металл,
ММС – межмолекулярные силы,
НЭП – несвязывающая электронная пара,
н.у. – нормальные условия,
об.у. – обычные условия,
ОВР – окислительно-восстановительные реакции,
ст.ок. – степень окисления,
T – температура по шкале Кельвина,
т.е. – то есть,
т.к. – так как,
т.н. – так называемое,
т.о. – таким образом,
т.п. – тому подобное,
т.пл. и т.кип. – температуры плавления и кипения по шкале Цельсия,
ХС – химическая связь,
ЩМ – щелочные металлы,
ЩЗМ – щелочноземельные металлы,
Э – элемент,
ЭО – электроотрицательность.
Глава 1. Введение
1.1. Периодическая система
Неорганическую химию часто определяют как химию элементов и образуемых ими простых и сложных соединений, поэтому она – основная база тех наук, которые имеют дело с веществами, в частности, биологии, медицины, археологии и т.п.
А с другой стороны, основу самой неорганической химии составляет Периодическая система Д.И. Менделеева, которая является математическим описанием открытого им Периодического закона. Его современная формулировка: свойства элементов, а потому и свойства их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра.
Напомним, что элемент – это вид атомов, имеющих одинаковый заряд ядра. Причем, если при «сборке» атома из ядра и электронов (е) последний е «садится» на s-орбиталь, то получаем s-элемент, если на p‑орбиталь, то p-элемент. Аналогично определяются d- и f-элементы.
Подчеркнем, что таблица является наглядным изображением Периодической системы. Поэтому система одна, а вариантов таблиц, составленных разными авторами, известно уже более 600.
Химики наиболее часто используют короткопериодный вариант, предложенный Менделеевым (но включающий все открытые к настоящему времени элементы). Этот вариант наиболее полно представляет сходство свойств разных элементов, т.к. в нем каждая группа состоит из двух подгрупп: главной, включающей s- и p-элементы (подгруппа А), и побочной, в которую входят d-элементы (подгруппа Б). А поскольку номер группы, как правило, равен числу валентных электронов, то объединение элементов главной и побочной подгрупп в одну группу подчеркивает сходство их свойств, в частности, одинаковое значение высшей степени окисления.
Каждый период начинается с элемента, на валентном уровне которого всего один электрон (значит, электронная конфигурация атомов ns1) – это водород и все щелочные металлы (ЩМ), т.е. s-элементы I группы. Завершает же 1-й период – гелий (конфигурация ns2), а каждый из остальных периодов – p-элемент, имеющий 8 валентных электронов (ns2np6). Эти завершающие элементы называются благородными элементами и составляют VIIIА подгруппу.
В 1-ом периоде имеется всего два элемента, во 2-ом и 3-ем – по 8, в 4-ом и 5‑ом – по 18, и в 6-ом – 32; 7-ой период еще не завершен: пока он содержит 30 элементов, поиски остальных (точнее попытки их синтеза) продолжаются. И в этих поисках помогает Периодическая система Менделеева.
Ее значение трудно переоценить. По словам Бора Периодическая система является фундаментальным обобщением, не имеющим себе равных. Благодаря этой системе химия стала стройной наукой со своей внутренней логикой и структурой.
Поэтому изучение неорганической химии – это, прежде всего, постижение закономерностей в изменении свойств элементов и, как следствие, свойств их соединений по периодам и группам. И лишь во вторую очередь знание химии означает владение фактическим материалом. (Что в полном объеме практически невозможно, т.к. уже получено более 20 млн. веществ и каждый день синтезируют новые.)