2. Сложные вещества

Сложное вещество – это вещество, состоящее из атомов различных химических элементов. Как и простые вещества, сложные вещества могут существовать в виде молекул определенного состава, так и кристаллических структур, образованных атомами и ионами. Для каждого сложного вещества существует своя химическая формула, представляющая собою набор символов элементов, численных индексов и других символов. Различают эмпирические, графические и структурные формулы. Эмпирическая формула отражает качественный и количественный состав вещества, в графической формуле с помощью валентных штрихов указывается также последовательность соединения атомов и число химических связей между атомами. В структурных формулах показывается расположение атомов в пространстве.

Примеры

Химические формулы тетрахлорида кремния и серной кислоты.

Эмпирические формулы:

SiCl₄ H₂SO₄

Графические формулы:

Структурные формулы:

2.1 Степень окисления элемента

Составление эмпирических формул и образование названий сложных веществ основано на знании и правильном использовании понятия степень окисления элемента.

Степень окисления элемента – это формальный электрический заряд атома в соединении, вычисленный при допущении, что сложное вещество состоит из простых ионов положительного и отрицательного заряда.

Знак формального заряда атома в сложном соединении определяется относительной электроотрицательностью элемента. В простом веществе в виду одинаковой электроотрицательности всех атомов степень окисления элемента принимается равной 0. В двухэлементных (бинарных) соединениях наиболее электроотрицательному элементу приписывают знак «–», а менее электроотрицательному – знак «+» (таблица относительной электроотрицательности элементов приводится в «Приложении»). При составлении эмпирических формул двухэлементных веществ на первое место ставят менее электроотрицательный элемент, а на второе – более электроотрицательный.

Примеры

K⁺Cl^–, H⁺F^–, Na⁺H^–, B⁺³N^–3, Ca⁺²O^–2, O⁺²F₂^–.

Исключениями из правил являются формулы соединений водорода с азотом, фосфором, углеродом и бором, например, NH₃, N₂H₄, PH₃, В₂Н₆, CH₄ и др..

Указанный порядок записи элементов сохраняется в и формулах многоэлементных катионов и анионов:

H₃O⁺, CO₃^2–, SO₄^2–, исключения – NH₄⁺, РН₄⁺, ОН^–, N₂H₅⁺.

Элементы могут иметь несколько различных степеней окисления. Сера, например, в соединениях бывает в степенях окисления

+6 – в SO₃, H₂SO₄;

+4 – в SO₂, K₂SO₃;

0 – в простом веществе;

–1 – в Na₂S₂;

–2 – в H₂S.

Из большого числа степеней окисления можно выделить некоторые наиболее устойчивые и наиболее часто встречающиеся. Такие степени окисления элементов являются важнейшей его характеристикой, и поэтому их необходимо помнить.

Для элементов главных подгрупп Периодической таблицы Д.И. Менделеева наиболее устойчивые и часто встречающиеся степени окисления можно определить по положению элемента в таблице.

Элементы I, II и III групп главных подгрупп, имеют только положительные степени окисления, равные номеру группы, например:

К – (+1), Са – (+2), Al – (+3).

Исключением является таллий, имеющий ещё и устойчивую степень окисления (+1).

Элементы IV, V и VI групп главных подгрупп имеют несколько степеней окисления:

высшую степень окисления (ВСО), равную номеру группы: (ВСО=+№_группы),

промежуточную степень окисления, на две единицы меньшую высшей степени окисления: (№_группы–2),

и низшую отрицательную, равную разности между номером группы и числом 8: (№_группы – 8).

Элементы VII группы главной подгруппы имеют все нечётные степени окисления от +7 до –1. Например, для хлора – (+7), (+5), (+3), (+1) и (–1).

Примеры

В соответствии с выше изложенным

элемент IV группы Si имеет степени окисления (+4), (+2) и (–4);

элемент V группы As – (+5), (+3) и (–3);

элемент VI группы Sе – (+6), (+4) и (–2).

Исключениями из правил являются водород, фтор, кислород, азот, фосфор и таллий, имеющие следующие степени окисления:

Н – обычно (+1), но в соединениях с металлами (–1),

F – только (–1),

О – обычно (–2), в пероксидах (–1) и в соединении с F – (+2),

N – наряду с (+5), (+3) и (–3) имеет (+4), (+2), (+1), (–1), (–2),

Р – наряду с (+5), (+3) и (–3), имеет (+1),

Tl – наряду с (+3), имеет устойчивую степень окисления (+1).

Для важнейших элементов побочных подгрупп (переходных металлов) отметим наиболее характерные степени окисления:

I группа: Cu – (+1), (+2)^

Ag – (+1), (+2)

Au – (+1), (+3)

II группа: Zn – (+2)

Cd – (+2)

Hg – (+2), (+1)^

VI группа: Сr – (+6), (+3), (+2)

VII группа: Mn – (+7), (+6), (+4), (+2)

VIII группа: Co, Ni – (+2), (+3),

Fe – (+2), (+3) и (+6).

Существуют определённые правила определения степеней окисления элементов в конкретных соединениях:

1. Степени окисления элементов в простых веществах равны нулю.

2. Степень окисления элемента в простом ионе равна заряду иона.

Например, в ионе Fe³⁺ степень окисления железа (+3),

а в ионе S^2– степень окисления серы равна (–2).

III. Сумма степеней окисления всех атомов, входящих в состав сложного вещества, равна нулю.

Например, в К₂S₂O₇ сумма всех степеней окисления равна

(+1)2 + (+6)2 + (–2)7 = 2 + 12 – 14 = 0

4. Сумма степеней окисления всех атомов в сложном ионе равна заряду иона.

Например, в SO₄^2– сумма степеней окисления атома серы и четырёх атомов кислорода равна

(+6)1 + (–2)4 = –2

и совпадает с зарядом иона.

V. Некоторые элементы в большинстве своих соединений проявляют одну и ту же степень окисления.

Такие элементы используются в качестве эталонных при определении степеней окисления других элементов. К эталонным можно отнести следующие элементы:

H – (+1) за исключением гидридов металлов

О – (–2) за исключением пероксидов и фторидов

F – (–1)

Li, Na, K, Rb, Cs – (+1)

Be, Mg, Ca, Sr, Ba – (+2)

Al – (+3)

Cl, Br, I – (–1) если галоген не связан с кислородом или более электроотрицательным галогеном

Примеры

а) Какова степень окисления титана в TiF₄?

Р е ш е н и е. У фтора степень окисления всегда равна (–1), поэтому

(степень окисления Ti) + (–1)4 = 0,

следовательно, степень окисления титана равна (+4).

б) Какова степень окисления фосфора в Na₄P₂O₇?

Р е ш е н и е. У натрия единственная степень окисления (+1), а у кислорода наиболее вероятная степень окисления (–2), поэтому

(+1)4 + (степень окисления Р)2 + (–2)7 = 0,

следовательно, степень окисления фосфора = , что соответствует его высшей степени окисления.

в) Какова степень окисления олова в [Sn(OH)₆]^2–?

Р е ш е н и е. Заряд ОН-группы равен ((–2) + (+1)) = –1, поэтому

(степень окисления Sn) + (–1)6 = –2,

следовательно, степень окисления олова равна (+4).